RU2785005C1

RU2785005C1 - Device for protecting a three-phase electrical installation from open-phase operation

Info

Publication number: RU2785005C1
Application number: RU2022120727A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Карандаев; Артур Азатови Сарлыбаев; Иван Валерьевич Любимов; Николай Николаевич Дружинин; Борис Михайлович Логинов
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2022-12-01

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering for the protection of a three-phase electrical installation, mainly an arc furnace transformer. The device contains a three-phase circuit breaker, a circuit breaker control unit and emergency mode sensors. According to the invention, the three emergency mode sensors consist of: a current transformer, the primary winding of which is included in the phase of the electrical installation, while the secondary winding is connected in parallel with the primary winding of the zero-sequence current transformer. The secondary winding of the zero-sequence current transformer is connected to a diode rectifier. A load resistor and a low-pass filter are connected in parallel to the diode rectifier. The output of the low-pass filter is connected to a parametric voltage regulator.

EFFECT: increasing the reliability of protection by increasing the reliability of identification of the open-phase mode.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты от неполнофазного режима трехфазной электроустановки, преимущественно силового трансформатора дуговой сталеплавильной печи.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to protect against open-phase operation of a three-phase electrical installation, mainly a power transformer of an arc steel-smelting furnace.

Известно устройство для защиты трехфазной нагрузки от несимметричных режимов, содержащее тиристорный коммутатор, к которому подключены электродвигатель и трехфазный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к соединенным звездой резисторам, общая точка которых и нулевой вывод вторичной обмотки соединены с реагирующим органом, состоящим из резистора, релейного элемента и инвертора, подключенным к блоку управления, выходы которого соединены с управляющими входами тиристорного коммутатора (см. авторское свидетельство СССР №726618, МПК² Н02Н7/09).A device for protecting a three-phase load from unbalanced modes is known, containing a thyristor switch to which an electric motor and a three-phase transformer are connected, the secondary winding of which is connected to star-connected resistors, the common point of which and the zero output of the secondary winding are connected to a reacting body consisting of a resistor, a relay element and an inverter connected to the control unit, the outputs of which are connected to the control inputs of the thyristor switch (see USSR author's certificate No. 726618, MPK ² N02N7/09).

Недостатком известного устройства является низкая достоверность идентификации неполнофазного режима, что приводит к низкой надежности защиты трехфазной электроустановки либо электрической сети. Отклонения входного сигнала реагирующего органа в трехпроводной системе электропитания нагрузки без нулевого провода будут присутствовать практически постоянно, вследствие неравенства мгновенных значений фазных напряжений. На выходе элемента с релейной характеристикой этот сигнал будет увеличиваться до постоянного значения независимо от уровня входного сигнала. Это приведет к формированию недостоверных сигналов о наличии неполнофазного режима и ложной блокировке работы блока управления.The disadvantage of the known device is the low reliability of the identification of the open-phase mode, which leads to low reliability of the protection of a three-phase electrical installation or electrical network. Deviations of the input signal of the reacting element in a three-wire load power supply system without a neutral wire will be present almost constantly, due to the inequality of the instantaneous values of the phase voltages. At the output of a relay element, this signal will increase to a constant value regardless of the input signal level. This will lead to the formation of unreliable signals about the presence of an open-phase mode and a false blocking of the operation of the control unit.

Для достоверного обнаружения неполнофазного режима необходимо контролировать наличие не напряжения, а уровень токов нулевой последовательности в фазах нагрузки.For reliable detection of the open-phase mode, it is necessary to control the presence of not voltage, but the level of zero-sequence currents in the load phases.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является устройство для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима, содержащее трехфазный выключатель, состоящий из трех управляемых коммутирующих устройств, включенных в фазы электроустановки, блок управления выключателем, выходы которого соединены с управляющими входами коммутирующих устройств, а входы - с датчиками аварийного режима, при этом каждое управляемое коммутирующее устройство выполнено по схеме встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик тока выполнен в виде U-образного ферромагнитного сердечника, охватывающего три токоведущих проводника по числу фаз электроустановки, используется два датчика аварийного режима, каждый из которых содержит геркон с замыкающим контактом, размещенный на торцах U-образного сердечника (см. авторское свидетельство СССР №1117767, МПК² Н02Н7/09).The closest analogue (prototype) of the claimed device is a device for protecting a three-phase electrical installation from open-phase mode, containing a three-phase switch, consisting of three controlled switching devices included in the phases of the electrical installation, a switch control unit, the outputs of which are connected to the control inputs of the switching devices, and the inputs - with emergency mode sensors, each controlled switching device is made according to the scheme of back-to-back thyristors, the current sensor is made in the form of a U-shaped ferromagnetic core, covering three current-carrying conductors according to the number of phases of the electrical installation, two emergency mode sensors are used, each of which contains a reed switch with a closing contact located at the ends of the U-shaped core (see USSR author's certificate No. 1117767, MPK ² H02N7 / 09).

