CZ2017683A3

CZ2017683A3 - Method and connection for limiting the magnitude of the voltage between the node and ground in the AC power grid

Info

Publication number: CZ2017683A3
Application number: CZ2017-683A
Authority: CZ
Inventors: František ŽÁK; Jaroslava Žáková
Original assignee: František ŽÁK; Jaroslava Žáková
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2018-12-27
Also published as: WO2019086058A1; CZ307590B6

Abstract

Vynález řeší způsob a zapojení pro omezení velikosti napětí mezi uzlem (1) sítě a zemí (2), a to především v sítích s přímo uzemněným uzlem (1) nebo v sítích, kde je mezi uzel (1) sítě a zem (2) zapojena omezující impedance (5) za účelem zamezení průtoku stejnosměrného proudu Iuzlem (1) sítě. Podstat vynálezu spočívá v tom, že při zvýšení okamžité hodnoty napětí Umezi uzlem (1) sítě a zemí (2) nad zadanou komparační hodnotu Use mezi uzel sítě a zem, případně paralelně k omezující impedanci (5), připojí ochranný obvod (3). Tento ochranný obvod (3) propojí uzel (1) sítě se zemí (2). V důsledku toho bude mít napětí U, mezi uzlem (1) sítě a zemí (2), hodnotu blízkou nule.The invention solves the method and circuitry for limiting the magnitude of voltage between a network node (1) and a ground (2), especially in networks with a directly grounded node (1) or in networks where there is a network and ground between node (1) a limiting impedance (5) is connected to prevent the Iuzlem (1) DC current flow. The invention is based on the fact that, by increasing the instantaneous voltage value, it connects the node (1) of the network and ground (2) to the protective circuit (3) by connecting the protective node (3) above the comparative value of Use between the network node and ground, or parallel to the impedance limiting (5). This protective circuit (3) connects the node (1) to the ground (2). As a result, the voltage U, between network node (1) and ground (2), will have a value close to zero.

Description

Způsob a zapojení pro omezení velikosti napětí mezi uzlem a zemí ve střídavé elektrické sítiMethod and connection for limiting the amount of voltage between a node and ground in an alternating current network

Oblast technikyField of technology

Vynález spadá do oblasti uzemnění uzlu střídavé elektrické sítě a problematiky zamezení průtoku stejnosměrného proudu uzlem sítě.The invention falls within the field of grounding an AC mains node and the problem of preventing the flow of direct current through the mains node.

Dosavadní stav technikyPrior art

Uzel sítě, který je přímo uzemněný nebo uzemněný přes reaktor, případně nízkoohmový odpor, může spolu s vedením a ostatními obdobně uzemněnými uzly sítě vytvářet paralelní cestu pro stejnosměrné proudy Idc, označované též jako bludné proudy. Pokud jsou v síti použity autotransformátory, může se stejnosměrný proud Idc šířit i za tyto autotransformátory do dalších sítí, a to i na jiné napěťové hladině. Stejnosměrný proud Idc negativně působí na magnetický obvod elektrických strojů (transformátorů, alternátorů, motorů) a způsobuje zvýšení ztrát, zvýšení oteplení, zvýšení hlučnosti a snížení životnosti zařízení. Tento stejnosměrný proud Idc tekoucí uzlem sítě můžeme omezit zapojením odporu mezi uzel sítě a zem. Čím vyšší bude hodnota odporu, tím více bude omezován průtok stejnosměrného proudu Idc uzlem sítě. Při jednofázové poruše v síti bude na uvedeném odporu napětí o velikosti fázového napětí sítě. Pro úplné zamezení průtoku stejnosměrného proudu Idc uzlem sítě je možné uzel sítě od země odpojit. Tento uzel sítě bude pak provozován jako izolovaný. To však z provozního hlediska nelze vždy realizovat. U sítí, které jsou provozovány pouze s mezifázovými odběry, lze mezi uzel sítě a zem vřadit kondenzátor. Kondenzátor úplně zamezí průtoku stejnosměrného proudu Idc přes uzel sítě a v omezené míře umožní průtok střídavého proudu Ioac. Na kondenzátoru bude pak trvalé napětí, jehož velikost bude závislá na kapacitní reaktanci kondenzátoru a velikosti střídavého proudu Ioac tekoucího uzlem sítě. Při jednofázovém zkratu, nebo i při zapínaní sítě, může mít uzel sítě proti zemi hodnotu fázového napětí. Kondenzátor musí být, proto dimenzován na fázové napětí sítě. Kapacitní reaktance v uzlu sítě bude výrazně omezovat hodnotu jednofázového poruchového proudu tekoucího přes uzel sítě a může omezit také hodnotu proudu při jednofázovém zatížení. Instalace kondenzátoru mezi uzel sítě a zem je vhodná především v těch sítích, kde jsou pouze mezifázové odběry. U sériového zapojení kondenzátoru a indukčnosti, která je obvykle dána zařízením tvořícím uzel sítě, může dojít ke vzniku sériové rezonance. V důsledku sériové rezonance vzniká na kondenzátoru a indukčnosti nebezpečně vysoké napětí. Toto zvýšené napětí může být příčinou poškození zařízení v síti. Nevýhody výše popsaných známých řešení spočívají vtom, že pro sítě s vysokým napětím je nutné dimenzovat omezující impedance pro eliminaci stejnosměrného proudu protékajícího uzlem sítě na hodnoty fázového napětí. Zejména u sítí velmi vysokého a zvlášť vysokého napětí je pak omezující impedance finančně značně nákladná a technicky často obtížně řešitelná.A grid node that is directly grounded or grounded through the reactor, or a low-ohmic resistor, may, together with the line and other similarly grounded grid nodes, form a parallel path for DC Idc currents, also referred to as stray currents. If autotransformers are used in the network, the direct current Idc can also propagate behind these autotransformers to other networks, even at a different voltage level. The Idc direct current has a negative effect on the magnetic circuit of electrical machines (transformers, alternators, motors) and causes an increase in losses, an increase in heating, an increase in noise and a reduction in the service life of the equipment. This direct current Idc flowing through the network node can be limited by connecting a resistor between the network node and ground. The higher the resistance value, the more the Idc DC flow through the network node will be limited. In the event of a single-phase fault in the network, there will be a voltage of the magnitude of the phase voltage of the network at the specified resistance. To completely prevent the flow of Idc direct current through the network node, it is possible to disconnect the network node from the ground. This network node will then operate as isolated. However, from an operational point of view, this is not always possible. For networks that are operated only with interphase consumption, a capacitor can be inserted between the network node and ground. The capacitor completely prevents the flow of Idc direct current through the grid node and allows a limited amount of Ioac AC flow. There will then be a constant voltage on the capacitor, the magnitude of which will depend on the capacitive reactance of the capacitor and the magnitude of the alternating current Ioac flowing through the network node. In the event of a single-phase short circuit, or even when the mains is switched on, the mains node can have a phase voltage value against ground. The capacitor must therefore be dimensioned for the phase voltage of the mains. The capacitive reactance at the network node will significantly limit the value of the single-phase fault current flowing through the network node and may also limit the value of the current at a single-phase load. The installation of a capacitor between the network node and the ground is especially suitable in those networks where there are only interfacial consumption. In the case of series connection of a capacitor and inductance, which is usually given by the device forming the network node, series resonance can occur. Due to the series resonance, a dangerously high voltage is generated on the capacitor and the inductance. This increased voltage can cause damage to the equipment in the network. The disadvantages of the known solutions described above are that for high voltage networks it is necessary to dimension the limiting impedances to eliminate the direct current flowing through the network node to the values of the phase voltage. Especially in the case of very high and particularly high voltage networks, the limiting impedance is costly and technically often difficult to solve.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Podstata způsobu omezení velikosti napětí Uz mezi uzlem a zemí ve střídavé elektrické síti podle vynálezu spočívá v tom, že mezi uzel a zem se připojí komparačně spínací obvod, následně se pomocí komparačně spínacího obvodu kontinuálně porovnává okamžitá hodnota napětí Uz s předem určenou komparační hodnotou Uk, a/nebo se kontinuálně porovnává okamžitá hodnota proudu Ioac tekoucího mezi uzlem a zemí s předem určenou komparační hodnotou Ik. Je-li okamžitá hodnota napětí Uz > Uk, a/nebo je-li okamžitá hodnota proudu Ioac > Ik, pak sepnutím komparačně spínacího obvodu dojde k propojení uzlu se zemí přes komparačně spínací obvod, přičemž sepnutí se provádí v časovém intervalu ti až t₂, kde ti je čas odpovídající dosažení okamžité hodnoty napětí Uz = Uk, a/nebo okamžité hodnoty proudu Ioac = Ik, a t₂ je čas dosažení amplitudy sinusového napětí Uz.The essence of the method of limiting the voltage Uz between the node and the ground in the AC electrical network according to the invention lies in the fact that a comparative switching circuit is connected between the node and the ground, then the instantaneous voltage value Uz is continuously compared with a predetermined comparative value Uk by means of a comparative switching circuit. and / or continuously comparing the instantaneous value of the current Ioac flowing between the node and the ground with a predetermined comparison value Ik. If the instantaneous voltage value Uz> Uk, and / or if the instantaneous current value Ioac> Ik, then by switching the comparative switching circuit the node is connected to ground via the comparative switching circuit, the switching being performed in the time interval ti to t ₂ , where ti is the time corresponding to reaching the instantaneous value of the voltage Uz = Uk, and / or the instantaneous value of the current Ioac = Ik, and t ₂ is the time of reaching the amplitude of the sinusoidal voltage Uz.

- 1 CZ 2017 - 683 A3- 1 CZ 2017 - 683 A3

V jednom výhodném provedení způsobu podle vynálezu, ve střídavé elektrické síti, ve které je mezi uzlem a zemí zapojena omezující impedance zejména pro omezení bludného stejnosměrného proudu Idc tekoucího uzlem, se komparačně spínací obvod zapojí paralelně k omezující impedanci, přičemž po sepnutí komparačně spínacího obvodu dojde k omezení velikosti napětí Uz mezi uzlem a zemí.In one preferred embodiment of the method according to the invention, in an AC electrical network in which a limiting impedance is connected between the node and ground, in particular to limit stray DC current Idc flowing through the node, the comparator switching circuit is connected in parallel to the limiting impedance. to limit the magnitude of the voltage Uz between the node and ground.

Rozšířením tohoto výhodného provedení způsobu určeného pro střídavou elektrickou síť s omezující impedancí se dále paralelně k omezující impedanci mezi uzel a zem zapojí jednopólový spínač, který je řízen komparačně spínacím obvodem, a který po sepnutí komparačně spínacího obvodu propojí uzel přímo se zemí. Jednopólový spínač je určen pro dlouhodobé zkratování mezi uzlem a zemí, např. při déletrvající poruše, aby komparačně spínací obvod nemusel trvale spínat.By extending this preferred embodiment of the method intended for an AC electrical network with limiting impedance, a single-pole switch is connected in parallel with the limiting impedance between the node and ground, which is controlled by a comparative switching circuit and which connects the node directly to ground after closing the comparative switching circuit. The single-pole switch is designed for long-term short-circuit between the node and ground, eg in the event of a long-lasting fault, so that the comparative switching circuit does not have to switch permanently.

