SE448589B

SE448589B - CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR PROTECTION OF A POWER CORD FOR ELECTRICAL DISTRIBUTION AND PROTECTION SYSTEM INCLUDING THE CIRCULAR ARRANGEMENTS

Info

Publication number: SE448589B
Application number: SE8202811A
Authority: SE
Inventors: L Jackson
Original assignee: Northern Eng Ind
Priority date: 1981-05-09
Filing date: 1982-05-05
Publication date: 1987-03-02
Also published as: SE8202811L; CH648158A5; DE3210802A1; GB2098417B; DE3210802C2; GB2098417A

Description

15 20 25 30 35 448 589 Företrädesvís omfattar kretsarrangemanget en isolerande transformator, som har en första lindning inkopplad över de motriktade likriktarelementen och har en andra lind- ning inkopplad mellan de nämnda två punkterna. Preferably, the circuit arrangement comprises an insulating transformer, which has a first winding connected over the opposite rectifier elements and has a second winding connected between the said two points.

En likströmskälla kan anordnas i ändamål att övervaka att pilotledarna är hela, varvid ett kapacitivt element är an- ordnat för att blockera den nämnda likströmmens flöde ut- om genom pilotledarna.A direct current source can be arranged for the purpose of monitoring that the pilot conductors are intact, wherein a capacitive element is arranged to block the flow of the said direct current out through the pilot conductors.

Uppfinningen innefattar ett fullständigt skyddssystem, där två likadana kretsarrangemang är anordnade vid var sitt läge på en matningsledning.The invention comprises a complete protection system, where two identical circuit arrangements are arranged at different positions on a supply line.

Varje summationstransformator kan ha sin primärlindning in- kopplad till strömtransformatormedel, som är induktivt kopplade till matningsledningen.Each summing transformer can have its primary winding connected to current transformer means, which are inductively connected to the supply line.

Skyddssystem kommer nu att beskrivas i utföringsexempelform för att illustrera uppfinningen med hänvisning till ritnin- garna.Protection systems will now be described in exemplary embodiments to illustrate the invention with reference to the drawings.

Figur 1 och 2 är kopplingsscheman som schematiskt visar olika utföringsformer av systemet.Figures 1 and 2 are circuit diagrams schematically showing different embodiments of the system.

Figur 3 och 4 är kopplingsscheman som visar ekvivalenta kretsar och spänningstillstånd för systemet i fig. 1 under olika operationsförhållanden.Figures 3 and 4 are circuit diagrams showing equivalent circuits and voltage states of the system of Figure 1 under different operating conditions.

I fig. 1 visas en matningsledning omfattande tre faser 10, T2, 14, som sträcker sig mellan två stationer, med i var- dera stationen ett skyddskretsarrangemang och varvid två pilottrådar 16, 18 sträcker sig mellan kretsarrangemangen och är anslutna mellan var sina två punkter 20, 22 i det ena arrangemanget och 24, 26 i det andra.Fig. 1 shows a supply line comprising three phases 10, T2, 14, which extend between two stations, with in each station a protection circuit arrangement and wherein two pilot wires 16, 18 extend between the circuit arrangements and are connected between their two points 20, 22 in one arrangement and 24, 26 in the other.

Kretsarrangemangen matas av var sin summationstransforma- 10 15 20 25 30 35 448 589 tor 28, där primärlindningen 30 har uttag, kopplade till lika ändar till strömtransformatorer 32, 34, 36, en för var och en av de tre faserna 10, 12, 14 i matningslednin- gen, varvid primärlindningens 30 motsatta ände eller ett annat uttag (ej visat) pâ primärlindningen 30 är kopplad till de hopkopplade motsatta ändarna hos strömtransforma-- torerna 32, 34 och 36.The circuit arrangements are each fed by a summing transformer 28, where the primary winding 30 has terminals connected at equal ends to current transformers 32, 34, 36, one for each of the three phases 10, 12, 14. in the supply line, the opposite end of the primary winding 30 or another socket (not shown) on the primary winding 30 being connected to the interconnected opposite ends of the current transformers 32, 34 and 36.

