Спосіб захисту електромережі від короткого замикання

Реферат: UA 79148 U UA 79148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки та призначена для захисту електромережі від коротких замикань. Може бути використана переважно в електромережах дільниць вугільних шахт. В електромережах вугільних шахт захист від коротких замикань, як найбільш поширених аварійних режимів, використовується для запобігання виникнення пожеж, вибухів метаноповітряної суміші, розплавлення струмопровідних фрагментів електроустановок. Задача такого захисту полягає у відключенні електромережі або її ушкодженого фрагмента від джерела живлення за найменший час при виникненні короткого замикання. В електромережах дільниць вугільних шахт для захисту від струмів короткого замикання використовуються автоматичні вимикачі, обладнані первинними електромагнітними реле максимального струму прямої дії [Колосюк В.П. Техника безопасности при эксплуатации рудничных электроустановок / В.П. Колосюк. - М.: Недра, 1987. - 407 с.], які включаються у фазу електромережі та містять струмову катушку, при проходженні по якій струму короткого замикання реле спрацьовує та відключає автоматичний вимикач шляхом впливу на механізм вільного розчеплення. До недоліків таких реле слід віднести низьку точність, що обумовлена нестабільністю параметрів механічної частини та наявністю механічних елементів (зокрема, стальних пружин). Відомо про використання в електромережах дільниць вугільних шахт напівпровідникового максимального струмового захисту ПМЗ [Справочник энергетика угольной шахты: В 2 т. / В.С. Дзюбан и др.; Под общ. ред. Б.Н. Ванеева. - Изд. 2-е, доп. и перераб. - Донецк: ООО "ЮгоВосток, Лтд", 2001. - Т. 1: 353-375 с.], принцип дії якого базується на контролі напруги на резистивному дільнику, який живиться від вторинних обмоток вимірювальних трансформаторів струму, що первинними обмотками включені у фази електромережі. При виникненні в електромережі струму короткого замикання напруга на вказаному резистивному дільникові перевищує напругу стабілізації стабілітрона, завдяки чому сигнал керування, через активноємнісний фільтр, два проміжні тиристори та електромагнітне реле, подається на незалежний розчеплювач автоматичного вимикача, відключаючи останній. До недоліків такого способу захисту слід віднести низьку точність, що обумовлена температурною нестабільністю параметрів непівпровідникових елементів схеми та наявністю у схемі реактивних елементів (ємностей). Відомо спосіб максимального струмового захисту електроустановок [патент RU 2259622, Н02Н 3/08, опубл. 27.08.2005, бюл. № 24], який полягає у вимірюванні струму мережі, його аналого-цифровому перетворенні, безперервному визначенні діючої величини струму через рівні проміжки часу з часовим зсувом на величину чергового відліку, визначенні середньозваженого значення діючого струму відносно кожного інтервалу для кожної фази мережі та послідовній перевірці перевищення уставок по короткому замиканню. При наявності вказаного перевищення подається команда на виконавчий пристрій роз'єднувача автоматичного вимикача. Основними недоліками такого способу є низька точність через використання в якості інформаційного параметра діючої величини струму. Також відомо спосіб максимального струмового захисту [патент US 2008/0165461 А1, Н02Н 3/08, опубл. 10.07.2008], який передбачає вимірювання струму захисного пристрою мережі, генеруванні сигналу, що відповідає виміряному струму, оцінці накопиченого температурного навантаження захисного пристрою мережі на основі температурної характеристики вказаного пристрою та виміряного струму, та переривання струму, якщо накопичене температурне навантаження перевищує уставку. До недоліків такого способу слід віднести низьку точність, оскільки оцінка температурного навантаження захисного пристрою мережі проводиться опосередковано. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється, є спосіб захисту споживачів енергії мережі змінного струму від аварійних режимів роботи [патент RU 2263382 С2, Н02Н 3/38, опубл. 27.10.2005, бюл. № 30], який полягає в тому, що визначають поточні значення відносного часового зсуву фаз між фазними напругами, що живлять споживача, та струмами, що споживаються від мережі, в будь-якій їх комбінації, порівнюють ці поточні значення з припустимими значеннями зсуву фаз та відключають споживача від мережі, якщо яке-небудь з визначених поточних значень відносних часових зсувів фаз виходить за межі заздалегідь встановленого діапазону припустимих значень зсуву фаз. Основний недолік вказаного способу - низька точність, оскільки, при наявності зовнішніх перешкод, що спотворюють криві струму та напруги, вимірювання зсуву фаз буде проведено з суттєвою похибкою. Крім того, точність знижується через фіксацію зсуву фаз за моментами часу зміни напрямку струмів живлення споживача та за моментами зміни полярності напруг, оскільки при наявності у кривих струмів та напруг високочастотних складових вказаний зсув фаз буде 1 UA 79148 U 5 10 15 зафіксовано невірно. До зниження точності також призводять зовнішні збурюючі впливи та несиметрія системи напруг живлячої мережі, що підвищує імовірність хибного відключення споживача від мережі. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу захисту електромережі від короткого замикання, в якому підвищення точності досягається за рахунок контролю величини зсуву фаз між просторовими векторами лінійних напруг та струмів електромережі. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відомому способі захисту електромережі від короткого замикання, який передбачає визначення момента короткого замикання за виходом з припустимих меж зсуву фаз між напругами та струмами електромережі, згідно корисної моделі, зсув фаз вимірюють між просторовими векторами лінійних напруг та струмів електромережі, і при перевищенні вказаним зсувом фаз уставки передають сигнал на відключення електромережі. Причинно-наслідковий зв'язок суттєвих ознак корисної моделі з технічним результатом. Просторовий вектор лінійних напруг трифазної трипровідної електромережі визначається наступним чином: 2 u  uab  e j120   ubc  e j240   uca , (1) 3 де uab , ubc , uca - лінійні напруги між першою-другою, другою-третьою та третьою-першою фазами електромережі відповідно. Просторовий вектор лінійних струмів електромережі дорівнює: 2 i  ia  e j120   ib  e j240   ic , (2) 3 де ia , ib , ic - лінійні струми першої, другої та третьої фаз електромережі відповідно. Кут повороту просторового вектора лінійних напруг відносно дійсної осі комплексної  20    площини дорівнює головному значенню аргумента комплексної величини u , а саме: u  arg u . (3) Кут повороту просторового вектора лінійних струмів відносно дійсної осі комплексної площини дорівнює головному значенню аргумента комплексної величини i , а саме: i  arg i . (4) Зсув фаз між просторовими векторами лінійних напруг та струмів електромережі дорівнює: , якщо   0 , (5)         2        2, якщо   0 де   u  i - алгебраїчна різниця між кутами повороту u та i , що обраховуються згідно  25  30 35 40 45 50 (3) та (4) відповідно;  - одинична ступінчаста функція (функція Хевісайда) від  . Підвищення точності способу захисту електромережі від короткого замикання, що заявляється, досягається тим, що для визначення момента виникнення короткого замикання достатньо контролювати величину зсуву фаз між просторовими векторами лінійних напруг та струмів електромережі, що обраховується згідно (5) на основі даних, отриманих згідно (3) та (4), причому при перевищенні вказаним зсувом фаз уставки передають сигнал на відключення електромережі. На фіг. 1 зображена трифазна електромережа з функціональними блоками пристрою реалізації способу, що заявляється. Електромережа включає першу 1, другу 2 та третю 3 фази та складається з силового трансформатора 4, до вторинної обмотки якого за допомогою комутаційного апарата 5 та кабеля 6 (з активними опорами 7 та індуктивностями 8 жил) під'єднаний асинхронний двигун 9, причому трифазне коротке замикання виникає в точці 10 електромережі. Пристрій 11 реалізації способу, що заявляється, містить датчики струму 12, 13, 14, що вимірюють струм першої 1, другої 2 та третьої 3 фази електромережі відповідно, та датчики напруги 15, 16, 17, які вимірюють лінійну напругу між першою-другою, другою-третьою та третьою-першою фазами електромережі відповідно. Сигнали u12, u13, u14 з виходів датчики струму 12, 13, 14 відповідно, що відповідають миттєвим значенням лінійних струмів першої, другої та третьої фаз електромережі, надходять на перший, другий та третій входи функціонального блоку 18 обчислення просторового вектора лінійних струмів електромережі згідно (2). Сигнали u15, u16, u17 з виходів датчики напруги 15, 16, 17 відповідно, що відповідають миттєвим значенням лінійної напруги між першою-другою, другою-третьою та третьою-першою фазами електромережі, надходять на перший, другий та третій входи функціонального блоку 19 2 UA 79148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 обчислення просторового вектора лінійних напруг електромережі згідно (1). Сигнал u18 з виходу функціонального блоку 18, що відповідає комплексним значенням просторового вектора струмів, надходить на вхід функціонального блоку 20 обчислення головного значення аргумента комплексної величини i згідно (4). Сигнал u19 з виходу функціонального блоку 19, що відповідає комплексним значенням просторового вектора напруг, надходить на вхід функціонального блоку 21 обчислення головного значення аргумента комплексної величини u згідно (3). Сигнали u20 та u21 з виходів функціональних блоків 20 та 21 відповідно, які відповідають кутам повороту просторових векторів струмів та напруг відповідно відносно дійсної осі комплексної площини, надходять на інверсний та прямий відповідно входи суматора 22, сигнал u22 з виходу якого, що відповідає алгебраїчній різниці між кутами повороту просторових векторів напруг та струмів електромережі відповідно, надходить на вхід блоку 23 обрахування зсуву фаз між просторовими векторами напруг та струмів електромережі згідно (5). Сигнал u23 з виходу блоку 23, що відповідає визначеним за миттєвими значеннями лінійних напруг та лінійних струмів електромережі величинам зсуву фаз між просторовими векторами напруг та струмів електромережі, подається на другий вхід функціонального блоку порівняння 24, на перший вхід якого подається сигнал u25 з виходу задатчика 25 уставки за зсувом фаз (уст). До виходу функціонального блока 19 також підключено блок 26 обчислення модуля u просторового вектора напруги, вихід якого підключено до другого входа блока порівняння 27, на перший вхід якого подається сигнал u28 з виходу задатчика 28 уставки за напругою (uуст). Виходи блоків 27 та 24 підключені відповідно до першого та другого входів блоку 29 логічної функції "ТАК". Сигнал u29 з виходу функціонального блоку 29 передається на відключення електромережі комутаційним апаратом 5. Реалізація способу захисту електромережі від короткого замикання пояснюється діаграмами на фіг. 2. До момента t1 комутаційний апарат 5 ввімкнений і асинхронний двигун 9 працює в усталеному режимі, отримуючи живлення від трансформатора 4 через гнучкий кабель 6. На виходах датчиків струму 12, 13, 14 наявні сигнали u12, u13, u14 відповідно, що відповідають трифазній системі лінійних струмів фаз 1, 2, 3 електромережі. На виходах датчиків напруги 15, 16, 17 наявні сигнали u15, u16, u17 відповідно, що відповідають системі лінійних напруг (між фазами 1-2, 2-3 та 3-1) електромережі. Сигнали u20 та u21 на виходах блоків 20 та 21 відповідно, що вимірюють кути повороту просторових векторів струмів та напруг відносно дійсної осі комплексної площини як головні значення аргументів комплексних величин i та u (причому останні обраховуються в блоках 18 та 19 відповідно), змінюються пилоподібно від - до . Сигнал u22, що відповідає  та обраховується за допомогою суматора 22, змінюється дискретно від додатного до від'ємної значень, причому додатне значення u22 відповідає інтервалу, на якому кут повороту просторового вектора напруг перевищує кут повороту просторового вектора струмів (u>і), а від'ємне значення u22 відповідає інтервалу, на якому u