V jiném výhodném provedení způsobu podle vynálezu, pro střídavou elektrickou síť s přímo uzemněným uzlem, se pro omezení bludného stejnosměrného proudu Idc tekoucího uzlem odpojí uzel od země a mezi uzel a zem se zapojí komparačně spínací obvod, přičemž po sepnutí komparačně spínacího obvodu dojde k omezení velikosti napětí Uz mezi uzlem a zemí.In another preferred embodiment of the method according to the invention, for an AC electrical network with a directly grounded node, the node is disconnected from the ground to limit stray DC current Idc flowing through the node and a comparative switching circuit is connected between the node and ground. voltage magnitude Uz between node and ground.

Způsob určený pro střídavou elektrickou síť s přímo uzemněným uzlem lze rovněž výhodně doplnit tak, že se mezi uzel a zem zapojí jednopólový spínač, který je řízen komparačně spínacím obvodem, a který po sepnutí komparačně spínacího obvodu propojí uzel přímo se zemí. I zde je jednopólový spínač určen pro dlouhodobé zkratování mezi uzlem a zemí, např. při déletrvající poruše, aby komparačně spínací obvod nemusel trvale spínat.The method intended for an AC electrical network with a directly grounded node can also advantageously be supplemented by connecting a single-pole switch between the node and the ground, which is controlled by a comparative switching circuit and which connects the node directly to ground after closing the comparative switching circuit. Here, too, the single-pole switch is intended for long-term short-circuiting between the node and ground, eg in the event of a long-lasting fault, so that the comparative switching circuit does not have to switch permanently.

Předmětem dalšího výhodného provedení způsobu podle vynálezu je také způsob řízení okamžiku vypínání komparačně spínacího obvodu, a to jak v síti s omezující impedancí, tak v síti s přímo uzemněným uzlem. Je-li amplituda proudu Ioac tekoucího mezi uzlem a zemí větší než předem určená komparační hodnota Ik, a to alespoň pro jednu nebo více po sobě následujících period, pak setrvává komparačně spínací obvod v sepnutém stavu i v okamžiku průchodu střídavého vyrovnávacího proudu Ioac nulou dle síťové frekvence. Tím je zabráněno vzniku napěťových pulsů a EMC rušení.Another advantageous embodiment of the method according to the invention also relates to a method for controlling the moment of switching off a comparative switching circuit, both in a network with a limiting impedance and in a network with a directly grounded node. If the amplitude of the current Ioac flowing between the node and ground is greater than a predetermined comparison value Ik, for at least one or more consecutive periods, then the comparison switching circuit remains closed even at the moment when the AC balancing current Ioac passes zero. frequency. This prevents voltage pulses and EMC interference.

Jiné výhodné provedení způsobu řízení okamžiku vypínání komparačně spínacího obvodu podle vynálezu spočívá v tom, že komparačně spínací obvod zůstává v sepnutém stavu po předem nastavenou dobu i v okamžiku průchodu střídavého vyrovnávacího proudu Ioac nulou dle síťové frekvence.Another advantageous embodiment of the method of controlling the moment of switching off the comparative switching circuit according to the invention consists in that the comparative switching circuit remains closed for a preset time even at the moment of passing the alternating current Ioac zero to zero according to the mains frequency.

Předmětem předloženého vynálezu je také zapojení pro omezení velikosti napětí U_z mezi uzlem a zemí ve střídavé elektrické síti, zejména při výskytu bludného stejnosměrného proudu Idc. Podstata zapojení spočívá vtom, že mezi uzel a zem je zapojen komparačně spínací obvod, obsahující buď alespoň jednu dvojici antiparalelně zapojených diod, případně „n“ sériově řazených antiparalelně zapojených diod, anebo kombinaci alespoň jednoho z komparačních obvodů, tedy napěťového nebo proudového komparačního obvodu, s rychlou spínací jednotkou. Napěťový komparační obvod porovnává okamžitou hodnotu napětí Uz s předem určenou komparační hodnotou Uk. Proudový komparační obvod porovnává okamžitou hodnotu proudu Ioac tekoucího mezi uzlem a zemí s předem určenou komparační hodnotou Ik. Rychlá spínací jednotka, případně antiparalelně zapojené diody, slouží pro sepnutí komparačně spínacího obvodu propojujícího uzel a zem. Sepnutí musí proběhnout v čase ležícím v intervalu ti až t2. Čas ti je pro napěťový komparační obvod definován jako čas dosažení okamžité hodnoty napětí Uz = Uk. Pro antiparalelně zapojené diody je ti definován jako čas dosažení okamžité hodnoty napětí Uz = n.Uo, kde v součinu n.Uo je Ud velikost minimálního napětí nutného k otevření diody v propustném směru a „n“ je počet sériově řazených antiparalelně zapojených diod. Pro proudový komparační obvod je ti definován jako čas dosažení okamžité hodnoty proudu Ioac = Ik. Dosažení amplitudy sinusového napětí Uz je definováno jako čas t2.The subject of the present invention is also a circuit for limiting the magnitude of the voltage U _z between the node and the ground in the alternating current network, in particular in the presence of a stray direct current Idc. The essence of the connection lies in the fact that a comparative switching circuit is connected between the node and the ground, comprising either at least one pair of anti-parallel diodes or "n" series-connected anti-parallel diodes, or a combination of at least one of the comparator circuits, i.e. voltage or current comparator. with fast switching unit. The voltage comparison circuit compares the instantaneous voltage value Uz with a predetermined comparison value Uk. The current comparison circuit compares the instantaneous value of the current Ioac flowing between the node and the ground with a predetermined comparison value Ik. The fast switching unit, or diodes connected in anti-parallel, is used to close the comparative switching circuit connecting the node and the ground. Switching must take place in the time lying in the interval t1 to t2. The time ti is defined for the voltage comparison circuit as the time of reaching the instantaneous value of the voltage Uz = Uk. For anti-parallel diodes, ti is defined as the time of reaching the instantaneous voltage value Uz = n.Uo, where in the product n.Uo Ud is the amount of minimum voltage required to open the diode in the forward direction and "n" is the number of series-connected anti-parallel diodes. For the current comparison circuit, ti is defined as the time of reaching the instantaneous value of the current Ioac = Ik. Reaching the sinusoidal voltage amplitude Uz is defined as time t2.

-2CZ 2017 - 683 A3-2EN 2017 - 683 A3

Ve výše popsaném zapojení je napěťový komparační obvod tvořen obvodem kontinuálního porovnávání okamžité hodnoty napětí Uz s předem určenou komparační hodnotou Uk, s výstupem „1“ pro okamžitou hodnotu napětí Uz > Uk a s výstupem „0“ pro okamžitou hodnotu napětí Uz < Uk, proudový komparační obvod je tvořen obvodem pro porovnávání okamžité velikosti proudu Ioac s předem zadanou komparační hodnotou proudu Ik s výstupem „1“ pro okamžitou hodnotu proudu Ioac > Ik a s výstupem „0“ pro okamžitou hodnotu proudu Ioac < Ik, a že rychlá spínací jednotka je tvořena alespoň jedním spínacím prvkem, ze skupiny triak, diak, dvojice antiparalelně zapojených diod, tyristorů nebo GTO tyristorů, spínací tranzistor IGBT a podobně.In the circuit described above, the voltage comparison circuit consists of a circuit for continuous comparison of the instantaneous voltage value Uz with a predetermined comparative value Uk, with output "1" for instantaneous voltage value Uz> Uk and output "0" for instantaneous voltage value Uz <Uk, current comparison the circuit consists of a circuit for comparing the instantaneous magnitude of the current Ioac with a predetermined comparative value of the current Ik with an output "1" for the instantaneous current value Ioac> Ik and with an output "0" for the instantaneous current value Ioac <Ik, and that the fast switching unit consists of at least one switching element, from the group of triacs, diacs, a pair of antiparallel diodes, thyristors or GTO thyristors, an IGBT switching transistor and the like.

Výhodné je rovněž zapojení, kde mezi uzel a zem je připojen jednopólový spínač, který je ovládán komparačně spínacím obvodem.A circuit is also advantageous where a single-pole switch is connected between the node and the ground, which is controlled by a comparative switching circuit.

Způsob a zapojení k omezení velikosti napětí mezi uzlem sítě a zemí ve střídavých elektrických sítích lze využít především tam, kde je mezi uzlem sítě a zemí zapojena impedance za účelem omezení průtoku stejnosměrného bludného proudu Idc uvedeným uzlem. Omezující impedance může být realizována například odporem, kondenzátorem i jejich kombinací. Pro tyto sítě se komparačně spínací obvod zapojí mezi uzel a zem, a to paralelně k omezující impedanci. V uvedených sítích lze komparačně spínací obvod řídit jak napěťovým, tak proudovým komparačním obvodem. Proudový komparační obvod provádí řízení komparačně spínacího obvodu podle velikosti proudu Ioac tekoucího mezi uzlem sítě a zemí. Pokud okamžitá hodnota proudu Ioac překročí předem zadanou komparační hodnotu Ik, komparačně spínací obvod sepne. Způsob a zapojení k omezení velikosti napětí mezi uzlem sítě a zemí ve střídavých elektrických sítích je možné využít i v sítích s přímo uzemněným uzlem. V síti s přímo uzemněným uzlem se uzel sítě odpojí od země a mezi uzel a zem se zapojí komparačně spínací obvod s napěťovým komparačním obvodem. Jak již bylo uvedeno, napěťový komparační obvod však lze využít také v sítích, kde je mezi uzel a zem zapojena omezující impedance. Při použití napěťového komparačního obvodu se sepne komparačně spínací obvod v důsledku zvýšení okamžité hodnoty napětí Uz mezi uzlem sítě a zemí nad zadanou komparační hodnotu Uk.The method and circuit for limiting the voltage between the mains node and the ground in AC electrical networks can be used in particular where an impedance is connected between the mains node and the ground in order to limit the flow of direct stray current Idc through said node. The limiting impedance can be realized, for example, by a resistor, a capacitor and a combination thereof. For these networks, the comparator switching circuit is connected between the node and ground, in parallel with the limiting impedance. In said networks, the comparator switching circuit can be controlled by both a voltage and a current comparator circuit. The current comparison circuit controls the comparator switching circuit according to the magnitude of the Ioac current flowing between the network node and ground. If the instantaneous value of the current Ioac exceeds the predetermined comparison value Ik, the comparison switching circuit closes. The method and connection for limiting the amount of voltage between the network node and the ground in AC electrical networks can also be used in networks with a directly earthed node. In a network with a directly grounded node, the network node is disconnected from the ground and a comparator switching circuit with a voltage comparison circuit is connected between the node and the ground. However, as already mentioned, the voltage comparison circuit can also be used in networks where a limiting impedance is connected between the node and the ground. When using a voltage comparison circuit, the comparison switching circuit closes due to an increase in the instantaneous voltage value Uz between the mains node and ground above the set comparison value Uk.

