SE422861B - Snabbdifferentialskyddsarrangemang - Google Patents

Description

7802399-1 Ett problem som-har förelegat med denna senare ansats är att för felströmmar av mindre storlek, erfordrar det relativt långsamma reläet enligt föregående stycke en ytterligt lång tid för aktivering. Om i ett visst exempel reläet har en aktive- ringsspänning av 1,5 perioder vid 10 gånger aktiveringsspänning pålagd över ingångsanslutningarna på reläet, så kommer dess ak- tiveringstid vid 1,5 gånger aktiveringsspänning över dessa an- slutningar att vara omkring 3 perioder. Så långa funktionstider kan ej tolereras i höghastighetsdifferentialskyddsarrangemang.

En aspekt av föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett höghastighetsdifferentialskyddsarrangemang innefattande ett skyddande relä vilket kan förbli inaktivt trots funktion hos ett blixtskydd i den differentiellt skyddade zonen av en starkströms- krets men ändå fortfarande är relativt snabbt vid spänningsnivå- er över ingângsanslutningarna till skyddsarrangemanget som är mycket lägre än de som utvecklas över nämnda anslutningar genom blixtskyddsgenomföljström.

I en utföringsform av uppfinningen är anordnat ett diffe- rentialskyddsarrangemang för att skydda en starkströmskrets för fel som ligger inom en förutbestämd zon av kretsen. Starkströms- kretsen har i nämnda zon till sig ansluten ett blixtskydd vil- ket är avsett att ge överslag som gensvar på överspänning och därefter medge genomföljström att flyta under tider som typiskt- är lika med eller mindre än en förutbestämd maximal tidsperiod.

Skyddsarrangemanget innefattar organ för att utveckla en första spänning vilken varierar direkt med vektorsumman av strömmarna som flyter in och ut ur nämnda zon hos starkströmskretsen. Ett filter som matas via nämnda första spänning används att utveck- la en andra spänning vilken generellt är fri från någon aperio- disk komponent för nämnda första spänning. Denna andra spänning pålägges ingångsanslutningarna hos likriktade organ vilket har utgângsanslutningar över vilka alstras en likriktad tredje spän- ning vilken varierar direkt i storlek med nämnda andra spänning.

Ett relä är anordnat vilket har ett styrelement anslutet över utgângsanslutningarna av likriktarorganet för matning via nämnda tredje spänning. En zenerdiod är också ansluten över nämnda ut- gångsanslutning och parallellt med relädrivelementet.

Reläet drivs när spänningen V som utvecklas via nämnda Q tredje spänning över nämnda styrelement är lika med eller 7802399-1 större än en förutbestämd minimiaktiveringsnivâ Vp_u_ men för- blir inaktivt vid lägre värden på V0. Zenerdioden har en zener- spänning som är något högre än värdet på spänningen som är pá- lagd denna vilket resulterar i en spänning VG lika med nämnda förutbestämda minimiaktiveringsnivá vilken pålägges nämnda styr- element. Nämnda zenerspänning är tillräckligt låg så att under blixtskyddsgenomföljström är spänningen över nämnda zenerdiod vä- sentligen lika med nämnda zenerspänning. Reläet har tillräckligt lång aktiveringstid för att förhindra reläfunktion som gensvar på blixtskyddsfunktioner vilka resulterar i genomföljström som varar under tidsperioder som är lika med nämnda förutbestämda maximala tidsperioder.

För att bättre förstå uppfinningen kan hänvisning göras till bifogade ritning i vilken den enda figuren är ett kopplings- schema över ett differentialskyddsarrangemang vilket omfattar en variant av uppfinningen som används för att skydda en starkströms- krets.

Med hänvisning till ritningen visas en starkströmskrets innefattande en samlingsledning l0, en källedning l2 och matar- ledningar l4 och 16. Källedningen l2 är ansluten till samlings- ledningen genom en kretsbrytare 18, och matarledningarna 14 och l6 är anslutna till samlingsledningen via respektive kretsbryt- are 20 och 22. Kretsbrytarna l8, 20 och 22 är anordnade med res- pektive utlösningsspolar 23, 24 och 25. När en av dessa utlös- ningsspolar magnetiseras utlöser den sin samhörande utlösnings- låsanordning, vilken tillåter samhörande kretsbrytare att öppna under påverkan av sin öppningsfjäder 27.