Summationstransformatorn är en känd anordning av ett slag, som är likadant som vad som under många år använts i skydds- system av den cirkulerande strömklassen för att möjliggö- ra antingen balanserade eller obalanserade strömmar i mat- ningsledningens fasledningar att reproduceras som enhetli- ga strömmar i transformatorns sekundärlindning.The summation transformer is a known device of a kind which is similar to that used for many years in protection systems of the circulating current class to enable either balanced or unbalanced currents in the phase lines of the supply line to be reproduced as uniform currents in the secondary winding of the transformer.

Summationstransformatorn kan vara så konstruerad, att den minimerar den belastning som pålägges på strömtransformato- rerna 32, 34, 36 genom pilotkretsen, genom val av impedans- nívåer, och summationstransformatorn isolerar strömtransfor- matorerna från pilotkretsen, så att de förra kan jordas un- der det att pilotledarna ej är jordade. Summationstransfor- matorn 28 har vederbörlig 5 kilovolt isolering vid 38.The summing transformer can be designed to minimize the load imposed on the current transformers 32, 34, 36 by the pilot circuit, by selecting impedance levels, and the summing transformer isolates the current transformers from the pilot circuit, so that the former can be grounded below that the pilot conductors are not earthed. The summation transformer 28 has proper 5 kilovolt insulation at 38.

Kretsarrangemangen vid de båda stationerna är likadana, och endast en av dem behöver beskrivas.The circuit arrangements at the two stations are the same, and only one of them needs to be described.

Arrangemanget omfattar till vänster två element, en halvle- darlikríktare 40 och ett motstånd 42, som är parallellkopp- lade och förbinder summationstransformatorns 28 sekundär- lindnings 44 ena ände med punkten 20, under det att två li- kadana element 40 och 42 förbinder sekundärlindningens and- ra ände med punkten 22.The arrangement comprises on the left two elements, a semiconductor rectifier 40 and a resistor 42, which are connected in parallel and connect one end of the summing transformer 28 to the point 20, while two identical elements 40 and 42 connect the end of the secondary winding. end of paragraph 22.

Punkterna 20, 22 är förbundna med ömsesidigt lika, motrikta- de halvledar-likriktare 48, 50, som är seriekopplade, så att lindningen 44 är inkopplad över punkterna 20, 22 och över -de två likriktarna 48, 50. 05 10 15 20 25 30 35 448 589 4 Lindningen 44 har ett mittuttag 52, och ett relä med draget ankare har sin spole 54 inkopplad mellan uttaget 52 och en punkt 56, som ligger mellan likriktarna 48, 50. Reläet har kontakter vid 58, vilka är kopplade till en utlösningsspole vid 59 till en kretsbrytare, som är anordnade att öppna kon- takter 6l för att urkoppla matningsledningen vid detektion av inre feltillstànd.The points 20, 22 are connected to mutually equal, opposite semiconductor rectifiers 48, 50, which are connected in series, so that the winding 44 is connected across the points 20, 22 and over the two rectifiers 48, 50. The winding 44 has a central terminal 52, and a relay with the drawn armature has its coil 54 connected between the terminal 52 and a point 56, which lies between the rectifiers 48, 50. The relay has contacts at 58, which are connected to a tripping coil at 59 to a circuit breaker, which are arranged to open contacts 61 to disconnect the supply line upon detection of internal fault conditions.

Ett icke-linjärt motstånd 62 är kopplat parallellt med relä- spolen 54.A non-linear resistor 62 is connected in parallel with the relay coil 54.

Likadana icke-linjära motstånd 64, 66 är kopplade parallellt med varsina halvor av sekundärlindningen 44.Similar non-linear resistors 64, 66 are connected in parallel with each half of the secondary winding 44.

