PL224955B1

PL224955B1 - System of the central current leak protection

Info

Publication number: PL224955B1
Application number: PL407723A
Authority: PL
Inventors: Artur Kozłowski; Marek Kryca; Rudolf Sznura; Andrzej Białas; Adam Gołąbek; Janusz Brol
Original assignee: Inst Technik Innowacyjnych Emag
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2017-02-28
Also published as: PL407723A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ zabezpieczenia upływowego centralnego przeznaczonego do ochrony przed niebezpiecznymi skutkami uszkodzenia izolacji doziemnej w trójfazowych sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia izolowanym punkcie neutralnym, zwłaszcza w sieciach zakładów górniczych zasilających urządzenia energoelektroniczne.The subject of the invention is a central leakage protection system intended to protect against the dangerous effects of damage to the earth insulation in three-phase low voltage power networks with an insulated neutral point, especially in networks of mining plants supplying power electronic devices.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 211183 układ elektryczny zabezpieczenia upływowego, w którym zespół sprzęgający jest połączony z jednej strony z torami głównymi sieci, a z dr ugiej strony ze źródłem prądu stałego, zawierający zespół próby włączony pomiędzy jedną fazę sieci a ziemię, blok pojemności doziemnej, zespół wskaźników, blok autokontroli napięcia zasilania i wyłącznik zabezpieczeniowy sterowany blokiem przekaźnika wykonawczego. Układ według wynalazku ma dwa niezależne tory sygnałowe, jeden stanu izolacji, a drugi napięcia zerowego, które są włączone do jednego pomiarowego węzła obwodu rezystancji izolacji i napięcia zerowego. Tor sygnału stanu izolacji ma blok rezystancji izolacji z wejściem włączonym do węzła obwodu rezystancji izolacji i n apięcia zerowego i z wyjściem włączonym do wejścia komparatora napięciowego, którego wyjście, poprzez układ czasowy, włączone jest do wejścia bloku przekaźnika wykonawczego. Tor sygnału napięcia zerowego ma natomiast blok napięcia zerowego, którego wejście jest włączone do pomiarowego węzła obwodu rezystancji i napięcia zerowego, a wyjście jest włączone do wejścia licznikowego analogowego układu ilorazowego. Zaś wyjście układu ilorazowego włączone jest do wejścia kompar atora sygnału napięcia zerowego. Wyjście komparatora sygnału napięcia zerowego, poprzez układ opóźnienia czasowego, włączone jest z kolei do drugiego wejścia bloku przekaźnika wykonawczego. Do wejścia mianownikowego analogowego układu ilorazowego jest z kolei włączone wyjście bloku pojemności doziemnej. Drugostronnie, blok pojemności doziemnej jest połączony z zespołem sprzęgającym. Ponadto, do innego wejścia mianownikowego analogowego układu ilorazowego włączone jest wyjście przetwornika AC/DC napięcia roboczego sieci. Obwód wyjściowy bloku autokontroli napięcia zasilania jest natomiast włączony do obwodu wyzwalania wyłącznika zabezpieczeniowego.There is known from the Polish patent specification No. 211183 an electric leakage protection system, in which the coupling unit is connected on one side to the main tracks of the network, and on the long side to a direct current source, containing a test unit connected between one network phase and earth, a block of earth capacitance , a set of indicators, a power supply self-control block and a protection switch controlled by the actuating relay block. The system according to the invention has two independent signal paths, one of the insulation condition and the other for the residual voltage, which are connected to one measuring node of the insulation resistance and residual voltage circuit. The insulation condition signal path has an insulation resistance block with an input connected to the insulation resistance and zero voltage circuit node and with the output connected to the input of the voltage comparator, the output of which, through a timer, is connected to the input of the operating relay block. The residual voltage signal path has a residual voltage block, the input of which is connected to the measuring node of the resistance and residual voltage circuit, and the output is connected to the counter input of the analog quotient circuit. The output of the ratio circuit is connected to the input of the zero voltage signal comparator. The output of the zero voltage signal comparator, through the time delay circuit, is in turn connected to the second input of the executive relay block. The output of the capacity block to the earth is connected to the denominator input of the analog quotient system. On the other side, the ground capacity block is connected to the coupling device. In addition, the AC / DC converter output of the operating voltage of the network is connected to another denominator input of the analog ratio circuit. On the other hand, the output circuit of the power supply self-monitoring block is connected to the tripping circuit of the circuit breaker.