Utlösningsspolarna 23,24 och 25 är anslutna parallellt med varandra i en utlösningskrets 30 som innefattar de normalt öppna kontakterna 32 och ett hjälputlösningsrelä 34 i serie med utlösningsspolarna. När hjälpreläet 34 matas, slutes dess kon- takter 32 och kompletterar utlösningskretsen 30 för att mata utlösningsspolarna och således öppna kretsbrytarna.

Starkströmsystem av det slag som visas är ofta försedda med ett blixtöverspänningsskydd för att skydda systemet för över- 'spänningar vilka kan orsakas genom blixtnedslag och omkopplings- överspänningar. Ett sådant överspänningsskydd visas schematiskt vid 36 anslutet mellan samlingsledningen l0 och jord. Det visade överspänningsskyddet är av konventionell typ och innefattar serie- 7802399-1 kombinationen av ett gnistgap 38 och ett strömbegränsande mot- stånd 40, vilket företrädesvis har icke linjära resistivitets- egenskaper. Sådana motstånd är vanligen av kiselkarbidtyp, som det som säljes genom General Electric Company under varumärket Thyrite. Om en allvarlig överspänningsstöt skulle uppträda på samlingsledningen l0, slår en gnista över på gapet 38 när sam- lingsledningen-till-jordspänningen stiger över en förutbestämd nivå, varvid sålunda överspänningen avledes genom överspännings- skyddet innan en överdrivet hög spänning kan utvecklas. En effekt- ström flyter genom överspänningsskyddet vilken följer begynnel- segnistöverslaget hos gapet, men denna genomföljström är begrän- sad genom det icke linjära motståndet 40. Vanligen kommer efter omkring en halv period (matningsströmfrekvens) genomföljströmmen att avbrytas via gapet 38, vilket återställer starkströmskretsen till normal funktion. Ytterligare hänvisning kommer_hädanefter att göras till blixtavledningsfunktion.

För att skydda starkströmskretsen l0-16 från skador här- rörande från fel vilka inträffar på samlingsledningen 10, är anordnat ett differentialskyddsarrangemang 50. Detta differen- tialskyddsarrangemang innefattar ett flertal strömtransformator- sekundärlindningar 52, 53 och 54 effektivt anslutna parallellt, i en konventionell differentialkrets 60. Partiet av starkströms- kretsen beläget mellan lindningarna 52, 53 och 54 hänföres till som den skyddade zonen hos starkströmskretsen, och vilket som helst fel som inträffar inom denna zon mellan starkströmskretsen och jord hänföres till som ett internt fel. Så länge som på det hela taget vektorsumman av strömmarna som flyter in i och ut ur den skyddade zonen av starkströmskretsen är lika med 0, utvecklas ingen spänning över anslutningarna 70 och 72 i differentialkret- sen. Men om ett inre fel skulle utvecklas, t.ex. vid punkten X är denna summa ej längre lika med 0, och en spänning utvecklas över anslutningen 70 och 72 vilken varierar direkt med stor- leken av felström. Denna spänning över anslutningarna 70, 72' utnyttjas för att styra ett skyddsrelä 75, vilket relä kan vara av konventionell telefontyp, och som har en uppsättning av nor- malt öppna kontakter 76 anslutna i en hjälputlösningsstyrkrets 77. När det skyddande reläet 75 styrs för att sluta sina kontak- ter, fullständigas hjälputlösningskretsen 77. Denna styr hjälp- reläet 34, vilket åstadkommer utlösning av de tre kretsbrytarna 7802399-1 18, 20 och 22 att därvid isolera den felaktiga samlingsled- ningen 10 från återstoden av starkströmssystemet.