Figur 2 visar en andra utföringsform av ett system, där kretsarrangemanget i. vardera stationen omfattar en isola- tionstransformator 70 med en primärlindning 72, kopplad i serie med de motriktade likriktarna 48, 50. Sekundärlind- ningen 74 i isolationstransformatorn 70 är uttagsförsedd, så att det finns ett urval av varvtal för sekundärlindningen som är inkopplad mellan punkterna 20, 22 (eller 24, 26).Figure 2 shows a second embodiment of a system, where the circuit arrangement in each station comprises an isolation transformer 70 with a primary winding 72, connected in series with the opposite rectifiers 48, 50. The secondary winding 74 in the isolation transformer 70 is socketed so that there is a selection of speeds for the secondary winding connected between points 20, 22 (or 24, 26).

Denna form av system medför i förhållande till systemet i Fig l följande fördelar: (i) ett ökat kombinationsval av pilotledningsmotstând och kapacitans blir tillgängligt genom användning av uttagen på transformatorns sekundärlindning 74; och (ii) den nödvändiga isoleríngsgraden för pilottrådarna be- _höver bara sträcka sig fram-till transformatorn 70, så att återstoden av kretsarrangemanget vid varje station kan ut- göras av standardkonstruktioner oberoende av isolationsnivân till jord för Ipilotledningen, vilken, typiskt kan vara 5 kilovolt eller 15 kV eller högre. 05 10 15 20 25 30 35 448 589 Figur 2 visar även ett ytterligare kännetecken, som är val- fritt men dock föredrages. Detta kännetecken innebär över- vakning av att pilotledarna är hela för att tillförsäkra att om pilotledarna blir brutna, kortslutna eller exempelvis kommer i kontakt med varandra, ett alarm aktiveras. Övervakningen sker med en likströmskälla vid den ena sta- tionen ("sändarstationen") och ett larmrelä vid den andra stationen ("mottagarstationen"). Innan övervakningskretsen kan fungera är det nödvändigt att ta bort två byglingar 75, varav den ena förenar anslutningen 20 med en serieanslutning 21 och den andra förenar en anslutning 24 och en seriean- slutning 25. Övervakningskretsen kopplas då på följande sätt: vid "sändarstationen" anslutes en likströmskälla 80 över exempelvis anslutningarna 20, 22, och en kondensator 76 inkopplas mellan anslutningarna 20, 21. Vid "mottagarsta- tionen" inkopplas ett larmrelä 81 genom ledningar 83, 85 mellan anslutningarna 24, 26, och en kondensator 77 inkopp- las mellan anslutningarna 24, 25.This form of system has the following advantages over the system of Fig. 1: (i) an increased combination of pilot line resistance and capacitance becomes available by using the terminals on the secondary winding 74 of the transformer; and (ii) the required degree of insulation for the pilot wires only needs to extend to the transformer 70, so that the remainder of the circuit arrangement at each station may be standard constructions independent of the ground level of insulation for the pilot line, which may typically be 5 kilovolts. or 15 kV or higher. 05 10 15 20 25 30 35 448 589 Figure 2 also shows an additional feature, which is optional but nevertheless preferred. This feature involves monitoring that the pilot conductors are intact to ensure that if the pilot conductors are broken, short-circuited or, for example, come into contact with each other, an alarm is activated. The monitoring takes place with a direct current source at one station ("transmitter station") and an alarm relay at the other station ("receiver station"). Before the monitoring circuit can function, it is necessary to remove two jumpers 75, one of which connects the connection 20 to a series connection 21 and the other connects a connection 24 and a series connection 25. The monitoring circuit is then connected as follows: at the "transmitter station" it is connected a direct current source 80 over, for example, the connections 20, 22, and a capacitor 76 are connected between the connections 20, 21. At the "receiver station" an alarm relay 81 is connected through lines 83, 85 between the connections 24, 26, and a capacitor 77 is connected between connections 24, 25.

I Fig 2 anger pilar de punkter, där ledningarna 82, 84, och 83, 85 samt kondensatorerna 76, 77 anslutes till anslutning- arna 20, 21, 22, 24, 25 och 26. Kretsarna och de medel, med vilka den övervakande likströmmen avkännes är ej visade.In Fig. 2, arrows indicate the points where the lines 82, 84, and 83, 85 and the capacitors 76, 77 are connected to the connections 20, 21, 22, 24, 25 and 26. The circuits and the means by which the monitoring direct current detected are not shown.

Därest likström användes såsom i Fig 2, kommer kondensato- rerna 76 och 77, vilka utgör integrerande del av övervak- ningskretsarna för övervakning av pilotledningarna, att blockera ett flöde av likström till sekundärlindningarna 74.Where direct current is used as in Fig. 2, the capacitors 76 and 77, which form an integral part of the monitoring circuits for monitoring the pilot lines, will block a flow of direct current to the secondary windings 74.

Resten av kretsarrangemangen i Fig 2 liknar den som beskri- vits i förhållande till Fig l och behöver ej upprepas. Sum- 'meringstransformatorernas primärlindningar, linjeströmtrans- formatorerna och kretsbrytarkontakterna, som visas i Fig 1, har ej medtagits i Fig 2, för enkelhets skull.The rest of the circuit arrangements in Fig. 2 are similar to those described in relation to Fig. 1 and need not be repeated. The primary windings of the summing transformers, the line current transformers and the circuit breaker contacts shown in Fig. 1 have not been included in Fig. 2, for simplicity.

OS _ 10 15 20 25 30 35 448 539 I de exempel på system som ovan beskrivits göres resistansen i pilotträdsslingan företrädesvis lika med ett förutbestämt värde (exempelvis 2000 ohm) genom att anordna justerresi- stans mellan anslutningen 20 (Fig 1) och resten av systemet åt vänster från anslutningen 20, och lika mycket justerresi- stans mellan anslutningen 24 och resten av systemet ät höger från anslutningen.In the examples of systems described above, the resistance in the pilot tree loop is preferably made equal to a predetermined value (for example 2000 ohms) by arranging the adjusting resistance between the connection 20 (Fig. 1) and the rest of the system. to the left of the connection 20, and the same amount of adjusting resistance between the connection 24 and the rest of the system is to the right of the connection.

I Fig 2 skulle denna justerresistans anordnas mellan den an- slutning, till vilken den övre änden av vänstra lindningen 72 är kopplad och resten av systemet åt vänster, och mellan den anslutning till vilken övre änden av den högra lindning- en 72 är kopplad och resten av systemet ät höger. Justermot- stånden är sålunda seriekopplade med pilottråden 16 och kan ha formen av varierbara motstånd eller kedjor av motstånd med borttagbara byglingar, parallellkopplade över motstånd- en, varvid justerresistansen är ändringsbar genom selektiv borttagning av byglingar.In Fig. 2, this adjusting resistance would be arranged between the connection to which the upper end of the left winding 72 is connected and the rest of the system to the left, and between the connection to which the upper end of the right winding 72 is connected and the rest of the system eat right. The adjusting resistors are thus connected in series with the pilot wire 16 and may be in the form of variable resistors or chains of resistors with removable stirrups, connected in parallel across the resistors, the adjusting resistance being changeable by selective removal of stirrups.

Figur 3 visar vid (a) och (b) de effektiva kretsar som är ekvivalenta med pilotkretsen i Pig 1 under successiva halv- cykler av växelström i sekundärlindningen 44 under feltill- ständ, som är externa i förhållande till matningsledningen.Figure 3 shows at (a) and (b) the efficient circuits equivalent to the pilot circuit of Pig 1 during successive half-cycles of alternating current in the secondary winding 44 under fault conditions, which are external to the supply line.

Figuren visar även den motsvarande spänningsfördelningen vid (a) och (b), varvid resistansen Ra hos motstânden 42 och 42 är likstor och vardera är större än halva värdet av summan av justermotstånden vid den lokala änden och den avlägsna änden och resistansen hos pilottrådarna.The figure also shows the corresponding voltage distribution at (a) and (b), the resistance Ra of resistors 42 and 42 being equal and each being greater than half the value of the summing resistors at the local end and the remote end and the resistance of the pilot wires.

Vid (c) visas i Fig 3 spänningen över pilotledarna vid X1 - X och Y1 - Y, reläspänningarna vid X1 - C och Yl - C; och reläspänningarna vid X - C och Y - C samtliga för successiva halvcykler. 05 10 15 20 25 30 35 448 589 Figur 3 visar att polariteten hos spänningen över vardera reläspolen 54 i varje halvcykel är motsatt den som erfordras för aktivering, så att reläerna förblir i odraget tillstånd.At (c) Fig. 3 shows the voltage across the pilot conductors at X1 - X and Y1 - Y, the relay voltages at X1 - C and Y1 - C; and the relay voltages at X - C and Y - C all for successive half cycles. Figure 3 shows that the polarity of the voltage across each relay coil 54 in each half cycle is opposite to that required for activation, so that the relays remain in the untrained state.

Denna spänning måste överskridas innan reläet kan fungera, så att det föreligger en inbyggd stabilitet i systemet.This voltage must be exceeded before the relay can operate, so that there is a built-in stability in the system.

Figur 4 visar de spänningar som uppträder i successiva halv- cykler i den effektiva krets som är ekvivalent med Fig l under inre feltillstând, då felet inmatas från båda ändar.Figure 4 shows the voltages that occur in successive half-cycles in the effective circuit equivalent to Figure 1 during internal fault conditions, when the fault is input from both ends.

Polariteterna hos spänningarna är nu sådana, att i vardera halvcykeln ström kan flyta genom spolarna 54 för att aktive- ra reläerna ooh utlösa de skyddande kretsbrytarna till mat- níngsledningen. Systemets reaktion på feltillstând beror således ej på polariteten av den halvcykeln, där feltill- ståndet uppträdde. Vardera reläet erhåller i motsvarighet till ett feltillstånd ström genom varje hel strömcykel. Det maximala tidsintervallet för att systemet skall utlösas un- derstiger sålunda vad som erfordras i system av känt slag, p g a de använda arrangemangen med asymmetriska halvvägs- kretsar, systemets reaktion på feltillstând förhindras under alternerande halvcykler (exempelvis under negativa halvcyk- ler), varvid reaktion tillåtes endast under de mellanliggan- de (positiva) halvcyklerna. Om sålunda ett feltillstånd uppträder vid en godtycklig punkt i en negativ halvcykel, så blir alltid början av strömflödet i reläerna fördröjd till någon punkt i den påföljande positiva halvcykelnl Under var- je godtycklig fullständig strömcykel erhöll då reläet ström under en tid av bara en halv cykel. Därmed blev reaktions- tiden hos systemet väsentligt större än den man får vid sys- tem, som utnyttjar föreliggande uppfinning.The polarities of the voltages are now such that in each half cycle current can flow through the coils 54 to activate the relays and trip the protective circuit breakers to the supply line. The system's response to fault conditions thus does not depend on the polarity of the half-cycle in which the fault condition occurred. Each relay, in the event of a fault condition, receives current through each entire current cycle. The maximum time interval for the system to be triggered thus falls below what is required in systems of known type, due to the arrangements used with asymmetric halfway circuits, the system's response to fault conditions is prevented during alternating half cycles (for example during negative half cycles), whereby reaction is only allowed during the intermediate (positive) half cycles. Thus, if a fault condition occurs at any point in a negative half cycle, then the beginning of the current flow in the relays is always delayed to some point in the subsequent positive half cycle. During each arbitrary full current cycle, the relay then received current for a period of only half a cycle. . Thus, the reaction time of the system became significantly greater than that obtained with systems utilizing the present invention.