Znany jest ponadto z polskiego opisu patentowego nr 211182 układ zabezpieczenia od zwarć doziemnych wysokooporowych w sieciach średniego napięcia. Istota układu zabezpieczenia według wynalazku polega na tym, że komparator amplitudowofazowy z filtrami i członem wykonawczym, połączony jest ze źródłem wybranej harmonicznej parzystej oraz z układem przetworników prądowonapięciowych, przy czym układy przetworników prądowonapięciowych osadzone są na liniach średniego napięcia wyposażonych w wyłączniki i podłączone są do komparatora amplitudowofazowego. Korzystnie źródło wybranej harmonicznej parzystej ma rezystor ograniczający prąd włączony pomiędzy punkt neutralny sieci a ziemię, połączony szeregowo z diodą włączoną zaporowo. Korzystnie zaciski diody stanowią wyjście źródła wybranej harmonicznej parzystej. Korzystnym jest również to, że na przewodzie łączącym rezystor ograniczający prąd z diodą umieszczony jest przetwornik prądowo napięciowy stanowiący wyjście źródła wybranej harmonicznej parzystej. Korzystnie, układ przetworn ików prądowo-napięciowych stanowi układ cewek Rogowskiego połączonych szeregowo.Moreover, a system of protection against high-resistance earth faults in medium voltage networks is known from the Polish patent specification No. 211182. The essence of the protection system according to the invention consists in the fact that the amplitude-phase comparator with filters and an actuator is connected to the source of the selected even harmonic and to the system of current-voltage converters, while the systems of current-voltage converters are mounted on medium voltage lines equipped with switches and connected to the comparator amplitude-phase. Preferably, the source of the selected even harmonic has a current limiting resistor connected between the network neutral point and earth in series with the blocking diode. Preferably, the diode terminals provide the output of the selected even harmonic source. It is also advantageous that on the wire connecting the current limiting resistor with the diode there is a current-voltage converter being the output of the source of the selected even harmonic. Preferably, the current-voltage converter system is a series-connected Rogowski coil system.

Znany jest także z polskiego opisu patentowego nr 195344 układ elektryczny zabezpieczenia upływowego, w którym blok pomiarowy zawarty w obwodzie pomiaru pojemności doziemnej, włączony jest, poprzez filtr środkowo-przepustowy, do określonego wyprowadzenia zespołu sprzęgającego, a ziemię. Wyjście bloku pomiarowego włączone jest do jednego z wejść bloku multiplikatorowego. Do węzła pomiarowego włączone są źródło prądu stałego i szeregowo z tym źródłem połączonego rez ystora, które tworzą razem obwód pomiaru rezystancji izolacji. Do węzła pomiarowego włączone są ponadto blok napięcia zerowego, który połączony jest wyjściem z innym wejściem bloku multiplikatorowego, którego wyjście z kolei włączone jest do wejścia bloku różnicowego oraz blok sygnału stanu izolacji, którego wyjście włączone jest do innego wejścia bloku różnicowego. Wyjście tego bloku różnicowego włączone jest do wejścia komparatora. Ponadto do węzła pomiarowego włączony jest zespół wskaźników.Also known from the Polish patent specification No. 195344 is an electric leakage protection system, in which the measuring block included in the earth capacitance measurement circuit is connected, through the band-pass filter, to a specific outlet of the coupling assembly and the ground. The output of the measuring block is connected to one of the inputs of the multiplier block. A DC source is connected to the measuring node and in series with this source of a connected resistor, which together form the insulation resistance measurement circuit. In addition, the measurement node is connected to a zero voltage block, which is connected with an output to another input of the multiplier block, the output of which is in turn connected to the input of the differential block, and the isolation signal block, the output of which is connected to another input of the differential block. The output of this differential block is connected to the comparator input. Moreover, a set of indicators is included in the measurement node.

Celem wynalazku jest zaprojektowanie układu zabezpieczenia zapewniającego skuteczniejszą ochronę ziemnozwarciową i niezakłóconą ciągłość zasilania w sieciach z urządzeniami energoelektronicznymi.The aim of the invention is to design a protection system ensuring more effective earth-fault protection and uninterrupted continuity of power supply in networks with power electronic devices.

