RU2020687C1

RU2020687C1 - Differential arc protective device for metalclad switchgear

Info

Publication number: RU2020687C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Нагай
Original assignee: Владимир Иванович Нагай
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: metalclad switchgear protection against arcing short circuits. SUBSTANCE: when photosensors are connected by employing balance (differential) circuit arrangements of each pair of cubicles, use is made of comparator with dead zone and integrating element inserted between inputs of first and second comparison circuits. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для релейной защиты ячеек комплектных распределительных устройств (КРУ) внутренней и наружной установки от коротких замыканий (КЗ), сопровождаемых открытой электрической дугой. The invention relates to electrical engineering and is intended for relay protection of cells of complete switchgears (switchgear) of indoor and outdoor installations from short circuits (short circuit), accompanied by an open electric arc.

Известны устройства для защиты распределительных щитов от электрической дуги КЗ, содержащие рабочие и тормозные фотодатчики, схему сравнения, пороговый элемент, исполнительный орган (патент ФРГ N 1126011, патент Франции N 2087348). Недостатками данных устройств являются возможный отказ при неустойчивом характере горения дуги, а также загрубление устройства тормозным сигналом, так как тормозной фотодатчик, как правило, располагается в зоне отраженного света, а также при интенсивных внешних световых помехах. Known devices for protecting switchboards from an electric arc KZ containing working and brake photosensors, a comparison circuit, a threshold element, an executive body (FRG patent N 1126011, French patent N 2087348). The disadvantages of these devices are a possible failure with an unstable nature of arc burning, as well as the roughening of the device by a brake signal, since the brake photo sensor is usually located in the area of reflected light, as well as during intense external light interference.

Для повышения чувствительности и надежности в устройствах по авт.св. СССР N 1111224, N 997125 введен дополнительно контроль напряжения и высокочастотных составляющих в сигнале фотодатчиков. Но как показывает опыт эксплуатации устройств подобного типа, они являются достаточно сложными. To increase the sensitivity and reliability of devices on autosw. USSR N 1111224, N 997125 introduced additional control of voltage and high-frequency components in the photosensor signal. But as experience with operating devices of this type shows, they are quite complex.

В техническом решении [1] предложено выполнение защиты парных ячеек с контролем освещенности и температуры внутри отсеков ячеек. Датчиками являются фотодиоды (фоторезисторы) и терморезисторы, которые образуют с резисторами балансные схемы. Такое выполнение защиты, когда осуществляется одновременный контроль двух параметров, снижает поток ложных срабатываний, но повышает поток отказов, что имеет место при интенсивных помехах по одному из каналов. Кроме того такое выполнение защиты предполагает большое число датчиков, а также взаимных связей между ячейками, что в некоторых случаях является неприемлемым с точки зрения эксплуатации. Кроме того необходимо отметить значительную инерционность терморезисторов, ограничивающую быстродействие защиты в целом. In the technical solution [1], it was proposed to perform the protection of paired cells with control of illumination and temperature inside the cell compartments. The sensors are photodiodes (photoresistors) and thermistors, which form balanced circuits with resistors. This type of protection, when two parameters are simultaneously monitored, reduces the false positive flow, but increases the failure flow, which occurs during intense interference on one of the channels. In addition, this type of protection involves a large number of sensors, as well as mutual connections between cells, which in some cases is unacceptable from the point of view of operation. In addition, it is necessary to note the significant inertia of the thermistors, limiting the speed of protection as a whole.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [2], содержащее фотодатчики, резистивный делитель напряжения, компаратор, образующие первые схемы сравнения, полосовые фильтры, вторые схемы сравнения, логические схемы И, элементы задержки, логическую схему ИЛИ. В устройстве осуществляется одновременный контроль состояния фотодатчиков защищаемой ячейки, связанной с двумя соседними, а также контроль частотного спектра выходного сигнала фотодатчика. Это позволяет выполнить отключение даже при выходе из строя одного фотодатчика, однако предполагает большое число фотодатчиков (в каждой ячейке устанавливается два фотодатчика), а также число связей, равное числу защищаемых ячеек. Введение канала частотной фильтрации также усложняет устройство. Наряду с положительными качествами устройству присущи недостатками, заключающиеся в сложности, что имеет существенное значение при массовости КРУ в энергосистемах и промышленных предприятиях и необходимости высокой квалификации обслуживающего персонала. The closest in technical essence is the device [2], containing photosensors, a resistive voltage divider, a comparator, forming the first comparison circuit, bandpass filters, second comparison circuit, AND logic, delay elements, OR logic. The device simultaneously monitors the state of the photosensors of the protected cell associated with two neighboring cells, as well as controls the frequency spectrum of the output signal of the photosensor. This allows you to disable even if one photosensor fails, however, it involves a large number of photosensors (two photosensors are installed in each cell), as well as the number of connections equal to the number of protected cells. The introduction of a frequency filtering channel also complicates the device. Along with the positive qualities of the device, there are disadvantages inherent in the complexity, which is essential for the mass switchgear in power systems and industrial enterprises and the need for highly qualified staff.

Цель изобретения - упрощение, повышение надежности и помехоустойчивости. The purpose of the invention is to simplify, improve reliability and noise immunity.

Цель достигается тем, что в устройстве для дуговой дифференциальной защиты комплектного распределительного устройства, содержащем фотодатчики, установленные в каждой ячейке и соединенные попарно последовательно между собой, делитель напряжения из последовательно соединенных резисторов, средняя точка которых подсоединена к общей шине, первую схему сравнения, состоящую из первого и второго компараторов, первую и вторую логические схемы И, фотодатчики нечетных ячеек соединены с шиной положительного напряжения, а четных - с шиной отрицательного напряжения, средние точки последовательно соединенных фотодатчиков соединены с входами вторых схем сравнения, выполненных на основе двухпорогового компаратора с зоной нечувствительности, выход которого подключен к интегрирующему элементу, а выход последнего соединен с входом первой схемы сравнения, выходы которой соединены с первыми входами первой и второй логических схем И, с первым и вторым входами вновь введенной логической схемы И-НЕ, выход которой соединен с вторыми входами первой и второй логических схем И. The goal is achieved in that in a device for arc differential protection of a complete switchgear containing photosensors installed in each cell and connected in pairs in series with each other, a voltage divider from series-connected resistors, the middle point of which is connected to a common bus, the first comparison circuit, consisting of the first and second comparators, the first and second logic circuits AND, the odd cell photosensors are connected to the positive voltage bus, and the even ones to the negative bus voltage, the midpoints of the series-connected photosensors are connected to the inputs of the second comparison circuits, based on a two-threshold comparator with a deadband, the output of which is connected to the integrating element, and the output of the latter is connected to the input of the first comparison circuit, the outputs of which are connected to the first inputs of the first and second logical circuits AND, with the first and second inputs of the newly introduced logical circuit AND NOT, the output of which is connected to the second inputs of the first and second logic circuits I.

Все элементы заявляемого устройства использованы по своему назначению и известны в практике релейной защиты, но совокупность этих элементов в их связи отличает предлагаемое устройство от аналогичных устройств и позволяет получить положительные качества, не присущие устройству-прототипу. All elements of the claimed device are used for their intended purpose and are known in the practice of relay protection, but the combination of these elements in their connection distinguishes the proposed device from similar devices and allows you to get positive qualities that are not inherent in the prototype device.

На фиг.1 показана схема размещения фотодатчиков в отдельных ячейках (в отсеках) КРУ, которое в данном случае состоит из четырех ячеек; на фиг.2 - измерительная и логическая часть предлагаемого устройства защиты. Figure 1 shows the layout of the photosensors in separate cells (in compartments) of the switchgear, which in this case consists of four cells; figure 2 - measuring and logical part of the proposed protection device.

Устройство дуговой дифференциальной защиты ячеек 1-4 комплектного распределительного устройства 5 состоит из фотодатчиков 6-9, резистивного делителя 10, 11, второй схемы 12 сравнения на основе двухпорогового компаратора с зоной нечувствительности, интегрирующего элемента 13, первой схемы 14 сравнения, выполненной на основе компараторов 15,16, логической схемы И-НЕ 17, логических схем И 18, 19. The differential arc protection device of cells 1-4 of the complete switchgear 5 consists of photosensors 6-9, a resistive divider 10, 11, a second comparison circuit 12 based on a two-threshold comparator with a dead zone, an integrating element 13, the first comparison circuit 14 made on the basis of comparators 15.16, the logical circuit AND NOT 17, the logical circuits AND 18, 19.

Фотодатчики 6-9 расположены внутри ячеек КРУ (КРУН) и соединены попарно и последовательно между собой и параллельно резистивному делителю 10,11 напряжения. Резистивный делитель и делители на основе фотодатчиков образуют мостовые схемы. The photosensors 6–9 are located inside the switchgear (KRUN) cells and are connected in pairs and in series with each other and parallel to the resistive voltage divider 10.11. Resistive divider and dividers based on photosensors form bridge circuits.

Первая схема 14 сравнения выполнена на основе компараторов, первый 15 из которых при отрицательном входном сигнале на выходе обеспечивает положительный сигнал, а второй 16 при положительном входном сигнале - положительный выходной сигнал. При несработанном состоянии на выходе компараторов 15 и 16 присутствует сигнал логического нуля. The first comparison circuit 14 is based on comparators, the first 15 of which, with a negative input signal at the output, provides a positive signal, and the second 16 with a positive input signal, a positive output signal. With an unworked state, a logic zero signal is present at the output of the comparators 15 and 16.

Особенностью схемы 12 сравнения, выполненной на основе схемы двухпорогового компаратора с зоной нечувствительности, является наличие на выходе нулевого сигнала при входном сигнале ниже уровня срабатывания
± U_ф = ± E

, где E_n ⁺ =

E_n ^-

, R₂ = R₃ и положительного сигнала при U₁₂ < -U_ф и отрицательного при U₁₂ > U_ф.A feature of the comparison circuit 12, made on the basis of a two-threshold comparator circuit with a dead zone, is the presence of a zero signal at the output when the input signal is below the response level
± U _f = ± E

where E _n ⁺ =

E _n ^-

, R ₂ = R ₃ and a positive signal at U ₁₂ <-U _f and negative at U ₁₂ > U _f .

В исходном состоянии напряжения U₁₂ и U₃₄ близки к нулю и меньше, чем уровень формирования (срабатывания) схемы 12 сравнения. Напряжение на выходе интегрирующего элемента 13 также близко к нулю, потому что входное напряжение на его входе равно нулю (см.пояснения выполнения схемы 12 сравнения). Компараторы 15 и 16 находятся в несработанном состоянии, что обеспечивает на их выходе напряжение, соответствующее логическому нулю, а это в свою очередь - сигнала логического нуля на выходе схем И 18 и 19, несмотря на то, что на выходе логической схемы И-НЕ 17 присутствует сигнал логической единицы.In the initial state, the voltages U ₁₂ and U ₃₄ are close to zero and less than the level of formation (response) of the comparison circuit 12. The voltage at the output of the integrating element 13 is also close to zero, because the input voltage at its input is equal to zero (see explanations of the implementation of the comparison circuit 12). Comparators 15 and 16 are in an unworked state, which provides a voltage corresponding to a logical zero at their output, and this in turn is a logical zero signal at the output of circuits I 18 and 19, despite the fact that the output of the logic circuit AND 17 a logical unit signal is present.

Рассмотрим работу устройства в различных режимах. Consider the operation of the device in various modes.

При возникновении короткого замыкания, сопровождаемого открытой электрической дугой внутри ячейки КРУ, например в ячейке 1, напряжение U₁₂ становится положительным, что при уровне сигнала U₁₂ > U_ф приводит к появлению отрицательного сигнала на выходе схемы 12 сравнения и, соответственно, к заряду конденсатора интегрирующего элемента 13. При достижении уровня срабатывания компаратора 15 на его выходе появляется сигнал логической единицы, что приведет к появлению сигнала логической единицы на выходе элемента И 18 и отключению выключателя ячейки 1. Это обеспечивается также тем, что на втором входе схемы И-НЕ присутствует логический сигнал 0, а на выходе, соответственно, логическая 1.When a short circuit occurs, accompanied by an open electric arc inside the switchgear cell, for example in cell 1, the voltage U ₁₂ becomes positive, which at a signal level U ₁₂ > U _f leads to the appearance of a negative signal at the output of the comparison circuit 12 and, accordingly, to the charge of the capacitor integrating element 13. Upon reaching the response level of the comparator 15, a logical unit signal appears at its output, which will lead to the appearance of a logical unit signal at the output of the And 18 element and the cell switch is turned off and 1. This is also ensured by the fact that at the second input of the AND-NOT circuit there is a logical signal 0, and at the output, respectively, logical 1.

При КЗ в ячейке 2 схема работает аналогичным образом. В этом случае напряжение U₁₂ отрицательно и меньше U₁₂ < -U_ф, что обеспечивает на выходе схемы 12 сравнения и интегрирующего элемента 13 положительное напряжение и по достижению напряжением на выходе интегрирующего элемента 13 уровня срабатывания компаратора 16 появление на его выходе сигнала логической единицы и, как следствие, сигнала логической единицы на выходе схемы И 19. В данном случае отключается выключатель ячейки 2.With short circuit in cell 2, the circuit works in a similar way. In this case, the voltage U _{12 is} negative and less than U ₁₂ <-U _f , which provides a positive voltage at the output of the comparison circuit 12 and the integrating element 13 and when the voltage at the output of the integrating element 13 of the comparator 16 reaches the appearance of a logical unit signal at its output and , as a consequence, the signal of a logical unit at the output of AND 19. In this case, the switch of cell 2 is turned off.

При возникновении помехи, обусловленной наводками напряжения от электромагнитных помех из-за протекания значительных токов в первичных цепях, а также при коммутациях в цепях оперативного тока, например, при включении и отключении выключателей, отстройка от нее обеспечивается наличием в схеме интегрирующего элемента 13, который позволяет достичь напряжения срабатывания схемы 14 сравнения через 2-3 мс после срабатывания схемы 12 сравнения, что не приводит к ложному срабатыванию устройства. In the event of interference caused by voltage pickups from electromagnetic interference due to the occurrence of significant currents in the primary circuits, as well as during switching in the operating current circuits, for example, when switching on and off switches, the detuning from it is provided by the presence of an integrating element 13 in the circuit, which allows to achieve the response voltage of the comparison circuit 14 in 2-3 ms after the operation of the comparison circuit 12, which does not lead to a false operation of the device.

Введение в схему логического элемента И-НЕ 17 исключает излишнее отключение ячейки при одновременном появлении сигнала логической единицы на выходах компараторов 15 и 16 при различного рода помехах или выходе из строя одного или двух компараторов 15 и 16. The introduction of the AND-NOT 17 logic element into the circuit eliminates the excessive shutdown of the cell while the logical unit signal appears at the outputs of the comparators 15 and 16 with various kinds of interference or the failure of one or two comparators 15 and 16.

Таким образом предлагаемое устройство защиты позволяет за счет дифференциальной схемы включения обеспечить надежное выявление короткого замыкания с дугой с высокой чувствительностью, уменьшив при этом число датчиков и число связей между ними, а введение дополнительных элементов позволяет повысить помехоустойчивость и надежность работы, отстроившись от различного рода помех и отказов элементов. Уменьшается также и число измерительных и логических органов, так как защита является общей для пары ячеек. Это является существенным фактором для эксплуатации, так как приходится учитывать огромный парк КРУ в каждой энергосистеме и на промпредприятиях. Thus, the proposed protection device allows, due to the differential switching circuit, to provide reliable detection of short circuits with arcs with high sensitivity, while reducing the number of sensors and the number of connections between them, and the introduction of additional elements can improve noise immunity and reliability, detuning from various kinds of interference and bounce items. The number of measuring and logical organs is also reduced, since protection is common for a pair of cells. This is a significant factor for operation, since it is necessary to take into account the huge switchgear park in each power system and industrial enterprises.

Claims

DEVICE FOR ARC DIFFERENTIAL PROTECTION OF COMPLETE DISTRIBUTION DEVICE, containing photosensors installed in each cell and connected in pairs in series with each other, a voltage divider from series-connected resistors, the middle point of which is connected to a common bus, the first comparison circuit consisting of the first and second comparators, the first and the second logic circuit And, characterized in that the odd cell photosensors are connected to the positive voltage bus, and the even cells to the negative bus voltage, the midpoints of the series-connected photosensors are connected to the inputs of the corresponding newly introduced second comparison circuits, based on a two-threshold comparator with a dead zone, the output of which is connected to the newly introduced integrating element, and the output of the latter is connected to the input of the first comparison circuit, the outputs of which are connected to the first inputs of the newly introduced first and second logical circuits AND, with the first and second inputs of the newly introduced logical circuit AND - NOT, the output of which is connected ene with the second inputs of the first and second logic circuits I.