För att utnyttja spänningen över anslutningarna 70 och 72 för att styra reläet 75, finns anordnat en styrkrets 79 som omfattar ett högpassfilter innefattande en seriekombination av en ingångskondensator 80 och en induktans 82 ansluten över an- slutningarna 70 och 72. Anslutet över induktansen 82 är serie- kombinationen av två motstånd 83 och 84 vilka verkar som en spän- ningsdelare.

Styrkretsen 79 innefattar vidare en likriktad brygga 85 vars ingàngsanslutningar är förbundna över motstånd 84 genom ett annat motstånd 86. över utgångsanslutning 88 och 90 pâ likrik- tarbryggan är anslutet en seriekombination av ett justerbart motstånd 92 och styrspolen 93 för reläet 75. över anslutningarna 88 och 90 och parallellt med seriekombinationen 92, 93 finns även anordnat en zenerdiod 95 vilken tjänar ett viktigt syfte, vilket kommer att beskrivas nedan i detalj.

Den utvecklade spänningen V1 över ingångsanslutningarna 70 och 72 som gensvar på ett fel eller jord i den skyddade zonen kommer att vara en växelspänning, och spänningen V2 vilken utveck- las över utgångsanslutningarna 88, 90 på likriktaren 85 kommer att vara en likriktad spänning. För relativt låga spänningar V1 kommer den enkelriktade spänningen V2 som utvecklas över utgångs- anslutningarna 88, 90 på likriktaren att vara väsentligen pro- portionell mot V1. Denna likriktade spänning V2 pålägges serie- kombinationen av justerbart motstånd 92 och reläspolen 93 och kommer att aktivera reläet om den resulterande spänningen V0 över reläspolen 93 befinner sig över en förutbestämd minimiak- tiveringsnivâ VP u_.

Om V2 uppnår en förutbestämd nivå, kommer zenerdioden 95 omedelbart och effektivt att bryta över, vilket medger tillräck- lig ström genom denna för att förhindra ytterligare förhöjning av spänningen V2. Denna förutbestämda spänningsnivå hänföres här till som zenerspänningen. Sålunda gäller för spänningar V1 vilka resulterar i spänningar V2 under zenerspänningen hos zenerdioden 95, att spänningen V2 är väsentligen proportionell mot V1, men för spänningar V1 vid vilken som helst högre nivå, förblir den resulterande spänningen V2 väsentligen lika med zenerspänningen (betraktad på ögonblicksbas). 7802399-1 Zenerdioden 95 väljes så, att dess zenerspänning är nå- got högre än värdet på V2 som resulterar i en spänning V0 lika med minimiaktiveringsnivån VP u_ för reläet 75. Sålunda kommer reläet 75 att aktiveras vid spänningar V2 något under zener- spanningen.

Som resultat av förhållandet som beskrivits i de två o- medelbart föregående paragraferna, så kommer reläet att aktive- ras vid de högre värdena på V] på en tid som är endast något mindre än tiden som erfordras för aktivering när V] alstrar en spänningssignal V0 lika med minimiaktiveringsspänningen Vp_u .

Utan zenerdioden skulle aktiveringstiden vid de högre värdena på V] vara mycket mindre än den som alstras när V1 ligger på en ni- vå som alstrar minimiaktiveringsspänning Vp_u_ I t.ex. en typisk styrkrets sådan som visas men utan zenerdioden 95 är aktiverings- tiden när V] är l0 gånger den som erfordras för aktivering om- kring 0,5 gånger den vid l,5 gånger aktivering. Med zenerdioden närvarande är detta förhållande över 0,7. a l Blixtöverspänningsskyddet 36 ger vid funktion genomfölj- strömmar vilka resulterar i spänningar V1 som är mycket högre än de som erfordras för att aktivera reläet 75. T.ex. kan dessa spän- ningar V1 vara så höga som l0 gånger de som erfordras för att åstadkomma reläaktivering. Blixtöverspänningsskyddet själv undan- röjer i allmänhet denna genomföljström inom en halv period som följer på begynnelsegnistöverslag. Därför är det icke nödvändigt att öppna kretsbrytarna 18,20 och 22 för att avbryta denna ström och följaktligen bör reläet 75 ej arbeta som gensvar på en sådan genomföljström. Det är möjligt att förhindra reläet från att ak- tiveras som gensvar på en sådan genomföljström: (l) genom att an- ordna zenerdioden 95, vilken begränsar V2 under blixtöverspännings- skydd-genomföljströmtillstånd till en förutbestämd zenerspänning och (2) genom att anordna ett relä som har en tillräckligt lång aktiveringstid så att det ej har tid att drivas som gensvar på spänningen V2 alstrad genom blixtöverspänningsskydds-genomfölj- ström vilken pålägges för den karakteristiska perioden som ge- nomföljström flyter t.ex. en halv period.