Funktionen hos det system som visas i Fig 2 och 3 liknar den som beskrivits ovan. 05 10 15 20 25 30 35 448 589 De icke-linjära motständen 62, 64 och 66 begränsar spänning- arna över reläspolen 54 och över pilotledningarna 16, 18, därigenom att motståndens resistanser minskar då spänningen över dem ökar. Genom lämpligt val av komponentvärden hos transformatoruttag kan det ovan beskrivna skyddssystemet re- agera pâ följande feltíllstånd: jordning av envar av faserna 10, 12 eller 14; kortslutning mellan varje par av faser; och varje trefasfel.The function of the system shown in Figs. 2 and 3 is similar to that described above. The non-linear resistors 62, 64 and 66 limit the voltages across the relay coil 54 and across the pilot lines 16, 18, thereby decreasing the resistances of the resistors as the voltage across them increases. By appropriately selecting component values of transformer sockets, the protection system described above can respond to the following fault conditions: grounding of each of the phases 10, 12 or 14; short circuit between each pair of phases; and each three-phase error.

Där övervakningskretsar, som. visas i varje skyddskretsar- rangemang i Fig 2, kan om så föredrages användas i de krets- arrangemang som visas i Fig l. Kondensatorerna 76 skulle i så fall vara inkopplade mellan respektive punkter 20 eller 24 och líkriktare 48.Where monitoring circuits, such as. shown in each protection circuit arrangement in Fig. 2, may if preferred be used in the circuit arrangements shown in Fig. 1. The capacitors 76 would then be connected between respective points 20 or 24 and rectifiers 48.

Claims

10 15 20 25 30 35 448 589, Patent claim

Circuit arrangement_for protecting a supply line for electrical distribution and comprising a protection relay coil (54), two connections (20, 22) connectable to respective pilot conductors (16, 18) and a summing transformer (28) having a secondary winding (44) connected across the connections (20, 22) in series with a combination of elements with a semiconductor rectifier and a resistor element arranged parallel to each other, characterized in that opposite semiconductor elements (48, 50) in series are connected across the connections (20, 22; 24, 26) and that the opposite rectifier elements (48, 50) are connected to the secondary winding (44) via their respective mentioned combinations of elements (40, 42), and that the protection relay coil (54) is connected between a terminal (52) on the secondary winding (44) and a point (56) between the opposite semiconductor elements (48, 50).

Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the connections (20, 22; 24, 26) are directly connected to the opposite rectifier elements (48, 50).

Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the connections (20, 22; 24, 26) are indirectly connected to the opposite semiconductor-rectifier elements (48, 50) via an isolation transformer (70) with a first winding (72) connected. over the opposite rectifier elements (48, 50) and a second winding (74), which is connected over the connections (20, 22; 24, 26).

Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that a selection of sockets is arranged on the secondary winding (74).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a non-linear resistor (62) is connected in parallel with the protection relay coil (54). 10 15 20 448 589 W

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that two non-linear resistors (64, 66) are connected in series across the secondary winding (44), the socket (52) on the winding being connected to a point between the non-linear resistors (64, 66).

Protective system for a supply line for electrical distribution, characterized in that two identical circuit arrangements, each in accordance with any of the preceding claims, are arranged at different positions along the supply line (10, 12, 14), the summing transformer (28) in each arrangement has a primary winding (30) which is connected to current transformers (32, 34, 36) which are inductively connected to the supply line (10, 12, 14).

Protection system according to claim 7, characterized in that for monitoring the faultlessness of the pilot conductors (16, 18) a direct current source (80) is connected between the connections Q0, 22) at one station and an alarm relay (81) is connected across connections ( 24, 26) in the circuit arrangement at the second station and in that in each station a capacitor (76, 77) is connected between a connection (20; 24) and the remainder of the circuit arrangement.