Układ zabezpieczenia upływowego centralnego według wynalazku ma dwa niezależne tory s ygnałowe, jeden tor zespolonego sygnału stanu izolacji i napięcia zerowego oraz drugi tor pojemności doziemnej, które są połączone z blokiem przygotowania sygnałów analogowych, do którego z kolei połączone jest źródło pomiarowe prądu stałego. Wyjście bloku przygotowania sygnałów analogowychThe central leakage protection system according to the invention has two independent signal paths, one path of the complex signal of the insulation condition and residual voltage, and the second path of the earth capacitance, which are connected to the analog signal preparation block, to which the DC measuring source is connected. The output of the analog signal preparation block

PL 224 955 B1 połączone jest z blokiem jednostki centralnej, z którym połączony jest mikrokontroler, blok autokontroli zewnętrznego obwodu pomiarowego oraz blok sygnałów wejściowych. Natomiast z mikrokontrol erem połączony jest blok zasilacza i bloki przekaźników wykonawczych połączone z obwodem w yzwalania wyłącznika zabezpieczającego. Przy czym, blok jednostki centralnej posiada dwa wyjścia, z których wyjście zadziałania połączone jest z wejściem bloku przekaźników wykonawczych, a drugie wyjście z blokiem transmisji. Zaś zespół próby połączony jest z jedną z faz monitorow anej sieci, a ziemią, z kolei z tą samą fazą połączone jest wejście testujące bloku autokontroli z ewnętrznego obwodu pomiarowego.The PL 224 955 B1 is connected to the central unit block to which the microcontroller, the self-monitoring block of the external measuring circuit and the block of input signals are connected. On the other hand, the power supply block and the blocks of executive relays connected with the tripping circuit of the protective switch are connected to the microcontroller. The central unit block has two outputs, from which the actuation output is connected to the input of the executive relays block, and the other output to the transmission block. The test assembly is connected to one of the phases of the monitored network, and the ground, while the test input of the auto-control block from the external measuring circuit is connected to the same phase.

Układ zabezpieczenia według wynalazku poprzez zastosowanie wieloparametrowego procesu pomiarowego oraz nowej konfiguracji układowej z wykorzystaniem bloku jednostki centralnej, mikrokontrolera i bloku autokontroli zewnętrznego obwodu pomiarowego pozwala na uzyskanie skuteczniejszej ochrony ziemnozwarciowej i zapewnia niezakłóconą ciągłość zasilania w sieciach z urządzeniami energoelektronicznymi. Blok jednostki centralnej umożliwia dzięki odpowiednim algorytmom lepsze rozpoznanie w monitorowanej sieci stanów zakłóceniowych, które w dotychczasowych rozwiązaniach stanowią źródło zbędnych zadziałać zabezpieczenia. Natomiast blok autokontroli zewnętrznego obwodu pomiarowego połączony z blokiem jednostki centralnej dozoruje ciągłość zewnętrznych połączeń zabezpieczenia z siecią, które stanowią szczególnie newralgiczny element odpowiadający za pewność działania ochronnego zabezpieczenia.The protection system according to the invention, through the use of a multi-parameter measurement process and a new system configuration with the use of a central unit block, a microcontroller and an external measuring circuit auto-control block, allows for more effective earth-fault protection and ensures uninterrupted continuity of power supply in networks with power electronic devices. The block of the central unit, thanks to appropriate algorithms, enables better recognition of fault states in the monitored network, which in the current solutions constitute a source of unnecessary protection. On the other hand, the self-monitoring block of the external measuring circuit connected to the block of the central unit monitors the continuity of the external connections of the protection with the network, which are a particularly sensitive element responsible for the reliability of the protection protection.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony, w przykładzie wykonania, na rysunku, przedstawiającym schemat blokowy układu zabezpieczenia.The subject matter of the invention is now shown in an exemplary embodiment in a drawing showing a block diagram of a security system.

W układzie według wynalazku zespół sprzęgający 1 połączony jest z monitorowaną siecią za pomocą trzech przewodów podłączonych do torów głównych sieci, a drugostronnie poprzez dwa niezależne tory sygnałowe połączony jest z blokiem przygotowania sygnałów analogowych 3. Przewody łączące monitorowaną sieć z zespołem sprzęgającym 1 są elementem zewnętrznego obwodu pomiarowego zabezpieczenia. Tory sygnałowe wyprowadzone z zespołu sprzęgającego 1 przenoszą analogowe sygnały stanu izolacji i napięcia zerowego oraz w drugim torze sygnał pojemności doziemnej. Przewód łączący blok przygotowania sygnałów analogowych 3 z ziemią stanowi kolejny fragment zewnętrznego obwodu pomiarowego zabezpieczenia. Źródło pomiarowe prądu stałego 2 włączone do bloku przygotowania sygnałów analogowych 3 stanowi element wewnętrznego wejściowego obwodu pomiarowego rezystancji izolacji. Wyjście bloku przygotowania sygnałów analogowych 3 połączone jest z blokiem jednostki centralnej 9, z którym połączony jest także mikrokontroler 8, blok autokontroli zewnętrznego obwodu pomiarowego 6 oraz blok sygnałów wejściowych 5. Z kolei jedno wejście mikrokontrolera 8 połączone jest z blokiem zasilacza 7, a drugie z blokiem przekaźników wykonawczych 4 wyłącznika zabezpieczającego 12. Blok jednostki centralnej 9 posiada dwa wyjścia, z których wyjście zadziałania połączone jest z wejściem bloku przekaźników wykonawczych 4, a drugie wyjście z blokiem transmisji 10. Układ zabezpieczenia złożony jest ponadto z zespołu próby 11, który połączony jest z jedną z faz monitorowanej sieci, a ziemią. Z tą samą fazą połączone jest również wejście testujące bloku autokontroli zewnętrznego obwodu pomiarowego 6.In the system according to the invention, the coupling unit 1 is connected to the monitored network by three wires connected to the main tracks of the network, and on the other side, through two independent signal paths, it is connected to the analog signal preparation block 3. The cables connecting the monitored network with the coupling unit 1 are an element of the external circuit. measurement protection. The signal paths from the coupler 1 carry the analog insulation condition and residual voltage signals, and the earth capacitance signal in the other path. The conductor connecting the analog signal preparation block 3 with the ground is another part of the external measuring circuit of the protection. The direct current measuring source 2 connected to the analog signal preparation block 3 is part of the internal input insulation resistance measuring circuit. The output of the analog signal preparation block 3 is connected to the central unit block 9, to which the microcontroller 8 is also connected, the self-monitoring block of the external measuring circuit 6 and the input signal block 5. In turn, one input of the microcontroller 8 is connected to the power supply block 7, and the other to the block of operating relays 4 of the protective circuit breaker 12. The block of the central unit 9 has two outputs, from which the actuation output is connected to the input of the operating relays block 4, and the other output to the transmission block 10. The protection circuit is also composed of the test unit 11, which is connected with one of the phases of the monitored network and the ground. The test input of the self-test block of the external measuring circuit 6 is also connected to the same phase.

Działanie układu według wynalazku polega na ciągłym monitorowaniu stanu izolacji doziemnej monitorowanej sieci znajdującej się pod napięciem roboczym i uruchomienie jej awaryjnego wyłączenia w przypadku uszkodzenia izolacji. Awaryjne wyłączenie sieci może również wystąpić opcjonalnie, w wyniku uszkodzenia zewnętrznego obwodu pomiarowego zabezpieczenia lub jego elementów wewnętrznych. Stan izolacji jest kontrolowany w sposób stanowiący kompilację dwóch metod pomiarowych, a mianowicie metody niezależnego źródła i metody asymetrowej. Za pomocą metody niezależnego źródła mierzona jest rezystancja izolacji i dodatkowo pojemność doziemna monitorowanej sieci. Pomiar rezystancji izolacji realizowany jest za pomocą źródła pomiarowego 2 o charakterze stałoprądowym. Przy pomiarze pojemności doziemnej sieci stosowane jest źródło przemiennoprądowe podłączone do bloku przygotowania sygnałów analogowych 3. W metodzie asymetrowej wykorzystywana jest składowa zerowa napięcia i stałoprądowe napięcie asymetrii biegunowej. Podstawowe parametry działania zabezpieczenia takie jak: rezystancja zadziałania i czas zadziałania są wyznaczane w oparciu o trzy sygnały wyodrębnione w bloku przygotowania sygnałów analogowych 3 tj. rezystancji izolacji, pojemności doziemnej, składowej zerowej napięcia (albo alternatywnie stałoprądowego napięcia asymetrii biegunowej). Analogowe sygnały rezystancji izolacji i napięcia zerowego albo (alternatywnie napięcia asymetrii biegunowej) pozyskiwane są w bloku przygotowania sygnałów analogowych 3 z zespolonego sygnału stanu izolacji i napięcia zerowego występującego na określonym torze sygnałowym. Analogowy sygnał pojemności doziemnej wytwarzany jest również w bloku przygotowaniaThe operation of the system according to the invention consists in the continuous monitoring of the earth insulation condition of the monitored network under operating voltage and activating its emergency shutdown in the event of insulation damage. An emergency shutdown of the network may also occur optionally, as a result of damage to the external measuring circuit of the protection or its internal components. The isolation condition is controlled by compiling two measurement methods, namely the independent source method and the asymmetric method. The independent source method measures the insulation resistance and additionally the earth capacitance of the monitored network. The measurement of the insulation resistance is carried out by means of a DC measuring source 2. When measuring the earth capacitance of the network, an AC source connected to the analog signal preparation block 3 is used. In the unbalanced method, the zero sequence voltage and the DC voltage of the polar asymmetry are used. The basic parameters of the protection operation, such as: response resistance and response time, are determined on the basis of three signals separated in the analog signal preparation block 3, i.e. insulation resistance, earth capacitance, zero sequence voltage (or alternatively DC voltage polar asymmetry). The analog signals of insulation resistance and residual voltage or (alternatively, polar asymmetry voltage) are obtained in the analog signal preparation block 3 from a complex signal of insulation condition and residual voltage present on a given signal path. The analog capacitance signal to ground is also produced in the preparation block

PL 224 955 B1 sygnałów analogowych 3 z drugiego toru sygnałowego. Wszystkie sygnały analogowe są przetwarzane w bloku jednostki centralnej 9 według określonych algorytmów kształtujących optymalne parametry działania zabezpieczenia. Jeżeli nastąpi uszkodzenie izolacji doziemnej w określonych wartościach rezystancji i czasie trwania, wówczas na wejściu bloku przekaźników wykonawczych 4 wystąpi sygnał zadziałania powodujący zmianę stanu wyjścia bloku przekaźników wykonawczych 4, który w konsekwencji spowoduje otwarcie wyłącznika zabezpieczającego 12. Ciągłość zewnętrznego obwodu pomiarowego testowana jest za pomocą bloku autokontroli 6 metodą okresowych krótkotrwałych doziemień wysokorezystancyjnych. W przypadku wystąpienia braku ciągłości obwodu pomiarowego lub wzrostu jego rezystancji ponad określoną graniczną wartość, na wyjściu bloku autokontroli 6 wystąpi sygnał powodujący również wyłączenie monitorowanej sieci spod napięcia. Otwarcie wyłącznika 12 nastąpi także po wykryciu przez blok mikrokontrolera 8 uszkodzenia w układzie wewnętrznym zabezpieczenia. Z kolei blok autokontroli zewnętrznego obwodu pomiarowego 6 połączony z blokiem jednostki centralnej 9 dozoruje ciągłość zewnętrznych połączeń zabezpieczenia z siecią.The analog signals 3 from the second signal path. All analog signals are processed in the CPU block 9 according to specific algorithms that shape the optimal parameters of the protection operation. If the earth insulation is damaged in the specified resistance values and duration, then an actuation signal will occur at the input of the operating relays block 4, causing a change in the output state of the operating relays block 4, which will result in the opening of the protective switch 12. The continuity of the external measuring circuit is tested by the block self-monitoring 6 by the method of periodic short-term high-resistance earth faults. In the event of a lack of continuity of the measuring circuit or an increase in its resistance above the specified limit value, a signal will appear at the output of the auto-control block 6, which will also disconnect the monitored network from voltage. The switch 12 is also opened after the microcontroller block 8 detects a fault in the internal protection circuit. In turn, the self-monitoring block of the external measuring circuit 6 connected to the block of the central unit 9 monitors the continuity of the external connections of the protection with the network.

Claims

Central leakage protection system, in which the coupling unit is connected on the one hand to the main tracks of the network and on the other hand to the analog signal preparation unit, includes a test unit connected between one phase of the network and the ground, a direct current measuring source, a transmission block, an input signal block , a power supply unit and a circuit breaker controlled by a block of executive relays, characterized in that two independent signal paths, one path of the complex insulation condition and residual voltage signal, and the second path to earth capacitance are connected with the analog signal preparation block (3), to which the measuring source is connected direct current (2), while the output of the analog signal preparation block (3) is connected to the central unit block (9) to which the microcontroller (8), the external measuring circuit self-monitoring block (6) and the input signals block (5) are connected , while the power supply unit (7) and block are connected to the microcontroller (8) the operating relays (4) connected to the circuit of the protection switch (12), where the central unit block (9) has two outputs, from which the actuation output is connected to the input of the executive relays block (4), and the second output to the transmission block ( 10), while the test unit (11) is connected to one of the phases of the monitored network and the ground, and the test input of the self-monitoring block of the external measuring circuit (6) is connected to the same phase.