Aktiveringstiden bör vara tillräckligt kort för att ge snabb drivning av reläet om ström av denna storlek flyter under en längre period än en halv period, men för att ge säkerhetsmar- ginal för att garantera mot felaktig funktion och för att ge ut- 7802399-1 rymme för elektriska konstanter och mekanisk tröghet, bör re- läet ha en aktiveringstid avsevärt längre än en halv period under genomföljström-villkor. Ett typiskt värde är omkring en till en och en halv perioder starkströmsfrekvens när drivele- mentet 93 matas av värdet på V0 som föreligger när V] är 5 gånger värdet V1 som erfordras för att alstra en spänning V0 lika med minimiaktiveringsspänningen Vp_u .

Vi antar att reläet har en aktiveringstid sådan som be- skrivits i det omedelbart föregående stycket, och zenerdioden ej var närvarande, så skulle för lägre värden på V] (som l,5 el- ler 2 gånger det värde som erfordras för reläaktivering) en extremt lång tid erfordras för att åstadkomma reläaktivering (t.ex. omkring 2 gånger det som erfordras för de högre värdena på V1 alstrade genom blixtöverspänningsskydd-genomföljström).

Genom att dock inbegripa zenerdiod 95 och i synnerhet en zener- diod vilken begränsar värdet på V2 som utvecklas under blixt- överspänningsskydd-genomföljströmmar till väsentligen zenerspän- ning, är det möjligt att mycket kraftigt reducera detta förhål- lande, t.ex. ner till omkring l,38. Följaktligen kan man anord- na ett relä som har tillräckligt lång aktiveringstid för att förbli inaktivt vid gensvar på typiska blixtöverspänningsskydds- genomföljströmmar och ändå kan bli gensvar utan överdriven för- dröjning på mycket lägre strömmar som de som alstrar en spänning V] av endast l,5 gånger den som erfordras för reläaktivering.

För ett givet värde av V1 vilket är pålagt innan genom- brott av zenerdiod 95, är det önskvärt att V2 under stationära tillstånd generellt skall vara lika med V2 under transienta till- stånd som de som inträffar under ett högströmsfel. För att åstad- komma denna verkan bör resistansen hos motstånd 92 vara så hög som möjligt. I en typisk utföringsform har motståndet 92 resi- stansen l.500 ohm, reläspolen 93 en resistans av 400 ohm, och motstånden 86 har en resistans av 53 ohm.

Spänningsnivån hos spänningen V1 som erfordras för att aktivera reläet 75 kan ändras genom att justera värdet hos det justerbara motståndet 92. Sådana justeringar används för kalibre- ringsändamâl för att åstadkomma mindre ändringar i aktiverings- nivån hos reläet. För att åstadkomma större ändringar i nivån hos V1 vilket erfordras för aktivering, göres justeringar i värdet på motståndet 84, vilket för sådana ändamål kan vara en reostat. 7ao2s99-1 Fördelen av att utföra större ändringar i aktiveringsspänningen genom att förlita sig på justeringar av motståndet 84 i stället för motståndet 92 är att en sådan lösning medger att man håller å tidkonstanten för kretsen 92, 93 att bibehållas i huvudsak kon- stant vid det önskade låga värdet, medan däremot sådana ändring- ar i motståndet 84 faktiskt ändrar Q-värdet hos filtret 80, 82, så är dessa ändringar i Q-värdet små och i huvudsak försumbara.