Недостатком известного устройства является низкая достоверность определения неполнофазного режима и, как следствие, низкая надежность. Это связано с тем, что, сигнал, поступающий с выхода каждого датчика аварийного режима на вход блока управления, определяется по полному току фазы электроустановки. Это не позволяет идентифицировать режим непереключения фазы при отсутствии нагрузки. Измеряемый в этом режиме ток холостого хода имеет низкую величину, которая не может быть достоверно идентифицирована датчиком тока, выполненным в виде U-образного ферромагнитного сердечника.The disadvantage of the known device is the low reliability of the open-phase mode and, consequently, low reliability. This is due to the fact that the signal coming from the output of each emergency mode sensor to the input of the control unit is determined by the total phase current of the electrical installation. This does not allow identification of the phase non-switching mode when there is no load. The no-load current measured in this mode has a low value, which cannot be reliably identified by a current sensor made in the form of a U-shaped ferromagnetic core.

Датчик тока в известном устройстве не позволяет определить различие между током холостого хода, близким к нулевому значению, и нулевым значением тока, возникающим при непереключении фазы. Идентификация неполнофазного режима осуществляется по разнице результирующих ампервитков обмотки датчика. В результате не обеспечивается необходимой чувствительности к изменению режима подключения электроустановки при нормальном режиме работы электроустановки и при отсутствии питания по одной из фаз.The current sensor in the known device does not allow to determine the difference between the no-load current close to zero and the zero current that occurs when the phase is not switched. Identification of the open-phase mode is carried out by the difference in the resulting ampere-turns of the sensor winding. As a result, the necessary sensitivity to a change in the connection mode of the electrical installation is not provided during the normal operation of the electrical installation and in the absence of power in one of the phases.

Формирование сигнала на блок управления тиристорным выключателем по сумме мгновенных значений ампервитков приведет к неустойчивой работе блока управления. Это вызвано тем, что коммутация сигналов в фазах нагрузки, осуществляемая этими выключателями, не может происходить строго одновременно. В связи с этим сигнал на выходе герконов (на входе блока управления) будет возникать при каждом подключении/отключении нагрузки. Это снижает надежность работы устройства.Formation of a signal to the thyristor circuit breaker control unit based on the sum of instantaneous values of ampere-turns will lead to unstable operation of the control unit. This is due to the fact that the switching of signals in the load phases, carried out by these switches, cannot occur strictly simultaneously. In this regard, the signal at the output of the reed switches (at the input of the control unit) will occur each time the load is connected / disconnected. This reduces the reliability of the device.

Кроме того, недостатком известного устройства является сложность технического исполнения. Это связано с тем, что используемые датчики тока в виде U-образного ферромагнитного сердечника серийно не выпускаются. Поэтому требуется их индивидуальное исполнение, что не может обеспечить требуемого качества. Использование герконов с механическими контактами снижает надежность гальванической развязки измерительных и управляющих цепей, что, в свою очередь, снижает надежность и долговечность устройства.In addition, the disadvantage of the known device is the complexity of the technical execution. This is due to the fact that the used current sensors in the form of a U-shaped ferromagnetic core are not commercially available. Therefore, their individual execution is required, which cannot provide the required quality. The use of reed switches with mechanical contacts reduces the reliability of galvanic isolation of measuring and control circuits, which, in turn, reduces the reliability and durability of the device.

Сложность технического исполнения также связана с тем, что коммутирующее устройство выполнено в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Подобные устройства, предназначенные для подключения высоковольтных электроустановок, также серийно не выпускаются. Их индивидуальное исполнение на высокие напряжения требует применения большого количества тиристорных блоков, а также разработки специальной системы импульсно-фазового управления и достаточно сложных алгоритмов управления коммутацией.The complexity of the technical design is also due to the fact that the switching device is made in the form of two back-to-back thyristors. Similar devices designed to connect high-voltage electrical installations are also not commercially available. Their individual design for high voltage requires the use of a large number of thyristor units, as well as the development of a special system of pulse-phase control and rather complex switching control algorithms.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является низкая надежность работы устройства для защиты трехфазной электроустановки, преимущественно, силового трансформатора дуговой сталеплавильной печи, вследствие неудовлетворительной идентификации неполнофазного режима.The technical problem to be solved by the claimed invention is the low reliability of the device for protecting a three-phase electrical installation, mainly the power transformer of an arc steel-smelting furnace, due to poor identification of the open-phase mode.

Технический результат заключается в повышении точности идентификации режима невключения фазы благодаря применению трансформатора тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом, а также использованию сертифицированных, серийно выпускаемых измерительных и коммутирующих устройств.The technical result consists in increasing the accuracy of identifying the phase-out mode due to the use of a zero-sequence current transformer with a rapidly saturating magnetic circuit, as well as the use of certified, commercially available measuring and switching devices.

Поставленная задача решается тем, что устройство для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима, содержит трехфазный выключатель, состоящий из управляемых коммутирующих устройств, включенных в фазы электроустановки; блок управления выключателем, выходы которого соединены с управляющими входами коммутирующих устройств; датчики аварийного режима, согласно изобретению, оно дополнительно содержит три датчика аварийного режима, каждый из которых включает следующее оборудование: трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в фазу электроустановки, а вторичная обмотка подключена параллельно первичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности; вторичная обмотка трансформатора тока нулевой последовательности соединена с входом диодного выпрямителя; к выходу диодного выпрямителя параллельно подключены нагрузочный резистор и фильтр низких частот, состоящий из резистора и конденсатора; выход фильтра низких частот подключен к параметрическому стабилизатору напряжения, состоящему из балластного резистора и стабилитрона; выводы стабилитрона являются выходом каждого датчика аварийного режима, подключенным к одному из трех входов блока управления; четвертый вход блока управления соединен с сигнальным выходом трехфазного выключателя, а пятый - с выходом датчика трехфазного напряжения; входы датчика трехфазного напряжения подключены к фазам высоковольтного источника питания электроустановки; при этом каждое управляемое коммутирующее устройство выполнено в виде полюса трехфазного выключателя, не имеющего электрических и механических связей с другими полюсами.The problem is solved by the fact that the device for protecting a three-phase electrical installation from open-phase mode, contains a three-phase switch, consisting of controlled switching devices included in the phase of the electrical installation; switch control unit, the outputs of which are connected to the control inputs of the switching devices; emergency mode sensors, according to the invention, it additionally contains three emergency mode sensors, each of which includes the following equipment: a current transformer, the primary winding of which is included in the phase of the electrical installation, and the secondary winding is connected in parallel with the primary winding of the zero-sequence current transformer; the secondary winding of the zero-sequence current transformer is connected to the input of the diode rectifier; a load resistor and a low-pass filter, consisting of a resistor and a capacitor, are connected in parallel to the output of the diode rectifier; the output of the low-pass filter is connected to a parametric voltage regulator, consisting of a ballast resistor and a zener diode; the zener diode outputs are the output of each emergency mode sensor connected to one of the three inputs of the control unit; the fourth input of the control unit is connected to the signal output of the three-phase switch, and the fifth - to the output of the three-phase voltage sensor; the inputs of the three-phase voltage sensor are connected to the phases of the high-voltage power supply of the electrical installation; at the same time, each controlled switching device is made in the form of a pole of a three-phase switch that does not have electrical and mechanical connections with other poles.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима, выполненная применительно к силовому трансформатору дуговой сталеплавильной печи;- in Fig. 1 shows a diagram of the proposed device for protecting a three-phase electrical installation from an open-phase mode, made in relation to a power transformer of an arc steel-smelting furnace;

- на фиг. 2 изображена вольт-амперная характеристика трансформатора тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом;- in Fig. 2 shows the current-voltage characteristic of a zero-sequence current transformer with a rapidly saturating magnetic circuit;

- на фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма, реализованного в блоке управления выключателем.- in Fig. 3 shows a block diagram of the algorithm implemented in the circuit breaker control unit.

Заявляемое устройство (фиг. 1) для защиты трехфазной электроустановки 1 от неполнофазного режима, содержит трехфазный выключатель 2, состоящий из трех управляемых коммутирующих устройств 3, 4, 5, включенных в фазы электроустановки, блок управления 6 выключателем 2. Выходы блока управления 6 соединены с управляющими входами коммутирующих устройств 3, 4, 5, а первый, второй и третий входы соединены с выходами датчиков аварийного режима 7, 8, 9.The inventive device (Fig. 1) for protecting a three-phase electrical installation 1 from open-phase mode, contains a three-phase switch 2, consisting of three controlled switching devices 3, 4, 5, included in the phases of the electrical installation, a control unit 6 with a switch 2. The outputs of the control unit 6 are connected to control inputs of switching devices 3, 4, 5, and the first, second and third inputs are connected to the outputs of emergency mode sensors 7, 8, 9.

Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что каждый из датчиков аварийного режима 7, 8 и 9 снабжен трансформатором тока 10. Первичная обмотка трансформатора тока 10 включена в фазу электроустановки 1 после трехфазного выключателя 2, а вторичная обмотка подключена параллельно первичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности 11, вторичная обмотка которого соединена с входом диодного выпрямителя 12. К выходу последнего параллельно подключены нагрузочный резистор 13 и R-C фильтр низких частот 14, состоящий из резистора 15 и конденсатора 16. Выход фильтра 14 подключен к параметрическому стабилизатору напряжения 17, состоящему из балластного резистора 18 и стабилитрона 19, выводы которого являются выходом одного из датчиков аварийного режима 7, 8 и 9.A distinctive feature of the proposed device is that each of the emergency mode sensors 7, 8 and 9 is equipped with a current transformer 10. The primary winding of the current transformer 10 is included in the phase of the electrical installation 1 after the three-phase switch 2, and the secondary winding is connected in parallel with the primary winding of the zero-sequence current transformer 11 , the secondary winding of which is connected to the input of the diode rectifier 12. A load resistor 13 and an R-C low-pass filter 14, consisting of a resistor 15 and a capacitor 16, are connected in parallel to the output of the latter. The output of the filter 14 is connected to a parametric voltage regulator 17, consisting of a ballast resistor 18 and zener diode 19, the conclusions of which are the output of one of the emergency mode sensors 7, 8 and 9.

При этом каждое управляемое коммутирующее устройство 3, 4, 5 трехфазного выключателя 2 выполнено в виде полюса, не имеющего электрических и механических связей с другими полюсами. Выключатель 2 имеет сигнальный выход и три управляющих входа, которые соединены с выходами блока управления 6. Четвертый вход блока управления 6 соединен с сигнальным выходом трехфазного выключателя 2, а пятый вход - с выходом датчика трехфазного напряжения 20, входы которого подключены к высоковольтному источнику питания 21 трехфазной электроустановки.In this case, each controlled switching device 3, 4, 5 of the three-phase switch 2 is made in the form of a pole that does not have electrical and mechanical connections with other poles. The switch 2 has a signal output and three control inputs, which are connected to the outputs of the control unit 6. The fourth input of the control unit 6 is connected to the signal output of the three-phase switch 2, and the fifth input is connected to the output of the three-phase voltage sensor 20, the inputs of which are connected to the high-voltage power supply 21 three-phase electrical installation.

При этом трехфазная электроустановка 1 представляет собой дуговую сталеплавильную печь 22, которая подключена к вторичной обмотке силового трансформатора 23.In this case, the three-phase electrical installation 1 is an arc steel-smelting furnace 22, which is connected to the secondary winding of the power transformer 23.

В заявляемом техническом решении в качестве трехфазного выключателя 2, состоящего из независимых управляемых коммутирующих устройств 3, 4 и 5, может быть применен серийно выпускаемый элегазовый выключатель, имеющий требуемые технические характеристики (см., например, «Элегазовые выключатели 110 кВ, 220 кВ» - https://www.asutpp.ru/avtomatizaciya-proizvodstva/elegazovye-vyklyuchateli.html).In the claimed technical solution, as a three-phase switch 2, consisting of independent controlled switching devices 3, 4 and 5, a commercially available SF6 circuit breaker with the required technical characteristics can be used (see, for example, "SF6 circuit breakers 110 kV, 220 kV" - https://www.asutpp.ru/avtomatizaciya-proizvodstva/elegazovye-vyklyuchateli.html).

В качестве датчиков тока могут использоваться серийно выпускаемые трансформаторы тока 10, рассчитанные на номинальный ток фазы первичной обмотки трансформатора (см., например, «Трансформаторы масляные ТОМ-110» - http://www.cztt.ru/userFiles/Catalog_2018/TOM-110.pdf).As current sensors, commercially available current transformers 10 can be used, designed for the rated current of the phase of the primary winding of the transformer (see, for example, "Oil transformers TOM-110" - http://www.cztt.ru/userFiles/Catalog_2018/TOM- 110.pdf).

В качестве трансформаторов тока нулевой последовательности 11 могут быть применены серийно выпускаемые торы нулевой последовательности марки CSH, отличающиеся внутренним диаметром (см., например, «Торы нулевой последовательности CSH120, CSH200, GO110» - SEPAM, SEPAM 1000+ серии 10. Каталог оборудования Schneider Electric - http://www.schneider-spb.ru/SEPAM-1000-10-tory.pdf). Каждый из них представляет собой трансформатор с быстронасыщающимся магнитопроводом и имеет воль-амперную характеристику, аналогичную представленной на фиг. 2. Эти устройства выполняют функции первичных преобразователей тока холостого хода силового трансформатора 23 в напряжение, удобное для дальнейшей обработки.As zero-sequence current transformers 11, commercially available zero-sequence tori of the CSH brand can be used, differing in internal diameter (see, for example, "CSH120, CSH200, GO110 zero-sequence tori" - SEPAM, SEPAM 1000+ series 10. Schneider Electric equipment catalog - http://www.schneider-spb.ru/SEPAM-1000-10-tory.pdf). Each of them is a transformer with a fast-saturating magnetic circuit and has a current-voltage characteristic similar to that shown in Fig. 2. These devices perform the functions of primary converters of the no-load current of the power transformer 23 to a voltage convenient for further processing.

Блок управления 6 трехфазным выключателем может быть выполнен на базе промышленного контроллера, при этом повышенных требований к нему не предъявляется.The control unit 6 of the three-phase switch can be made on the basis of an industrial controller, while there are no increased requirements for it.

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются:Distinctive features of the proposed technical solution are:

- дополнительное включение трансформатора тока нулевой последовательности;- additional inclusion of a zero-sequence current transformer;

- формирование вольт-амперной характеристики согласно фиг. 2, обеспечивающей насыщение в диапазоне низких значений тока («быстрое» насыщение магнитопровода);- formation of the current-voltage characteristic according to FIG. 2, providing saturation in the range of low current values ("fast" saturation of the magnetic circuit);

- выполнение управляемого коммутирующего устройства в виде трехфазного (преимущественно элегазового) выключателя, содержащего три полюса с дугогасительными камерами, не имеющих электрической и механической связи;- execution of a controlled switching device in the form of a three-phase (mainly SF6) switch containing three poles with arc chutes that do not have electrical and mechanical connections;

- исполнение датчика аварийного режима в виде блока, содержащего трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в фазу электроустановки, а вторичная обмотка подключена параллельно первичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности, вторичная обмотка которого соединена с входом диодного выпрямителя, к выходу которого параллельно подключены нагрузочный резистор и R-C фильтр низких частот, состоящий из резистора и конденсатора, выход фильтра низких частот подключен к параметрическому стабилизатору напряжения, состоящему из балластного резистора и стабилитрона.- execution of the emergency mode sensor in the form of a block containing a current transformer, the primary winding of which is included in the phase of the electrical installation, and the secondary winding is connected in parallel with the primary winding of the zero-sequence current transformer, the secondary winding of which is connected to the input of a diode rectifier, to the output of which a load resistor is connected in parallel and R-C low-pass filter, consisting of a resistor and a capacitor, the output of the low-pass filter is connected to a parametric voltage regulator, consisting of a ballast resistor and a zener diode.

В заявляемом устройстве применение предлагаемого датчика аварийного режима на основе трансформаторов тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом обеспечивает повышение достоверности идентификации неполнофазного режима работы трехфазной электроустановки.In the claimed device, the use of the proposed emergency mode sensor based on zero-sequence current transformers with a fast-saturating magnetic circuit provides an increase in the reliability of identification of the open-phase operation of a three-phase electrical installation.

Выполнение управляемого коммутирующего устройства в виде трехфазного элегазового выключателя позволяет исключить коммутирующие устройства на встречно-параллельных тиристорах (см. прототип), которые требуют специальной разработки.The execution of a controlled switching device in the form of a three-phase SF6 circuit breaker makes it possible to exclude switching devices on anti-parallel thyristors (see prototype), which require special development.

Использование предложенного датчика аварийного режима позволяет исключить из устройства датчик с ферромагнитным сердечником и встроенными герконами, который требует индивидуального проектирования и изготовления с использованием специальных электротехнических материалов.The use of the proposed emergency mode sensor makes it possible to exclude from the device a sensor with a ferromagnetic core and built-in reed switches, which requires individual design and manufacture using special electrical materials.

Возможность технического исполнения заявляемого устройства на базе серийно выпускаемых узлов и элементов повышает надежность, ремонтопригодность и долговечность устройства.The possibility of technical execution of the proposed device on the basis of mass-produced units and elements increases the reliability, maintainability and durability of the device.

В целом, благодаря совокупности отличительных признаков, обеспечивается повышение достоверности идентификации неполнофазного режима, а также надежности работы трехфазной электроустановки за счет применения серийно изготавливаемых измерительных и коммутирующих устройств.In general, due to the combination of distinctive features, an increase in the reliability of the identification of the open-phase mode, as well as the reliability of the operation of a three-phase electrical installation is ensured through the use of mass-produced measuring and switching devices.

Работа устройства для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима рассматривается на примере работы блока 7 аварийного режима, включенного в фазу А по схеме, представленной на фиг. 1.The operation of the device for protecting a three-phase electrical installation from open-phase mode is considered on the example of the operation of the emergency mode unit 7 included in phase A according to the scheme shown in Fig. one.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

При замыкании трехфазного выключателя 2 на трансформатор 23 подается напряжение высоковольтного источника питания 21. При отсутствии нагрузки через первичную обмотку трансформатора тока 10 проходит ток холостого хода. Для большинства высоковольтных трансформаторов его величина не превышает 1 А. При коэффициенте трансформации рекомендуемых трансформаторов ТОМ-110, равном 60, ток на выходе трансформатора тока 10 равен 17 мА. Следует отметить, что ни одна из известных защит не может достоверно контролировать такой маленький ток.When the three-phase switch 2 is closed, the voltage of the high-voltage power source 21 is applied to the transformer 23. In the absence of load, the no-load current passes through the primary winding of the current transformer 10. For most high-voltage transformers, its value does not exceed 1 A. With a transformation ratio of the recommended TOM-110 transformers equal to 60, the current at the output of current transformer 10 is 17 mA. It should be noted that none of the known protections can reliably control such a small current.

При работе под нагрузкой ток вторичной обмотки трансформатора тока 10 изменяется в диапазоне от 50 до 100 мА в зависимости от нагрузки. Сигнал, пропорциональный этому току, поступает на первичную обмотку трансформатора тока 11 нулевой последовательности. Этот трансформатор имеет вольт-амперную характеристику, показанную на фиг. 2. Он выполнен на основе тора нулевой последовательности, например, CSH-120 и содержит дополнительную первичную обмотку для достижения оптимального напряжения на вторичной обмотке при работе трансформатора в режиме холостого хода. Данный трансформатор выполняет функции первичного преобразователя тока холостого хода фазы А трансформатора 23 в напряжение, уровень которого приемлем для дальнейшей обработки. Далее полученное напряжение поступает на вход диодного выпрямительного моста 12.When working under load, the current of the secondary winding of the current transformer 10 varies in the range from 50 to 100 mA depending on the load. A signal proportional to this current is supplied to the primary winding of the zero-sequence current transformer 11. This transformer has the current-voltage characteristic shown in Fig. 2. It is made on the basis of a zero-sequence torus, for example, CSH-120, and contains an additional primary winding to achieve an optimal voltage on the secondary winding when the transformer is idling. This transformer performs the functions of the primary converter of the no-load current of phase A of the transformer 23 into a voltage, the level of which is acceptable for further processing. Next, the resulting voltage is fed to the input of the diode rectifier bridge 12.

Как видно из вольт-амперной характеристики на фиг. 2, зона насыщения трансформатора тока 11 нулевой последовательности находится в диапазоне токов выше 60 мА. При этом напряжение вторичной обмотки достигает уровня 7,5 В, удобного для дальнейшей обработки. Таким образом, насыщение происходит при малых токах, что позволяет контролировать ток холостого хода в фазе А трансформатора 23 в режиме реального времени и идентифицировать его отличие от неполнофазного режима, когда ток в фазе А равен нулю.As can be seen from the current-voltage characteristic in Fig. 2, the saturation zone of the zero sequence current transformer 11 is in the current range above 60 mA. In this case, the voltage of the secondary winding reaches a level of 7.5 V, convenient for further processing. Thus, saturation occurs at low currents, which allows you to monitor the no-load current in phase A of the transformer 23 in real time and identify its difference from the open-phase mode, when the current in phase A is zero.

Для уменьшения времени затухания напряжения после отключения нагрузки установлен нагрузочный резистор 13; для фильтрации выпрямленного напряжения в устройство дополнительно введен фильтр 14, состоящий из резистора 15 и конденсатора 16, соединенных по схеме пассивного R-C фильтра низких частот. Параметрический стабилизатор напряжения 17, состоящий из балластного резистора 18 и стабилитрона 19, обеспечивает постоянство сигнала, поступающего на вход блока управления 6, при изменениях тока нагрузки, а также защиту от перенапряжений. Последняя функция связана с тем, что при больших токах нагрузки может возникнуть недопустимый ток намагничивания трансформатора, что вызывает перегрузки и может привести к короткому замыканию.To reduce the voltage decay time after the load is turned off, a load resistor 13 is installed; to filter the rectified voltage, a filter 14 was additionally introduced into the device, consisting of a resistor 15 and a capacitor 16, connected according to the passive R-C low-pass filter circuit. The parametric voltage regulator 17, consisting of a ballast resistor 18 and a zener diode 19, ensures the constancy of the signal at the input of the control unit 6, with changes in the load current, as well as overvoltage protection. The latter function is related to the fact that at high load currents, an unacceptable magnetizing current of the transformer may occur, which causes overloads and can lead to a short circuit.

Работа датчиков аварийного режима 8 и 9, включенных в фазы В и С первичной обмотки трансформатора 23, аналогична работе рассмотренного датчика 7.The operation of emergency mode sensors 8 and 9, included in phases B and C of the primary winding of transformer 23, is similar to the operation of the considered sensor 7.

В нормальном режиме, когда все три управляемых коммутирующих устройства 3, 4 и 5 трехфазного выключателя 2 включены, токи холостого хода в фазах А, В, С трансформатора 23 одинаковы. При применении в устройстве рекомендованных выше датчиков датчиков аварийного режима 7,8,9, снабженных трансформаторами тока 10 и трансформаторов тока нулевой последовательности 11 и реализации характеристики, представленной на фиг. 2, указанному выше току холостого хода 1 А (17 мА на вторичных обмотках трансформаторов тока 10) будет соответствовать напряжение не менее 2,5 В на вторичных обмотках трансформаторов 11 тока нулевой последовательности.In normal mode, when all three controlled switching devices 3, 4 and 5 of the three-phase switch 2 are turned on, the no-load currents in the phases A, B, C of the transformer 23 are the same. When using in the device the above-recommended sensors of emergency mode sensors 7,8,9, equipped with current transformers 10 and zero-sequence current transformers 11 and the implementation of the characteristic shown in FIG. 2, the above no-load current of 1 A (17 mA on the secondary windings of the current transformers 10) will correspond to a voltage of at least 2.5 V on the secondary windings of the zero-sequence current transformers 11.

В неполнофазном режиме ток в отключенной фазе протекать не будет, поэтому выходной сигнал соответствующего датчика аварийного режима будет равен нулю. Это позволит идентифицировать различие между режимом холостого хода и аварийным неполнофазным режимом с высокой точностью.In open phase mode, no current will flow in the off phase, so the output of the corresponding fail-safe sensor will be zero. This will make it possible to identify the difference between the idle mode and the emergency open mode with high accuracy.

В блоке управления 6 (фиг. 1) выключателем 2 по значениям сигналов с датчиков аварийного режима 7, 8 и 9, по значению сигнала от датчика трехфазного напряжения 20 и по значению сигнала о включении трехфазного выключателя 2 реализован алгоритм, блок-схема которого представлена на фиг. 3. Алгоритм поясняет логику управления защитой от неполнофазного режима трехфазной электроустановки. Структура алгоритма управления коммутирующим устройством 3 (фиг. 1), включенным в фазу А, раскрыта в блоке 24 (фиг. 3). Блоки 25 и 26 имеют аналогичные структуры.In the control unit 6 (Fig. 1) by the switch 2, according to the values of the signals from the emergency mode sensors 7, 8 and 9, according to the value of the signal from the three-phase voltage sensor 20 and according to the value of the signal to turn on the three-phase switch 2, an algorithm is implemented, the block diagram of which is shown in fig. 3. The algorithm explains the control logic of protection against open-phase operation of a three-phase electrical installation. The structure of the control algorithm for the switching device 3 (Fig. 1), included in phase A, is disclosed in block 24 (Fig. 3). Blocks 25 and 26 have similar structures.

В алгоритме предусмотрена следующая последовательность действий.The algorithm provides the following sequence of actions.

1. Блок 27 контролирует рабочий режим электроустановки 1 (фиг. 1) по наличию поданного на нее напряжения, блок 28 контролирует включение трехфазного выключателя 2. Блок 29 осуществляет контроль сигнала, пропорционального току холостого хода фазы А.1. Block 27 controls the operating mode of the electrical installation 1 (Fig. 1) by the presence of voltage applied to it, block 28 controls the activation of the three-phase switch 2. Block 29 controls the signal proportional to the no-load current of phase A.

2. При аварийном отключении фазы А напряжение на выходе датчика аварийного режима 7 (фиг. 1) становится ниже значения, соответствующего току холостого хода (ниже 2 В). По сигналу от блока 29 запускаются таймеры 30, 31, запрограммированные на отсчет времени пауз t ₁=0,2 с и t ₂=1 с. Они осуществляют контроль продолжительности отсутствия тока в фазе А.2. In the event of an emergency shutdown of phase A, the voltage at the output of the emergency mode sensor 7 (Fig. 1) becomes lower than the value corresponding to the no-load current (below 2 V). On a signal from block 29, timers 30, 31 are started, programmed to count the pause time t ₁ =0.2 s and t ₂ =1 s. They monitor the duration of the absence of current in phase A.

3. При продолжительности, превышающей время паузы t ₁, выводится аварийное предупреждение на пост управления электроустановки (блок 32). При невосстановлении напряжения в течение паузы t ₂, блок 33 выдает сигнал на отключение трехфазного выключателя 2.3. If the duration exceeds the pause time t ₁ , an emergency warning is displayed at the control post of the electrical installation (block 32). If the voltage is not restored during the pause t ₂ , block 33 issues a signal to turn off the three-phase switch 2.

4. При восстановлении уровня напряжения на выходе датчика аварийного режима 7 (выше 2 В) в пределах установленных пауз происходит обнуление выходных сигналов таймеров 30, 31. Устройство переходит в рабочий режим контроля тока холостого хода нулевой последовательности.4. When the voltage level at the output of the emergency mode sensor 7 is restored (above 2 V) within the set pauses, the output signals of timers 30, 31 are reset to zero. The device switches to the operating mode of zero-sequence no-load current control.

Управление коммутацией трехфазного выключателя 2 (фиг. 1) при отсутствии токов в фазах В либо С осуществляется по аналогичным алгоритмам, реализованным в блоках 25, 26 на фиг. 3.The switching control of the three-phase switch 2 (Fig. 1) in the absence of currents in phases B or C is carried out according to similar algorithms implemented in blocks 25, 26 in Figs. 3.

Благодаря рассмотренному алгоритму блок управления 6 выключателем 2 отслеживает процесс коммутации по уровням токов холостого хода всех трех фаз и при возникновении аварийной ситуации запускает алгоритм на отключение выключателя 2. Данный вид контроля является наиболее эффективным по сравнению с контролем напряжения и другими известными способами идентификации невключения фазы. За счет этого обеспечивается надежная защита силового трансформатора 23 электроустановки 1 от неполнофазного режима работы.Thanks to the considered algorithm, the control unit 6 of the switch 2 monitors the switching process by the levels of no-load currents of all three phases and, in the event of an emergency, starts the algorithm to turn off the switch 2. This type of control is the most effective in comparison with voltage control and other known methods for identifying a phase not being turned on. This ensures reliable protection of the power transformer 23 of the electrical installation 1 from open-phase operation.

Таким образом, заявляемое устройство для защиты трехфазной электроустановки, преимущественно силового трансформатора дуговой сталеплавильной печи, повышает надежность ее работы путем повышения достоверности определения неполнофазного режима коммутации трехфазного выключателя. Благодаря применению трансформатора тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом повышается точность идентификации режима невключения фазы электроустановки.Thus, the proposed device for protecting a three-phase electrical installation, mainly a power transformer of an arc steel-smelting furnace, improves the reliability of its operation by increasing the reliability of determining the open-phase switching mode of a three-phase switch. Due to the use of a zero-sequence current transformer with a rapidly saturating magnetic circuit, the accuracy of identifying the mode of not switching on the phase of the electrical installation is increased.

Исполнение заявляемого устройства на базе серийно изготавливаемых измерительных и коммутирующих устройств также повышает надежность работы устройства для защиты трехфазной электроустановки.The execution of the proposed device based on commercially available measuring and switching devices also increases the reliability of the device for protecting a three-phase electrical installation.

Claims

A device for protecting a three-phase electrical installation from open-phase mode, containing a three-phase switch, consisting of controlled switching devices included in the phases of the electrical installation; switch control unit, the outputs of which are connected to the control inputs of the switching devices; emergency mode sensors, characterized in that it contains three emergency mode sensors, each of which includes: a current transformer, the primary winding of which is included in the phase of the electrical installation, and the secondary winding is connected in parallel with the primary winding of the zero-sequence current transformer; the secondary winding of the zero-sequence current transformer is connected to the input of the diode rectifier; a load resistor and a low-pass filter, consisting of a resistor and a capacitor, are connected in parallel to the output of the diode rectifier; the output of the low-pass filter is connected to a parametric voltage regulator, consisting of a ballast resistor and a zener diode; the zener diode outputs are the output of each emergency mode sensor connected to one of the three inputs of the control unit; the fourth input of the control unit is connected to the signal output of the three-phase switch, and the fifth - to the output of the three-phase voltage sensor; the inputs of the three-phase voltage sensor are connected to the phases of the high-voltage power supply of the electrical installation; at the same time, each controlled switching device is made in the form of a pole of a three-phase switch that does not have electrical and mechanical connections with other poles.