Po propojení uzlu sítě se zemí přes komparačně spínací obvod dojde ke svedení proudu Ioac do země. V důsledku toho bude mít napětí Uz, tj. napětí uzlu sítě proti zemi, hodnotu blízkou nule. K sepnutí komparačně spínacího obvodu musí dojít v čase mezi dosažením komparační hodnoty Uk nebo Ik a dosažením amplitudy Uz. Takto definovaná doba sepnutí komparačně spínacího obvodu zaručuje, že sepnutí proběhne do doby dosažení amplitudy napětí Uz mezi uzlem sítě a zemí. Tím dojde ke snížení napětí Uz. Maximální hodnota napětí Uz mezi uzlem sítě a zemí je pak dána součtem hodnoty napětí Uz v okamžiku dosažení komparačního hodnoty Uk nebo Ik a přírůstku napětí Uz za dobu spínání komparačně spínacího obvodu. Při splnění výše uvedených podmínek je možné komparačně spínací obvod, uzemnění uzlu sítě a případně i omezující impedanci dimenzovat na nižší napětí než je fázové napětí sítě. Velikost napětí pro dimenzování uvedených zařízení je závislá na volbě velikosti komparačních hodnot Uk nebo Ik, na rychlosti připínání komparačně spínacího obvodu i na volbě případné omezující impedance. Z tohoto důvodu je využití vynálezu vhodné především pro sítě vn, wn a zvn. Proudově však musí být komparačně spínací obvod.After connecting the network node to ground via the comparator switching circuit, the Ioac current is conducted to ground. As a result, the voltage Uz, i.e. the voltage of the network node to ground, will have a value close to zero. The switching circuit must be closed in the time between reaching the comparison value Uk or Ik and reaching the amplitude Uz. The closing time of the comparative switching circuit defined in this way guarantees that the switching takes place until the voltage amplitude Uz between the mains node and ground is reached. This reduces the voltage Uz. The maximum voltage value Uz between the network node and ground is then given by the sum of the voltage value Uz at the moment of reaching the comparative value Uk or Ik and the voltage increase Uz during the switching time of the comparative switching circuit. If the above conditions are met, the comparative switching circuit, the grounding of the mains node and possibly also the limiting impedance can be dimensioned for a lower voltage than the phase voltage of the mains. The magnitude of the voltage for dimensioning the mentioned devices depends on the choice of the magnitude of the comparison values Uk or Ik, on the connection speed of the comparative switching circuit and on the choice of the possible limiting impedance. For this reason, the use of the invention is particularly suitable for high voltage, high voltage and high voltage networks. However, the current must be a comparative switching circuit.

Komparačně spínací obvod může být rovněž tvořen pouze antiparalelně zapojenými diodami, případně „n“ sériově řazenými antiparalelně zapojenými diodami. Volba velikosti komparačního napětí Uk je pak dána součinem n.Uo, tj. součinem počtu „n“ sériově řazených antiparalelně zapojených diod a velikosti napětí Ud, které je nutné pro otevření diody v propustném směru. Avšak toto řešení lze využít pouze v takových sítích, kde nehrozí vznik problémů v důsledku vysokofrekvenčního rušení, které může nastat při vypínání komparačně spínacího obvodu po každém průchodu proudu nulou.The comparative switching circuit can also consist of only anti-parallel diodes or "n" series-connected anti-parallel diodes. The choice of the magnitude of the comparison voltage Uk is then given by the product n.Uo, ie by the product of the number of "n" diodes connected in series with anti-parallel connected diodes and the magnitude of the voltage Ud, which is necessary to open the diode in the forward direction. However, this solution can only be used in networks where there is no risk of problems due to high-frequency interference that can occur when the comparator switching circuit is switched off after each current crossing zero.

Z důvodu eliminace vysokofrekvenčního rušení a zamezení vzniku napěťových špiček dochází k vypínání komparačně spínacího obvodu vždy až po poklesu amplitudy proudu Ioac tekoucíhoDue to the elimination of high-frequency interference and the prevention of voltage peaks, the comparator switching circuit is always switched off only after the amplitude of the Ioac current flowing has decreased.

-3CZ 2017 - 683 A3 mezi uzlem a zemí pod předem určenou komparační hodnotu Ik, a to alespoň pro jednu nebo více po sobě následujících period. Vypínání komparačně spínacího obvodu lze realizovat také zadaným časový zpožděním, které bude delší, než děje v sítí vyvolávající zvýšenou hodnotu proudu loAcmezi uzlem sítě a zemí. Tím je zabráněno vypínání komparačně spínacího obvodu při každém průchodu proudu Ioac nulou, které by vyvolalo vznik napěťových pulzů či EMC rušení.-3GB 2017 - 683 A3 between the node and the ground below a predetermined comparison value Ik, for at least one or more consecutive periods. Switching off the comparator switching circuit can also be realized by a specified time delay, which will be longer than what happens in the network causing an increased value of current loAcm between the network node and ground. This prevents the comparator switching circuit from tripping each time the current Ioac passes zero, which would cause voltage pulses or EMC interference.

Po sepnutí komparačně spínacího obvodu jím bude protékat součet střídavého proudu Ioac a stejnosměrného proudu Idc. Pokud bude velikost stejnosměrného proudu Idc převyšovat amplitudu střídavého vyrovnávacího proudu Ioac tekoucího uzlem sítě, je nutné v rychlé spínací jednotce volit takové spínací prvky nebo zapojení, která jsou určená k vypínání i stejnosměrných proudů.After closing the comparator switching circuit, the sum of alternating current Ioac and direct current Idc will flow through it. If the magnitude of the direct current Idc exceeds the amplitude of the alternating current Ioac flowing through the network node, it is necessary to select in the fast switching unit such switching elements or connections which are intended to switch off even direct currents.

Výhody popsaného řešení vynálezu spočívají vtom, že jak omezující impedanci pro eliminaci stejnosměrného proudu protékajícího uzlem sítě, tak i všechny ostatní prvky navrhovaného zařízení je možné dimenzovat na hodnoty nižší než fázové napětí dané sítě. Zejména u sítí velmi vysokého a zvlášť vysokého napětí lze tak výrazně snížit náklady za instalované zařízení. Výhoda způsobu řízení navrhovaného zařízení podle vynálezu spočívá i v možnosti omezení vzniku vysokofrekvenčního elektromagnetického rušení.The advantages of the described solution of the invention are that both the limiting impedance for eliminating the direct current flowing through the network node and all other elements of the proposed device can be dimensioned to values lower than the phase voltage of the network. Especially for very high and extra high voltage networks, the cost of the installed equipment can be significantly reduced. The advantage of the control method of the proposed device according to the invention also lies in the possibility of limiting the occurrence of high-frequency electromagnetic interference.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Na obr. 1 je znázorněn příklad zapojení podle vynálezu včetně omezující impedance pro eliminaci průtoku stejnosměrného proudu Idc. Na obr. 2 je znázorněn příklad zapojení bez omezující impedance. Na obr. 3 je schéma zapojení komparačně spínacího obvodu s napěťovým komparačním obvodem, na obr. 4 je schéma zapojení komparačně spínacího obvodu s proudovým komparačním obvodem. Na obr. 5 je schéma zapojení s jednopólovým spínačem a napěťovým komparačním obvodem, na obr. 6 je schéma zapojení s jednopólovým spínačem a proudovým komparačním obvodem, na obr. 7 je schéma zapojení komparačně spínacího obvodu s antiparalelně zapojenými výkonovými diodami. Na obr. 8 jsou znázorněny průběhy okamžitých hodnot napětí U_z mezi uzlem a zemí.Fig. 1 shows an example of a circuit according to the invention including a limiting impedance for eliminating the direct current flow Idc. Fig. 2 shows an example of a connection without limiting impedance. Fig. 3 is a circuit diagram of a comparator switching circuit with a voltage comparator circuit, Fig. 4 is a circuit diagram of a comparator switching circuit with a current comparator circuit. Fig. 5 is a circuit diagram with a single-pole switch and a voltage comparison circuit, Fig. 6 is a circuit diagram with a single-pole switch and a current comparison circuit, Fig. 7 is a circuit diagram of a comparator switching circuit with anti-parallel connected power diodes. Fig. 8 shows the waveforms of the instantaneous values of the voltage U _z between the node and the ground.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení vynálezu na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.It is to be understood that the specific embodiments of the invention described and illustrated below are presented by way of illustration and not by way of limitation. Those skilled in the art will find, or be able to ascertain using routine experimentation, a greater or lesser number of equivalents to the specific embodiments of the invention specifically described herein. These equivalents will also be included within the scope of the following claims.

Příklady provedení vynálezu se týkají různých způsobů uzemnění uzlu 1 sítě v oblasti, kde zemí 2 protéká stejnosměrný proud Izdc. Proud Izdc protékající zemí 2 mezi uzemněnými uzly 1 sítě, tj. mezi uzly transformátorů Tr i a Tr_2, vyvolává na odporu země 2 stejnosměrné napětí AUdc. Obecně platí, že jak vinutí transformátorů, tak třífázové vedení, kladou průchodu stejnosměrného proudu zanedbatelný odpor. Proto přes uzly 1 sítě a třífázové vedení protéká bludný stejnosměrný proud Idc. Proud Idc může způsobit přesycení magnetického obvodu transformátoru a transformátor bude pak provozován s přesyceným magnetickým obvodem, což se projeví zvýšením hlučnosti a zvýšením ztrát transformátoru. Přesycení magnetického obvodu transformátoru způsobuje zároveň přehřívání jeho částí a má rovněž za následek zvýšení podílu vyšších harmonických v proudu, a to včetně harmonických sudého řádu. Uzlem 1 sítě protéká také vyrovnávací střídavý proud Ioac.Exemplary embodiments of the invention relate to various methods of grounding a network node 1 in an area where a direct current Izdc flows through the ground 2. The current Izdc flowing through the ground 2 between the grounded nodes 1 of the network, i.e. between the nodes of the transformers Tr1 and Tr_2, induces a direct voltage AUdc on the resistor of the ground 2. In general, both transformer windings and three-phase lines offer negligible resistance to the passage of direct current. Therefore, a stray DC current Idc flows through the nodes 1 of the network and the three-phase line. The Idc current can cause the transformer magnetic circuit to oversaturate, and the transformer will then operate with the supersaturated magnetic circuit, resulting in increased noise and transformer losses. Oversaturation of the transformer's magnetic circuit also causes its parts to overheat and also results in an increase in the proportion of higher harmonics in the current, including even-order harmonics. Ioac balancing alternating current also flows through node 1 of the network.

-4CZ 2017 - 683 A3-4EN 2017 - 683 A3

Na obr. 1 je uveden příklad provedení vynálezu, kde pro zamezení průtoku bludného stejnosměrného proudu Idc uzlem 1 sítě je mezi uzel 1 sítě a zem 2 zařazena omezující impedance 5. Uzlem 1 sítě pak protéká pouze střídavý vyrovnávací proud Ioac, který na omezující impedanci 5 vytváří úbytek napětí Uz. Tento úbytek napětí Uz je zároveň napětím mezi uzlem 1 sítě a zemí 2. Omezující impedance 5 je v tomto příkladu tvořena sériovou kombinací kondenzátoru C a odporu R. Odpor R v omezující impedanci 5 slouží ke snížení vybíjecího proudu kondenzátoru C a má pouze malou hodnotu, zpravidla jednotky ohmů. Velikost omezující impedance 5 je proto ovlivněna zejména volbou kapacity kondenzátoru C. Při návrhu velikosti kapacity kondenzátoru C je nutno vyjít z požadované velikosti úbytku napětí na kondenzátoru C a velikosti vyrovnávacího proudu Ioac protékajícího omezující impedancí 5. Například pro síť 400 kV lze vhodnou volbou kapacity kondenzátoru C zajistit, že při běžném provozním stavu sítě je úbytek napětí Uz na omezující impedanci 5 roven požadované hodnotě, např. 250 V. Volba hodnoty napětí Uz vyplývá z technických a ekonomických podmínek pro použití kondenzátorů C a komparačně spínacího obvodu 4. V uvedeném příkladu vychází napěťové dimenzování kondenzátoru C na úrovni 6 kV, a to i s ohledem na přechodové děje.Fig. 1 shows an example of an embodiment of the invention, where to prevent the flow of stray direct current Idc through the network node 1, a limiting impedance 5 is arranged between the network node 1 and the ground 2. Only the alternating balancing current Ioac flows through the network node 1. creates voltage drop Uz. This voltage drop Uz is also the voltage between node 1 of the network and ground 2. The limiting impedance 5 in this example consists of a series combination of capacitor C and resistor R. The resistor R in limiting impedance 5 serves to reduce the discharge current of capacitor C and has only a small value. usually units of ohms. The magnitude of the limiting impedance 5 is therefore influenced mainly by the choice of capacitance of capacitor C. When designing the capacitance of capacitor C, it is necessary to start from the required magnitude of voltage drop across capacitor C. and the compensating current Ioac flowing through limiting impedance 5. For example for a 400 kV network C ensure that in the normal operating state of the network the voltage drop Uz to the limiting impedance 5 is equal to the required value, eg 250 V. The choice of the voltage value Uz results from the technical and economic conditions for the use of capacitors C and comparative switching circuit 4. voltage dimensioning of capacitor C at the level of 6 kV, even with regard to transients.

Pokud v síti vznikne jednofázová porucha nebo se v důsledku přechodového děje zvýší hodnota vyrovnávacího proudu Ioac, může na omezující impedanci 5 vzniknout vysoké napětí Uz, které může v ustáleném stavu dosahovat až hodnoty fázového napětí sítě. Mezi uzel 1 sítě a zem 2 je proto vložen ochranný obvod 3, a to paralelně k omezující impedanci 5. Ochranný obvod 3 obsahuje komparačně spínací obvod 4 a jednopólový spínač 6. Komparačně spínací obvod 4 sepne na základě zvýšeného napětí Uz na omezující impedanci 5 nebo na základě zvýšené hodnoty proudu Ioac a následně zajistí sepnutí jednopólového spínače 6. Jednopólový spínač 6 je určen pro dlouhodobé přímé propojení uzlu 1 sítě se zemí 2, např. při déletrvající poruše. Napětí Uz mezi uzlem 1 sítě a zemí 2 je pak přibližně nulové. Po sepnutí komparačně spínacího obvodu 4 bude proud Ioac procházet zejména paralelně připnutým ochranným obvodem 3, který má nízkou hodnotu odporu. Spínací prvky komparačně spínacího obvodu 4 musí být proudově dimenzovány na účinky zkratového proudu a vybíjecího proudu kondenzátor C.If a single-phase fault occurs in the network or the value of the balancing current Ioac increases as a result of a transient, a high voltage Uz can occur at the limiting impedance 5, which can reach up to the phase voltage of the network at steady state. A protection circuit 3 is therefore inserted between the network node 1 and ground 2, parallel to the impedance limiting device 5. The protection circuit 3 comprises a comparative switching circuit 4 and a single-pole switch 6. The comparative switching circuit 4 closes on the impedance limiting impedance 5 or on the basis of the increased value of the current Ioac and subsequently ensures the closing of the single-pole switch 6. The single-pole switch 6 is intended for long-term direct connection of node 1 of the network with ground 2, eg in case of prolonged fault. The voltage Uz between node 1 of the network and ground 2 is then approximately zero. After switching on the comparator switching circuit 4, the current Ioac will pass in particular through the protection circuit 3 connected in parallel, which has a low resistance value. The switching elements of the comparative switching circuit 4 must be current-dimensioned for the effects of short-circuit current and discharge current of capacitor C.

Komparačně spínací obvod 4 zůstává v sepnutém stavu i v okamžiku průchodu střídavého vyrovnávacího proudu Ioac nulou dle síťové frekvence. Vypínání komparačně spínacího obvodu 4 se řídí buď podle velikosti amplitudy proudu Ioac tekoucího mezi uzlem 1 a zemí 2, nebo podle předem nastaveného času vypnutí. K vypnutí komparačně spínacího obvodu 4 podle amplitudy proudu Ioac tekoucího mezi uzlem 1 a zemí 2 dojde, pokud amplituda proudu Ioac tekoucího mezi uzlem 1 a zemí 2 je menší než předem určená komparační hodnota Ik, a to alespoň pro jednu nebo více po sobě následujících period. Další možnost řízení vypnutí komparačně spínacího obvodu 4 je dána uplynutím předem nastavené doby sepnutí. Tato doba sepnutí se volí tak, aby do jejího uplynutí odezněly přechodové děje v sítí. Zpravidla se jedná o dobu několika jednotek sekund. Před vypnutím komparačně spínacího obvodu 4 dojde nejprve k vypnutí jednopólového spínače 6. Protože po dobu sepnutí ochranného obvodu 3 může uzlem 1 sítě opět protékat i bludný stejnosměrný proud Idc, je nutné, aby sepnutí ochranného obvodu 3 proběhlo jen po nezbytně nutnou dobu.The comparative switching circuit 4 remains in the closed state even at the moment when the alternating balancing current Ioac passes zero according to the mains frequency. The tripping of the comparator switching circuit 4 is controlled either by the magnitude of the amplitude of the current Ioac flowing between the node 1 and the ground 2, or by a preset tripping time. The comparator switching circuit 4 is switched off according to the amplitude of the current Ioac flowing between node 1 and ground 2 if the amplitude of the current Ioac flowing between node 1 and ground 2 is less than a predetermined comparison value Ik for at least one or more consecutive periods. . Another possibility of controlling the switch-off of the comparative switching circuit 4 is given by the expiration of a preset switching time. This switching time is selected so that the transients in the network disappear until it expires. This is usually a few units of seconds. Before switching off the comparator switching circuit 4, the single-pole switch 6 is first switched off. Since the stray direct current Idc can flow through the network node 1 again during the closing of the protective circuit 3, it is necessary that the protective circuit 3 is closed only for the necessary time.

Na obr. 2 je uveden další příklad provedení vynálezu. Tento příklad řeší přímo uzemněný uzel 1 ve střídavé elektrické síti, bez omezující impedance. Popis obr. 2 vychází z popisu obr. 1. Liší se pouze vtom, že pro omezení bludného stejnosměrného proudu Idc tekoucího uzlem 1 je nutné odpojit uzel 1 od země 2 a mezi uzel 1 a zem 2 zapojit ochranný obvod 3. Další odlišností tohoto příkladu je, že nelze využívat spínání komparačně spínacího obvodu 4 na základě zvýšené hodnoty proudu Ioac.Fig. 2 shows another example of an embodiment of the invention. This example solves a directly grounded node 1 in an AC electrical network, without limiting impedance. The description of Fig. 2 is based on the description of Fig. 1. It differs only in that in order to limit the stray direct current Idc flowing through node 1, it is necessary to disconnect node 1 from ground 2 and connect protection circuit 3 between node 1 and ground 2. Other differences of this example is that it is not possible to use the switching of the comparative switching circuit 4 based on the increased value of the current Ioac.

Oba výše uvedené příklady blíže nespecifikují provedení komparačně spínacího obvodu 4. Provedení komparačně spínacího obvodu 4 může zahrnovat některé z níže uvedených nebo i jiných zapojení.Both of the above examples do not specify the embodiment of the comparator switching circuit 4. The embodiment of the comparative switching circuit 4 may include some of the following or other connections.

-5 CZ 2017 - 683 A3-5 CZ 2017 - 683 A3

Na obr. 3 je znázorněn příklad zapojení komparačně spínacího obvodu 4 obsahujícího napěťový komparační obvod 7 pro porovnání okamžité hodnoty napětí Uz mezi uzlem 1 a zemí 2, která je na schématu označená jako Uz(t), s předem nastavenou komparační hodnotou Uk. Dále komparační spínací obvod 4 obsahuje monostabilní klopný obvod 8 s předem nastavenou dobou T výstupního pulzu a rychlou spínací jednotku 9 tvořenou výkonovými spínacími polovodičovými součástkami (například tyristory, triaky), která sepne při logické úrovni „1“ signálu a vypne při nulové logické úrovni vstupního signálu poté, co proud projde nulovou hodnotou.Fig. 3 shows an example of the connection of a comparator switching circuit 4 comprising a voltage comparator circuit 7 for comparing the instantaneous voltage value Uz between node 1 and ground 2, which is indicated in the diagram as Uz (t), with a preset comparative value Uk. Furthermore, the comparative switching circuit 4 comprises a monostable flip-flop circuit 8 with a preset output pulse time T and a fast switching unit 9 formed by power switching semiconductor components (e.g. thyristors, triacs) which closes at logic level "1" and turns off at zero logic level of input. signal after the current passes zero.

Zapojení podle obr. 3 pracuje tak, že v běžném provozním režimu je rychlá spínací jednotka 9 v rozepnutém stavu a nevede proud. Pokud okamžitá hodnota napětí Uz mezi uzlem 1 sítě a zemí 2, která je na schématu označená jako Uz(t), se zvýší nad hodnotu komparačního napětí Uk, vygeneruje napěťový komparační obvod 7 signál na úrovni logické „1“. Tento signál je přiveden na vstup monostabilního klopného obvodu 8, který na výstupu vygeneruje zapínací signál pro rychlou spínací jednotku 9. Rychlá spínací jednotka 9 sepne a překlene omezující impedanci 5. Tím na omezující impedanci 5 poklesne napětí Uz téměř na nulovou hodnotu a napěťový komparační obvod 7 zruší signál o překročení hodnoty komparačního napětí Uk. Na výstupu napěťového komparačního obvodu 7 bude logická „0“. Tato logická „0“ je přivedena na vstup monostabilního klopného obvodu 8. Monostabilní klopný obvodu 8 však výstupní stav ponechává ve stavu zapnutém (logická „1“) do doby uplynutí nastaveného času T. Po uplynutí času T se výstup monostabilního klopného obvodu 8 nastaví do logického stavu „0“ a rychlá spínací jednotka 9 se vypne po průchodu proudu Ioac nulou. Pokud dojde k dalšímu splnění podmínky uz(t) > Uk, bude monostabilní klopný obvod 8 opět reagovat na výstupní signál napěťového komparačního obvodu 7 a vygeneruje opět zapínací povel pro rychlou spínací jednotku 9. Aby nedocházelo k opakovanému zapínání rychlé spínací jednotky 9 je vhodné nastavit dobu T delší, než je očekávaná doba trvání nesymetrických poruch v síti.The circuit according to FIG. 3 operates in such a way that in the normal operating mode the fast switching unit 9 is in the open state and does not conduct current. If the instantaneous voltage value Uz between node 1 of the network and ground 2, which is indicated in the diagram as Uz (t), rises above the value of the comparison voltage Uk, the voltage comparison circuit 7 generates a signal at the logic level "1". This signal is fed to the input of a monostable flip-flop circuit 8, which at the output generates a switch-on signal for the fast switching unit 9. The fast switching unit 9 closes and bridges the limiting impedance 5. This reduces the voltage Uz to almost zero and the voltage comparison circuit to the limiting impedance 5. 7 cancels the signal that the value of the comparison voltage Uk is exceeded. There will be a logic "0" at the output of the voltage comparison circuit 7. This logic "0" is fed to the input of the monostable flip-flop 8. However, the monostable flip-flop 8 leaves the output state on (logic "1") until the set time T has elapsed. After time T has elapsed, the output of the monostable flip-flop 8 is set to logic state "0" and the fast switching unit 9 switches off after the current Ioac has passed zero. If the condition uz (t)> Uk is further met, the monostable flip-flop 8 will react again to the output signal of the voltage comparison circuit 7 and generate a switch-on command again for the fast switching unit 9. In order not to switch on the fast switching unit 9 again, it is advisable to set time T longer than the expected duration of asymmetric faults in the network.

Na obr. 4 je znázorněn příklad zapojení komparačně spínacího obvodu 4 obsahujícího napěťový komparační obvod 7 pro porovnání okamžité hodnoty napětí Uz mezi uzlem 1 a zemí 2, která je na schématu označená jako Uz(t), s předem nastavenou komparační hodnotou Uk. Dále komparačně spínací obvod 4 obsahuje amplitudový komparační obvod proudu 12 s měřením proudu 13, klopný obvod 10 s prioritní funkcí a rychlou spínací jednotku 9 tvořenou výkonovými spínacími polovodičovými součástkami (například spínací tranzistory IGBT, tyristory, vypínací tyristory GTO, triaky).Fig. 4 shows an example of the connection of a comparator switching circuit 4 comprising a voltage comparator circuit 7 for comparing the instantaneous voltage value Uz between node 1 and ground 2, which is indicated in the diagram as Uz (t), with a preset comparative value Uk. Furthermore, the comparator switching circuit 4 comprises an amplitude current comparator circuit 12 with current measurement 13, a flip-flop 10 with priority function and a fast switching unit 9 formed by power switching semiconductor components (e.g. IGBT switching transistors, thyristors, GTO tripping thyristors, triacs).

Zapojení podle obr. 4 pracuje tak, že v běžném provozním režimu je rychlá spínací jednotka 9 v rozepnutém stavu a nevede proud. Pokud okamžitá hodnota napětí Uz mezi uzlem 1 sítě a zemí 2, která je na schématu označená jako uz(t), se zvýší nad hodnotu komparačního napětí Uk, vygeneruje napěťový komparační obvod 7 signál na úrovni logické „1“. Tento signál je přiveden na vstup klopného obvodu 10, který na výstupu vygeneruje zapínací signál pro rychlou spínací jednotku 9. Rychlá spínací jednotka 9 sepne a překlene omezující impedanci 5. Tím na omezující impedanci 5 poklesne napětí Uz téměř na nulovou hodnotu a napěťový komparační obvod 7 zruší signál o překročení hodnoty komparačního napětí Uk. Na vstupu klopného obvodu 10 bude úroveň logického signálu „0“. Výstup „Q“ klopného obvodu 10 zůstává na úrovni logické „l“a rychlá spínací jednota 9 je stále sepnutá. Rychlou spínací jednotkou 4 dále protéká proud Ioac. Amplitudový komparační obvod proudu 12 vyhodnocuje amplitudu měřeného proudu 13 protékajícího mezi uzlem sítě X a zemí 2. Pokud je amplituda proudu Ioac nižší než nastavená komparační úroveň proudu Ik, je na výstupu amplitudového komparačního obvodu proudu 12 vygenerován signál o logické úrovni „1“. Tento signál je přiveden na vstup klopného obvodu 10. Pokud je na vstupu klopného obvodu 10 logická „1“ a na dalším vstupu téhož klopného obvodu logická „0“, je na výstupu klopného obvodu 10 nastavena logická úroveň „0“, a tím dojde k vypnutí rychlé spínací jednotky 9. Proud Ioac bude opět protékat pouze přes omezující impedanci 5.The circuit according to FIG. 4 operates in such a way that in normal operating mode the fast switching unit 9 is in the open state and does not conduct current. If the instantaneous voltage value Uz between node 1 of the network and ground 2, which is indicated in the diagram as uz (t), rises above the value of the comparison voltage Uk, the voltage comparison circuit 7 generates a signal at the logic level "1". This signal is fed to the input of the flip-flop 10, which at the output generates a switch-on signal for the fast switching unit 9. The fast switching unit 9 closes and bridges the limiting impedance 5. This drops the voltage Uz to almost zero and the voltage comparison circuit 7 to the limiting impedance 5. cancels the signal that the value of the comparison voltage Uk is exceeded. The logic signal level will be "0" at the input of flip-flop 10. The output "Q" of the flip-flop 10 remains at the level of logic "1" and the fast switching unit 9 is still closed. The Ioac current continues to flow through the fast switching unit 4. The current amplitude comparison circuit 12 evaluates the amplitude of the measured current 13 flowing between the network node X and ground 2. If the current amplitude Ioac is lower than the set current comparison level Ik, a logic level signal "1" is generated at the output of the current amplitude comparison circuit 12. This signal is fed to the input of flip-flop 10. If logic "1" is present at the input of flip-flop 10 and logic "0" at the next input of the same flip-flop, logic level "0" is set at the output of flip-flop 10, resulting in switching off the fast switching unit 9. The Ioac current will again flow only through the limiting impedance 5.

- 6 CZ 2017 - 683 A3- 6 CZ 2017 - 683 A3

Na obr. 5 je znázorněn příklad zapojení ochranného obvodu 3 s jednopólovým spínačem 6 a s komparačně spínacím obvodem 4. Komparačně spínací obvod 4 obsahuje napěťový komparační obvod 7 pro porovnání okamžité hodnoty napětí Uz mezi uzlem 1 a zemí 2, která je na schématu označená jako uz(t), s předem nastavenou komparační hodnotou Uk. Dále komparačně spínací obvod 4 obsahuje amplitudový komparační obvod proudu 12 s měřením proudu 13, klopný obvod 10 s prioritní funkcí a rychlou spínací jednotku 9 tvořenou výkonovými spínacími polovodičovými součástkami (například spínací tranzistory IGBT, tyristory, vypínací tyristory GTO, triaky).Fig. 5 shows an example of connection of protection circuit 3 with single-pole switch 6 and comparative switching circuit 4. Comparative switching circuit 4 comprises voltage comparison circuit 7 for comparing instantaneous value of voltage Uz between node 1 and ground 2, which is indicated in the diagram as uz. (t), with a preset comparative value Uk. Furthermore, the comparator switching circuit 4 comprises an amplitude current comparator circuit 12 with current measurement 13, a flip-flop 10 with priority function and a fast switching unit 9 formed by power switching semiconductor components (e.g. IGBT switching transistors, thyristors, GTO tripping thyristors, triacs).

Zapojení podle obr. 5 pracuje tak, že v běžném provozním režimu je rychlá spínací jednotka 9 v rozepnutém stavu a nevede proud. Pokud okamžitá hodnota napětí Uz mezi uzlem 1 sítě a zemí 2, která je na schématu označená jako uz(t), se zvýší nadhodnotu komparačního napětí Uk, vygeneruje napěťový komparační obvod 7 signál na úrovni logické „1“. Tento signál je přiveden na vstup klopného obvodu 10 a dále přes rozpínací kontakt jednopólového spínače 6 je přiveden na vstup monostabilního klopného obvodu 8. Klopný obvod 10 na výstupu vygeneruje zapínací signál pro rychlou spínací jednotku 9. Zároveň monostabilní klopný obvod 8 vygeneruje zapínací povel pro jednopólový spínač 6. Po sepnutí rychlé spínací jednotky 9 dojde k překlenutí omezující impedance 5. Tím na omezující impedanci 5 poklesne napětí Uz téměř na nulovou hodnotu a napěťový komparační obvod 7 zruší signál o překročení hodnoty komparačního napětí Uk. Na vstupu klopného obvodu 10 bude úroveň logického signálu „0“. Výstup klopného obvodu 10 zůstává na úrovni logické „l“a rychlá spínací jednota 9 je stále sepnutá. Rychlou spínací jednotkou 4 dále protéká proud Ioac.The circuit according to FIG. 5 operates in such a way that in the normal operating mode the fast switching unit 9 is in the open state and does not conduct current. If the instantaneous value of the voltage Uz between node 1 of the network and ground 2, which is indicated in the diagram as uz (t), increases the surplus value of the comparison voltage Uk, the voltage comparison circuit 7 generates a signal at the logic level "1". This signal is fed to the input of the flip-flop 10 and further via the NC contact of the single-pole switch 6 to the input of the monostable flip-flop 8. The flip-flop 10 generates a switch-on signal for the fast switching unit 9 at the output. switch 6. After closing the fast switching unit 9, the limiting impedance 5 is bridged. As a result, the voltage Uz drops to almost zero value on the limiting impedance 5 and the voltage comparison circuit 7 cancels the signal exceeding the value of the comparison voltage Uk. The logic signal level will be "0" at the input of flip-flop 10. The output of the flip-flop 10 remains at the level of logic "1" and the fast switching unit 9 is still closed. The Ioac current continues to flow through the fast switching unit 4.

Monostabilní klopný obvod 8 bude mít na výstupu logickou „1“ po dobu T. Tím je zajištěno, že proběhne zapnutí jednopólového spínače 6 i po ztrátě signálu z napěťového komparačního obvodu 7. Zapínání jednopólového spínače 6 může trvat desítky ms. Po zapnutí jednopólového spínače 6 se rozpojí pomocné rozpínací kontakty jednopólového spínače 6. Zároveň se sepne pomocný spínací kontakt jednopólového spínače 6. Ochranným obvodem 3 zapojeným paralelně k omezující impedanci 5 může protékat proud Ioac.The monostable flip-flop circuit 8 will output a logic "1" for a time T. This ensures that the single-pole switch 6 is switched on even after the signal from the voltage comparison circuit 7 is lost. The single-pole switch 6 can be switched on for tens of ms. When the single-pole switch 6 is switched on, the auxiliary NC contacts of the single-pole switch 6 open. At the same time, the auxiliary NO contact of the single-pole switch 6 closes. A current Ioac can flow through the protection circuit 3 connected in parallel to the limiting impedance 5.

Pokud amplituda proudu Ioac poklesne pod zadanou komparační úroveň Ik, je amplitudovým komparačním obvodem proudu 12 generován signál o poklesu proudu Ioac. Protože je jednopólový spínač 6 zapnutý, je jeho pomocný rozpínací kontakt v rozepnutém stavu a signál z amplitudového komparačního obvodu proudu 12 se nedostane na vstup klopného obvodu 10. Tím nemůže dojít k vypnutí rychlé spínací jednotky 9 dříve než k vypnutí jednopólového spínače 6. Tento signál je rovněž přiveden přes pomocný spínací kontakt jednopólového spínače 6 na jeho vypínací obvod. Po vypnutí jednopólového spínače 6 se sepne pomocný rozpínací kontakt jednopólového spínače 6 a tím se přivede signál o poklesu proudu Ioac i na vstup klopného obvodu 10. Na výstupu klopného obvodu 10 bude logická „0“. Tím se vypne i rychlá spínací jednotka 9. Proud Ioac bude opět protékat pouze přes omezující impedanci 5.If the current amplitude Ioac falls below the specified comparison level Ik, a current decrease signal Ioac is generated by the current amplitude comparison circuit 12. Because the single-pole switch 6 is closed, its auxiliary NC contact is open and the signal from the current amplitude comparison circuit 12 does not reach the input of the flip-flop 10. This cannot turn off the fast switching unit 9 until the single pole switch 6 is turned off. it is also fed via the auxiliary switching contact of the single-pole switch 6 to its switching circuit. After switching off the single-pole switch 6, the auxiliary NC contact of the single-pole switch 6 closes, and thus a current drop signal Ioac i is applied to the input of the flip-flop circuit 10. A logic "0" will be output at the output of the flip-flop circuit 10. This also switches off the fast switching unit 9. The Ioac current will again only flow through the limiting impedance 5.

Řízení rychlé spínací jednotky 9 lze doplnit i o možnost jejího vypínání při sepnutém jednopólovém spínači 6. Pokud jednopólový spínač 6 není schopen spínat nebo vypínat velké proudy, musí být rychlá spínací jednotka 9 sepnuta vždy při změně stavu jednopólového spínače 6.The control of the fast switching unit 9 can also be supplemented by the possibility of switching it off when the single-pole switch 6 is closed. If the single-pole switch 6 is not able to switch large currents on or off, the quick switching unit 9 must always be closed when the state of the single-pole switch 6 changes.

Na obr. 6 je znázorněn příklad zapojení ochranného obvodu 3 s jednopólovým spínačem 6 a s komparačně spínacím obvodem 4. Komparačně spínací obvod 4 obsahuje proudový komparační obvod 11 pro porovnání okamžité hodnoty proudu Ioac tekoucího mezi uzlem 1 a zemí 2, která je na schématu označená jako i(t), s předem nastavenou komparační hodnotou Ik. Dále komparační spínací obvod 4 obsahuje amplitudový komparační obvod proudu 12 s měřením proudu 13, klopný obvod 10 s prioritní funkcí a rychlou spínací jednotku 9 tvořenou výkonovými spínacími polovodičovými součástkami (například spínací tranzistory IGBT, tyristory, vypínací tyristory GTO, triaky).Fig. 6 shows an example of connection of protection circuit 3 with single pole switch 6 and comparative switching circuit 4. Comparative switching circuit 4 comprises current comparison circuit 11 for comparing instantaneous value of current Ioac flowing between node 1 and ground 2, which is indicated in the diagram as i (t), with a preset comparison value Ik. Furthermore, the comparator switching circuit 4 comprises an amplitude current comparator circuit 12 with current measurement 13, a flip-flop circuit 10 with priority function and a fast switching unit 9 formed by power switching semiconductor components (e.g. IGBT switching transistors, thyristors, GTO tripping thyristors, triacs).

-7 CZ 2017 - 683 A3-7 CZ 2017 - 683 A3

Zapojení podle obr. 6 pracuje tak, že v běžném provozním režimu je rychlá spínací jednotka 9 a jednopólový spínač 6 v rozepnutém stavu a nevedou proud. Hodnota proudu Ioac je z měření proudu 13 proudovým snímačem předávána do proudového komparačního obvodu 11 a do amplitudového komparačního obvodu proudu 12. Pokud okamžitá hodnota proudu i(t), tekoucí mezi uzlem 1 sítě a zemí 2, překročí předem zadanou komparační hodnotu proudu Ik, tedy i(t) > Ik, proudový komparační obvod 11 vygeneruje na svém výstupu signál na úrovni logické „1“. Tento signál je přiveden na vstup klopného obvodu 10 a dále přes rozpínací kontakt jednopólového spínače 6 na vstup monostabilního klopného obvodu 8. Klopný obvod JO na výstupu vygeneruje zapínací signál pro rychlou spínací jednotku 9. Zároveň monostabilní klopný obvod 8 vygeneruje zapínací povel pro jednopólový spínač 6. Po sepnutí rychlé spínací jednotky 9 dojde k překlenutí omezující impedance 5. Tím na omezující impedanci 5 poklesne napětí Uz téměř na nulovou hodnotu. Na vstupu klopného obvodu 10 bude úroveň logického signálu „1“ po celou dobu, dokud je splněna podmínka i(t) > I_K. Při průchodu proudu Ioac nulou, v rámci síťové frekvence, bude docházet ke krátkodobému zrušení uvedené podmínky. Výstup klopného obvodu 10 zůstává však stále na úrovni logické „1“ bez ohledu na změny stavu jeho vstupu. Rychlá spínací jednota 9 zůstává sepnutá. Monostabilní klopný obvod 8 bude mít na výstupu logickou „1“ po zadanou dobu T. Tím je zajištěno, že proběhne zapnutí jednopólového spínače 6 bez ohledu na změny stavu výstupu z proudového komparačního obvodu 11. Zapínání jednopólového spínače 6 může trvat desítky ms. Po zapnutí jednopólového spínače 6 se rozpojí pomocné rozpínací kontakty jednopólového spínače 6. Zároveň se sepne pomocný spínací kontakt jednopólového spínače 6. Ochranným obvodem 3 připojeným paralelně k omezující impedanci 5 může protékat proud Ioac.The circuit according to FIG. 6 operates in such a way that in the normal operating mode the fast switching unit 9 and the single-pole switch 6 are in the open state and do not conduct current. The current value Ioac is transmitted from the current sensor 13 measurement by the current sensor to the current comparison circuit 11 and to the current amplitude comparison circuit 12. If the instantaneous current value i (t) flowing between network node 1 and ground 2 exceeds a predetermined current comparison value Ik, thus i (t)> Ik, the current comparison circuit 11 generates at its output a signal at the level of logic "1". This signal is fed to the input of the flip-flop 10 and further via the NC contact of the single-pole switch 6 to the input of the monostable flip-flop 8. The flip-flop JO at the output generates a switch-on signal for the fast switching unit 9. After switching on the fast switching unit 9, the limiting impedance 5 is bridged, whereby the voltage Uz drops to almost zero value on the limiting impedance 5. At the input of the flip-flop 10, the logic signal level will be "1" as long as the condition i (t)> I _K is met. When the Ioac current passes zero, within the mains frequency, the above condition will be canceled for a short time. However, the output of the flip-flop 10 still remains at the logic "1" level regardless of changes in the state of its input. The fast switching unit 9 remains closed. The monostable flip-flop circuit 8 will output a logic "1" for a specified time T. This ensures that the single-pole switch 6 is switched on regardless of changes in the state of the output from the current comparison circuit 11. Switching on the single-pole switch 6 can take tens of ms. When the single-pole switch 6 is switched on, the auxiliary NC contacts of the single-pole switch 6 open. At the same time, the auxiliary NO contact of the single-pole switch 6 closes. A current Ioac can flow through the protection circuit 3 connected in parallel to the limiting impedance 5.

Pokud amplituda proudu Ioac poklesne pod zadanou komparační úroveň Ik, je amplitudovým komparačním obvodem proudu 12 generován signál o poklesu proudu Ioac. Protože je jednopólový spínač 6 zapnutý, je jeho pomocný rozpínací kontakt v rozepnutém stavu a signál z amplitudového komparačního obvodu proudu 12 se nedostane na vstup klopného obvodu 10. Tím nemůže dojít k vypnutí rychlé spínací jednotky 9 dříve než k vypnutí jednopólového spínače. Tento signál je rovněž přiveden přes pomocný spínací kontakt jednopólového spínače 6 na jeho vypínací obvod. Po vypnutí jednopólového spínače 6 se sepne pomocný rozpínací kontakt jednopólového spínače 6 a tím se přivede signál o poklesu proudu Ioac i na vstup klopného obvodu 10. Na výstupu klopného obvodu 10 bude logická „0“. Tím se vypne i rychlá spínací jednotka 9. Proud Ioac bude opět protékat pouze přes omezující impedanci 5.If the current amplitude Ioac falls below the specified comparison level Ik, a current decrease signal Ioac is generated by the current amplitude comparison circuit 12. Since the single-pole switch 6 is closed, its auxiliary NC contact is in the open state and the signal from the current amplitude comparison circuit 12 does not reach the input of the flip-flop 10. Thus, the fast switching unit 9 cannot be turned off before the single pole switch is turned off. This signal is also fed via the auxiliary switching contact of the single-pole switch 6 to its tripping circuit. After switching off the single-pole switch 6, the auxiliary NC contact of the single-pole switch 6 closes, and thus a current drop signal Ioac i is applied to the input of the flip-flop circuit 10. A logic "0" will be output at the output of the flip-flop circuit 10. This also switches off the fast switching unit 9. The Ioac current will again only flow through the limiting impedance 5.

Stejně jako u příkladu zapojení dle obr. 5 je řízení rychlé spínací jednotky 9 možné rovněž doplnit o její vypínání při sepnutém jednopólovém spínači 6. Pokud jednopólový spínač 6 není schopen spínat nebo vypínat velké proudy, musí být rychlá spínací jednotka 9 sepnuta vždy při změně stavu jednopólového spínače 6.As with the connection example according to FIG. 5, the control of the quick-switching unit 9 can also be supplemented by switching it off when the single-pole switch 6 is closed. If the single-pole switch 6 is not able to switch large currents on or off, the quick-switching unit 9 must always be switched on when the state changes. single pole switch 6.

Z předchozích příkladů je možné ukázat přínosy vynálezu v porovnání s doposud známým řešením v následujícím souhrnu.From the foregoing examples, it is possible to show the advantages of the invention in comparison with the solution known so far in the following summary.

V případě klasického řešení, kdy by ke spínání ochranného obvodu 3 byl místo rychlé spínací jednotky 9 použit silový vypínač, by bylo nutné uvažovat s rychlostí spínání 30 ms až 70 ms. Za tuto dobu dosáhne napětí Uz opakovaně amplitudy fázového napětí sítě. Z tohoto důvodu by muselo být celé provedení uzemnění uzlu 1 sítě a prvků ochranného obvodu 3 dimenzováno na hodnotu fázového napětí sítě, a to včetně případné omezující impedance 5.In the case of the classical solution, where a power switch would be used instead of the fast switching unit 9 to switch the protection circuit 3, it would be necessary to consider a switching speed of 30 ms to 70 ms. During this time, the voltage Uz repeatedly reaches the amplitude of the phase voltage of the network. For this reason, the entire grounding design of the network node 1 and the elements of the protection circuit 3 would have to be dimensioned for the value of the phase voltage of the network, including any limiting impedance 5.

Naproti tomu při využití rychlého sepnutí ochranného obvodu 3 v čase od dosažení komparační hodnoty, tj. Uk nebo Ik, do okamžiku dosažení amplitudy napětí Uz dle popsaného vynálezu, dojde k omezení velikosti napětí Uz. Omezení napětí Uz je závislé na rychlosti připínání ochranného obvodu 3. V konkrétním příkladu lze použít rychlou spínací jednotku 9, která sepne ochranný obvod 3 například do 100 ns od doby překročení nastavené komparační úrovně pro napětí Uz. Pokud zároveň v uvedené době nedojde k dosažení amplitudy napětí Uz, bude navýšení napětí Uz za stanovenou dobu menší než 1 % z fázové hodnoty napětí sítě. Maximální nárůst napětí Uz je při jednofázovém zkratu v síti. Například pro jednofázový zkratový proud IoacIn contrast, when using the fast closing of the protection circuit 3 in the time from reaching the comparison value, i.e. Uk or Ik, until reaching the amplitude of the voltage Uz according to the described invention, the magnitude of the voltage Uz is reduced. The voltage limitation Uz depends on the connection speed of the protection circuit 3. In a specific example, a fast switching unit 9 can be used, which closes the protection circuit 3 for example within 100 ns from the time the set comparison level for the voltage Uz is exceeded. If at the same time the amplitude of the voltage Uz is not reached at the specified time, the increase of the voltage Uz will be less than 1% of the phase value of the network voltage in the specified time. The maximum voltage rise Uz is in the event of a single-phase short circuit in the network. For example, for a single-phase short-circuit current Ioac

-8CZ 2017 - 683 A3 v síti 400 kV lze při využití výše popsaného rychlého sepnutí ochranného obvodu 3 dosáhnout maximální hodnoty zvýšení napětí Uz v řádech stovek voltů až jednotek tisíc voltů. Z uvedených hodnot je zřejmé, že vysokou rychlostí sepnutí ochranného obvodu 3 je možné dosáhnout výrazně nižší hodnoty napětí Uznež je hodnota fázového napětí sítě. Proto lze v případě použití tohoto řešení dimenzovat celé provedení uzemnění uzlu 1 sítě na napětí v řádech stovek voltů až jednotek tisíc voltů.-8EN 2017 - 683 A3 in a 400 kV network, the maximum value of the voltage increase Uz in the order of hundreds of volts to units of one thousand volts can be achieved by using the above-described fast closing of the protection circuit 3. From the above values it is clear that at a high switching speed of the protection circuit 3 it is possible to achieve a significantly lower voltage value Uzne is the value of the phase voltage of the network. Therefore, if this solution is used, the entire grounding of node 1 of the network can be dimensioned for a voltage in the order of hundreds of volts to units of thousands of volts.

V síti s přímo uzemněným uzlem 1 může při jednofázovém zkratu protékat uzlem 1 sítě jednofázový zkratový proud. Doba trvání zkratového proudu je závislá na nastavené časové charakteristice příslušných ochran vsítí nebo v uzlu 1 sítě. Pro zajištění spolehlivé funkce ochranného obvodu 3 je pak nutné ochranný obvod 3, komparačně spínací obvod 4 i jednopólový spínač 6 dimenzovat na zkratové proudy, a to včetně doby trvání zkratových proudů.In a network with a directly earthed node 1, a single-phase short-circuit current can flow through the network node 1 in the event of a single-phase short circuit. The duration of the short-circuit current depends on the set time characteristic of the respective network protections or in node 1 of the network. To ensure the reliable function of the protection circuit 3, it is then necessary to dimension the protection circuit 3, the comparative switching circuit 4 and the single-pole switch 6 for short-circuit currents, including the duration of the short-circuit currents.

Pokud v běžném provozním stavu sítě je amplituda vyrovnávacího proudu Ioac nižší než hodnota stejnosměrného proudu Idc tekoucího uzlem 1 sítě, nebude výsledný proud daný součtem Ioac a Idc měnit polaritu ani procházet nulou. To znamená, že komparačně spínací obvod 4 musí být zapojen tak, aby jeho prvky umožňovaly vypínat i tento výsledný stejnosměrný proud. Běžné diody a tyristory neumožňují vypínání stejnosměrného proudu. To je nutné vzít v úvahu zejména při použití antiparalelně zapojených diod 14, 15. Vypínání ochranného obvodu 3 je pak nutné zajistit způsobem, který se používá pro vypínání stejnosměrných proudů polovodičovými prvky.If in the normal operating state of the network the amplitude of the buffer current Ioac is lower than the value of the direct current Idc flowing through the node 1 of the network, the resulting current given by the sum of Ioac and Idc will not change polarity or cross zero. This means that the comparative switching circuit 4 must be connected in such a way that its elements make it possible to switch off this resulting direct current as well. Conventional diodes and thyristors do not allow switching off the direct current. This must be taken into account in particular when using anti-parallel diodes 14, 15. The tripping of the protection circuit 3 must then be ensured in the manner used for switching off direct currents by semiconductor elements.

Na obr. 7 je znázorněn komparačně spínací obvod 4 obsahující pouze rychlou spínací jednotku 9. Tato rychlá spínací jednotka9 je tvořena antiparalelně zapojenými výkonovými diodami 14 nebo „n“ sériově řazenými antiparalelně zapojenými výkonovými diodami 15, kde minimální hodnota přirozeného čísla „n“ je rovna 1.Fig. 7 shows a comparative switching circuit 4 comprising only a fast switching unit 9. This fast switching unit 9 is formed by anti-parallel power diodes 14 or "n" series-connected anti-parallel power diodes 15, where the minimum value of the natural number "n" is equal to 1.

Použití tohoto zapojení je výhodné pouze v omezené množině případů. Lze jej využít zejména tam, kde mezi uzlem 1 sítě a zemí 2 je dostatečně nízké napětí Uz i stejnosměrné napětí AUdc. Pro fúnkci tohoto obvodu je důležitá velikost napětí Ud, což je katalogová hodnota minimálního napětí potřebného k otevření konkrétní použité diody 14 v propustném směru. Pokud je amplituda napětí Uz nižší než n.Uo, budou za běžného provozního stavu diody 15 uzavřeny a nepovedou proud. Při zvýšení okamžité hodnoty napětí Uz nad hodnotu n.Uo se diody 15 v propustném směru automaticky otevřou. Na jednotlivých diodách 14 v závěrném směru bude pouze velikost napětí Ud, tj. napětí diody 14 v propustném směru. Po průchodu proudu nulou, v důsledku změny směru toku proudu, se otevřené diody 15 automaticky uzavírají. Pokud v další půlperiodu dojde opět ke zvýšení okamžité hodnoty napětí Uz nad hodnotu n.Uo, otevřou se antiparalelně zapojené diody 15, které byly v předchozí půlperiodě v závěrném směru. Tento komparačně spínací obvod 4 nepotřebuje ke své činnosti žádné řízení. Pro použití tohoto zapojení můžeme vhodnou volbou omezující impedance 5 ovlivnit velikosti napětí Uz. Zvýšením počtu „n“ sériově řazených antiparalelně zapojených diod 15, můžeme zvýšit požadovanou úroveň napětí Uk = n. Ud. Například napětí Ud je pro křemíkové diody 14 cca 0,6V až 0,7V. Pokud je napětí Uz při běžném provozním stavu vyšší než napětí Ud, je nutné použít adekvátní počet sériově řazených antiparalelně zapojených diod 15. Velikost napětí Uz mezi uzlem 1 sítě a zemí 2 bude pak dosahovat hodnoty odpovídající součinu „n“ sériově řazených antiparalelně zapojených diod 15 a velikosti napětí Ud.The use of this connection is advantageous only in a limited number of cases. It can be used especially where the voltage Uz and the DC voltage AUdc are sufficiently low between node 1 of the network and ground 2. The voltage Ud is important for the function of this circuit, which is the catalog value of the minimum voltage required to open the particular diode 14 used in the forward direction. If the voltage amplitude Uz is lower than n.Uo, the diodes 15 will be closed under normal operating conditions and will not conduct current. When the instantaneous voltage value Uz rises above the value n.Uo, the diodes 15 open automatically in the forward direction. On the individual diodes 14 in the closing direction there will be only the magnitude of the voltage Ud, i.e. the voltage of the diode 14 in the forward direction. After the current passes through zero, due to a change in the direction of current flow, the open diodes 15 close automatically. If in the next half-period the instantaneous value of the voltage Uz increases again above the value n.Uo, the anti-parallel diodes 15, which were in the closing half-period in the closing direction, open. This comparative switching circuit 4 does not need any control for its operation. To use this connection, we can influence the magnitude of the voltage Uz by a suitable choice of the limiting impedance 5. By increasing the number of "n" series diodes 15 connected in series, we can increase the required voltage level Uk = n. Ud. For example, the voltage Ud for silicon diodes 14 is about 0.6V to 0.7V. If the voltage Uz in normal operating state is higher than the voltage Ud, it is necessary to use an adequate number of series-connected anti-parallel diodes 15. The voltage Uz between node 1 of the network and ground 2 will then reach a value corresponding to the product "n" of series-connected anti-parallel diodes 15 and voltage magnitudes Ud.

Výhodu jednoduchosti toto zapojení lze využít v případech, kdy v běžném provozním stavu sítě protéká jejím uzlem 1 malý vyrovnávací proud Ioac, který na omezující impedanci 5 vyvolá úbytek napětí Uz v řádu desetin voltů až jednotek voltů. Zároveň musí platit, že amplituda střídavého proudu Ioac bude větší než hodnota stejnosměrného proudu Idc.The advantage of simplicity of this connection can be used in cases where in the normal operating state of the network a small compensating current Ioac flows through its node 1, which causes a voltage drop Uz in the order of tenths of volts to units of volts at the limiting impedance 5. At the same time, the amplitude of the alternating current Ioac must be greater than the value of the direct current Idc.

Na obr. 8 jsou znázorněny průběhy okamžitých hodnot napětí Uz na omezující impedanci 5, neboli napětí mezi uzlem 1 sítě a zemí 2:Fig. 8 shows the waveforms of the instantaneous values of the voltage Uz on the limiting impedance 5, or the voltage between the node 1 of the network and the ground 2:

-9CZ 2017 - 683 A3-9EN 2017 - 683 A3

1. křivka: znázornění průběhu okamžité hodnoty sinusového napětí Uz na omezující impedanci 5 bez spínání ochranného obvodu 3,Curve 1: representation of the course of the instantaneous value of the sinusoidal voltage Uz on the limiting impedance 5 without switching the protection circuit 3,

2. křivka: průběh okamžité hodnoty napětí Uz na omezující impedanci 5, a to při zapínání ochranného obvodu 3 vždy při překročí komparační hodnoty Uk okamžitou hodnotou napětí Uz a vypínání ochranného obvodu 3 vždy při každém průchodu proudu nulovou hodnotou,Curve 2: the course of the instantaneous voltage value Uz on the limiting impedance 5, always when the protective circuit 3 is switched on, always when the comparative value Uk exceeds the instantaneous voltage value Uz and the tripping of the protective circuit 3 always whenever the current passes zero value,

3. křivka: průběh okamžité hodnoty napětí Uz na omezující impedanci 5, a to při zapnutí ochranného obvodu 3 při překročení komparační hodnoty Uk okamžitou hodnotou napětí Uz a vypnutí ochranného obvodu 3 až po poklesu amplitudy proudu Ioac pod předem zadanou komparační mez proudu Ik.Curve 3: course of the instantaneous voltage value Uz on the limiting impedance 5, when the protective circuit 3 is switched on when the comparative value Uk exceeds the instantaneous voltage value Uz and the protective circuit 3 is switched off until the current amplitude Ioac falls below the predetermined comparative current Ik.

Výkonové polovodičové prvky se při průchodu proudu nulou vypínají. Pokud připnutým ochranným obvodem 3 poteče nulový proud, bude i napětí Uz nulové. Po odpojení ochranného obvodu 3 dojde k jeho opětovnému sepnutí až po nárůstu napětí Uz nad jeho komparační úroveň Uk. To se bude opakovat každou půl periodu protékajícího střídavého proudu Ioac. Tím budou vznikat napěťové špičky o vysoké frekvenci, které se budou šířit do sítě a vyzařovat elektromagnetické rušivé pole (obr. 8). Ochranný obvod 3 se tak po dobu průtoku zvýšené hodnoty proudu Ioac uzlem 1 sítě stává zdrojem vysokofrekvenčního elektromagnetického rušení. Aby k výše popsanému jevu nedocházelo, je komparačně spínací obvod 4 vybaven řízením, které zajistí jeho trvalé sepnutí až do doby poklesu amplitudy proudu Ioac protékajícího uzlem 1 sítě pod úroveň Ik. Pro vysoké výkony a napětí je vhodné komparačně spínací obvod 4 doplnit paralelně připojeným jednopólovým spínačem 6, který po sepnutí komparačně spínaného obvodu 4 sepne a propojí uzel 1 sítě přímo se zemí 2. Po poklesu proudu Ioac na běžnou provozní hodnotu je komparačně spínací obvod 4 a jednopólový spínač 6 vždy automaticky vypnut. Trvalé sepnutí alespoň jednoho ze spínačů 4 a 6 po dobu trvání zvýšeného průtoku vyrovnávacího proudu Ioac uzlem 1 sítě omezuje tvorbu vysokofrekvenčního rušení.Power semiconductor devices are switched off when the current passes through zero. If zero current flows through the connected protective circuit 3, the voltage Uz will also be zero. After disconnection of the protection circuit 3, it will be closed again only after the voltage Uz rises above its comparison level Uk. This will be repeated every half period of the flowing alternating current Ioac. This will create high frequency voltage spikes that will propagate into the network and emit an electromagnetic interference field (Fig. 8). The protection circuit 3 thus becomes a source of high-frequency electromagnetic interference during the flow of the increased current value Ioac through the network node 1. In order to avoid the phenomenon described above, the comparative switching circuit 4 is equipped with a control which ensures its permanent switching until the amplitude of the current Ioac flowing through the network node 1 falls below the level Ik. For high powers and voltages, it is suitable to supplement the comparative switching circuit 4 with a parallel-connected single-pole switch 6, which closes and connects node 1 of the network directly to ground 2 after closing the comparative switching circuit 4. After the Ioac current drops to normal operating value, the comparative switching circuit 4 a single pole switch 6 always switched off automatically. Permanent closing of at least one of the switches 4 and 6 for the duration of the increased balancing current flow Ioac by the network node 1 limits the generation of high-frequency interference.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Způsobu a zapojení pro omezení velikosti napětí mezi uzlem sítě a zemí lze využít zejména v sítích s přímo uzemněným uzlem nebo s uzlem uzemněným přes impedanci, která je zapojena mezi uzlem sítě a zemí a zabraňuje průtoku stejnosměrného proudu Idc uzlem sítě. Využití vynálezu je vhodné především pro sítě vn, wn a zvn.The method and circuit for limiting the voltage between the mains node and ground can be used in particular in networks with a directly grounded node or with a node grounded via an impedance which is connected between the mains node and ground and prevents DC Idc flow through the mains node. The use of the invention is particularly suitable for high voltage, high voltage and high voltage networks.

Claims

PATENT CLAIMS

A method for limiting the magnitude of the voltage Uz between a node (1) and ground (2) in an AC electrical network, characterized in that a comparative switching circuit (4) is connected between the node (1) and ground (2), followed by a comparative switching circuit. switching circuit (4) continuously compares the instantaneous voltage value Uz with a predetermined comparative value Uk, and / or continuously compares the instantaneous value of the current Ioac flowing between the node (1) and ground (2) with a predetermined comparative value Ik, and if instantaneous voltage value Uz> Uk, and / or if the instantaneous current value Ioac> Ik, then by closing the comparative switching circuit (4) the node (1) is connected to ground (2) via the comparative switching circuit (4), the switching being performed in the time interval ti to t ₂ , where ti is the time corresponding to reaching the instantaneous value of the voltage Uz = Uk, and / or the instantaneous value of the current Ioac = Ik, and t ₂ is the time of reaching the amplitude of the sinusoidal voltage Uz.

Method according to Claim 1, characterized in that in an alternating current network in which a limiting impedance (5) is connected between the node (1) and ground (2), in particular to limit the stray direct current Idc flowing through the node (1), comparative switching circuit

- 10GB 2017 - 683 A3 (4) is connected in parallel to the limiting impedance (5), while after closing the comparative switching circuit (4) the voltage values Uz between the node (1) and ground (2) are limited.

Method according to claim 1, characterized in that in an AC electrical network with a directly grounded node (1), the node (1) is disconnected from the ground (2) and between the node (1) in order to limit the stray direct current Idc flowing through the node (1). ) and ground (2), a comparative switching circuit (4) is connected, whereby after the switching of the comparative switching circuit (4) the magnitude of the voltage Uz between the node (1) and the ground (2) is reduced.

Method according to Claim 2, characterized in that a single-pole switch (6) is connected in parallel to the limiting impedance (5) between the node (1) and ground (2), which is controlled by a comparative switching circuit (4) and which after closing the comparative switching circuit (4), it connects the node (1) directly to ground (2).

Method according to Claim 3, characterized in that a single-pole switch (6) is connected between the node (1) and the ground (2), which is controlled by the comparator switching circuit (4) and which, after the comparator switching circuit (4) is closed. connects node (1) directly to ground (2).

Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the amplitude of the current Iqac flowing between the node (1) and the ground (2) is greater than a predetermined comparison value Ik, for at least one or more consecutive subsequent periods, then the comparative switching circuit (4) remains in the closed state even at the moment when the alternating balancing current Iqac passes zero according to the mains frequency.

Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the comparative switching circuit (4) remains in the closed state for a preset time even at the moment when the AC balancing current Iqac passes zero according to the mains frequency.

Connection for limiting the magnitude of the voltage U _z between the node (1) and the ground (2) in an alternating current network, in particular in the presence of stray direct current Idc, by the method according to claim 1, characterized in that between the node (1) and ground ( 2) a comparative switching circuit (4) is connected, comprising either at least one pair of anti-parallel diodes (14, 15), or a combination of at least one of the comparative circuits (7, 11) with a fast switching unit (9), wherein the voltage comparator circuit ( 7) is adapted to compare the instantaneous value of the voltage Uz with a predetermined comparison value Uk, the current comparison circuit (11) is adapted to compare the instantaneous value of the current Iqac flowing between the node (1) and ground (2) with a predetermined comparison value Ik, the fast switching unit (9), or the antiparallel connected diodes (14, 15), are adapted to close the comparative switching circuit (4) connecting the node (1) and the ground (2) in a time lying in the interval t1 to t2, where ti is for voltage comparison circuit (7) time to reach instantaneous voltage value Uz = Uk, for antiparallel connected diodes (14, 15) is the time of reaching the instantaneous voltage value Uz = n.Uo, where in the product n.Uo Ud is the amount of minimum voltage necessary to open the diode (14) in the forward direction and "n" is the number of series-connected diodes (15) connected in series and for the current comparison circuit (11) ti is the time of reaching the instantaneous value of the current Iqac = Ik, t2 is the time of reaching the amplitude of the sinusoidal voltage Uz.

Connection according to Claim 8, characterized in that the voltage comparison circuit (7) is formed by a circuit for continuously comparing the instantaneous voltage value Uz with a predetermined comparison value Uk, with output "1" for instantaneous voltage value Uz> UKa with output "0". “For the instantaneous voltage value Uz <Uk, where the current comparison circuit (11) consists of a circuit for comparing the instantaneous current value Iqac with a predetermined comparative current value Ik with output„ 1 “for instantaneous current value Iqac> Ik and with output„ 0 “for instantaneous value of the current Iqac <Ik, and that the fast switching unit (9) is formed by at least one switching element, from the group of triacs, diaks, a pair of anti-parallel diodes, thyristors or GTO thyristors, a switching transistor (IGBT).

- 11 CZ 2017 - 683 A3

Connection according to Claim 8 or 9, characterized in that a single-pole switch (6) is further connected between the node (1) and the ground (2), which is controlled by a comparative switching circuit (4).