Den maximala totala resistansen hos motstånden 86 och 92 bestäm- mes genom minimiströmmen som erfordras för reläaktivering. Som påpekats ovan är det önskvärt att maximera resistansen hos mot- ståndet 92. Detta resulterar i att man använder ett motstånd 86 som har relativt låg resistans jämfört med den hos motståndet 92.

Syftet med motståndet 86 är att begränsa effektförbruk- ningen i zenerdioden när den bryter över vid höga nivåer på in- gångsspänning Vi. Även om motståndet 86 visas på ingångssidan av likriktaren 85 kan det likväl vara beläget på utgångssidan, t.ex. mellan anslutningen 90 och förbindningspunkten 91. I endera fal- let kan motståndet 86 anses vara effektivt anslutet i serie med zenerdioden 95, betraktad med hänsyn till matningen via spänning- en V1 eller spänningen som uppträder över filterelementet 82.

I denna typiska utföringsform hänvisad till ovan, har ze- nerdioden en zenerspänning av 27 volt. Kondensatorn 80 har en kapacitans av omkring 1,5 mikrofarad, spolen 82 har en induktans av omkring 8 Henry och motstånden 83 och 84 har resistanser av respektive omkring 2000 och 130 ohm. Ändamålet med högpassfiltret 80, 82 är att filtrera ut den aperiodiska komponenten från den totala signalen som pålägges ingângsanslutningarna 70 och 72 under yttre fel till den skyddade zonen hos starkströmkretsen, varvid sålunda reduceras möjligheten av reläfunktion som gensvar på sådana fel, vilken funktion ej är önskvärd. Ett sådant yttre fel visas schematiskt vid Y. Efter- som huvudmängden av energin som innehålles i den aperiodiska komponenten innefattas i ett frekvensband som sträcker sig från noll till väl under starkströmsfrekvens (60 Hz) är det endast nödvändigt att dämpa frekvensen väl under 60 Hz, t.ex. under 40 Hz. Detta kan högpassfiltret göra ganska effektivt. 7802399-1 Ett högpassfilter på denna plats i kretsen har ett antal betydande fördelar i förhållande till ett jämförbart bandpass- filter (t.ex. ett som har lika dämpning vid en lämplig låg frek- vens t.ex. 25 Hz, och ingen dämpning vid 60 Hz. En sådan fördel är att högpassfiltret hat ett betydligt lägre Q-värde, vilket ger en mindre fördröjning vilket bidrar till snabbare fördröj- ningsfunktion. En annan är att högpassfiltret ger högre dämp- ning vid lägre frekvenser. Ytterligare en fördel är att högpass- filtret ej ger dämpning av övertonerna till 60 Hz, vilket band- passfiltret gör, varvid medges att mer av ingångsenergin till filtret släppes igenom till reläet, och sålunda kan man tillåta användning av mindre effektiva (och sålunda mindre dyra) ström- transformatorer 52, 53, 54.

För att åstadkomma en dynamisk hållning för reläet 75 vilken orsakar reläet när det en gång har aktiverats, att för- bli aktiverat tills spänningen V1 faller till någon nivå som är mycket lägre än den som erfordras för begynnelseaktiveringen, är anordnat ett relä med en uppsättning normalt öppna hållkontakter 98 anslutna i en shuntkrets 99 runt en del av motståndet 83. Ak- tivering av reläet sluter hållkontakterna 98, vilket komplette- rar shuntkretsen 99. Detta resulterar i, att en större procent- andel av spänningen V1 pålägges ingångsanslutningarna av likrik- taren 85, vilket sålunda får reläet 93 att förbli aktiverat trots att V1 sjunker till ett lägre värde än det som erfordras för be- gynnelseaktivering.

Under det att en speciell utföringsform av uppfinningen har visats, så är det uppenbart för fackmannen att olika ändring- ar och modifieringar kan göras utan avsteg från uppfinningen i dess vidare aspekt, och med bifogade patentkrav är avsett att täcka alla sådana ändringar och modifieringar vilka ligger inom uppfinningens grundtanke och ram.

Claims (5)

1. 7802399-1 10 PATENTKRAV l. Snabbdifferentialskyddsarrangemang för skydd av en stark- strömskrets från fel som är interna för en förutbestämd zon av starkströmskretsen, varvid nämnda starkströmskrets har till den- na i nämnda zon ansluten ett blixtskydd vilket är avsett att slå över som gensvar på en överspänning och att därefter medge en genomföljström att flyta därigenom vanligen under tider som är lika med eller mindre än en förutbestämd maximiperiod, vilken anordning är k ä n n e t e c k n a d av a) organ (52, 53, 54) för alstring av en första spänning (Vi) vilken varierar direkt med vektorsumman av de strömmar som flyter in i och ut ur nämnda zon, b) att ett filter (80, 82) matas av nämnda första spänning (V1) och alstrar en andra spänning som generellt är fri från en aperiodisk komponent av nämnda första spänning, c) ett likriktarorgan (85) vilket matas via nämnda andra spänning och vilket har utgångsanslutningar (88, 90) över vilka en likriktad tredje spänning (V2), vilken varierar direkt i storlek med nämnda andra spänning, alstras, d) ett relä (75) som har ett drivelement (93) anslutet över utgângsanslutningarna (88, 90) på nämnda likriktarorgan (85) för matning genom nämnda tredje spänning (V2), e) en zenerdiod (95) ansluten över utgångsanslutningarna (88, 90) på nämnda likriktarorgan (85) parallellt med nämnda relädrivelement (93), f) varvid nämnda relä (75) är aktiveringsbart när spänning- en V0 vilken alstras via nämnda tredje spänning över nämnda drivelement (93) är lika med eller större än en förutbestämd minimiaktiveringsnivå VP u_ men förblir inaktiv vid lägre värden på V0, 7 _ q) varvid nämnda zenerdiod har en zenerspänning som är nå- got högre än värdet av en spänning som pålägges denna och re- sulterar i en spänning V0 som är lika med nämnda förutbestämda minimiaktiveringsnivå vilken pålägges nämnda drivelement, h) varvid nämnda zenerspänning är tillräckligt låg så att under blixtöverspänningsgenomföljström den spänning som utveck- las över nämnda zenerdiod i huvudsak är lika med nämnda zener- 7802399-1 ll spänning, och i) att nämnda relä har tillräckligt lång aktiveringstid för att förhindra reläfunktion som gensvar på blixtskyddsfunktion som resulterar i genomföljströmmar vilka varar under tider som är lika med nämnda förutbestämda maximiperiod.

2. Differentialskyddsarrangemang enligt krav 1, k ä n - n e t e c k n a t av att a) ett första motstånd (92) är anslutet i serie med nämnda relädrivelement (93) över nämnda zenerdiod (95), b) ett andra motstånd (86) är anslutet i serie med nämnda zenerdiod (95) och nämnda första motstånd (92) för matning via nämnda andra spänning och verksamtbegränsandeeffektförbruk- ningen hos nämnda zenerdiod vid dess brytpunkt, och c) nämnda första motstånd (92) har ett högt värde på resistans jämfört med resistansen hos nämnda andra motstånd (86).

3. Skyddsarrangemang enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att betraktat på ögonblicksbas a) nämnda tredje spänning (V2) varierar i storlek direkt med nämnda första spänning (V1) så länge som nämnda tredje spänning är otillräcklig att orsaka genombrott hos nämnda zener- diod (95) och b) nämnda tredje spänning förblir i huvudsak konstant efter genombrott hos nämnda zenerdiod trots ökningar hos nämnda första spänning (V1) över ett värde som åstadkommer genombrott hos nämnda zenerdiod.

4. Skyddsarrangemant enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att ett motstånd (86) är anslutet i serie med parallellkom- binationen av nämnda zenerdiod (95) och nämnda drivelement (93), betraktad med hänsyn till matningen vid nämnda andra spänning.

5. Skyddsarrangemang enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda relä (75) har en aktiveringstid av omkring en till en och en halv period av kraftfrekvensströmmen när nämnda drivelement (93) matas genom värdet V0 som föreligger när nämnda första spänning (V1) är 5 gånger värdet på V1 vilket erfordras att alstra VP u . ANFORDÅ PUBLIKATIONER: