Способ контроля и защиты электрических линий и устройство для его осуществления

Способ контроля и защиты электрических линий и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к распределению электрической энергии на летательных аппаратах, а именно к схемам защиты, осуществляющим автоматическое отключение, и непосредственно реагирующим на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров, и обеспечивающим после отключения дополнительную подачу контрольного и предупредительного сигналов.

Известен способ защиты электрических линий, основанный на использовании деформации (при нагреве) биметаллического элемента, в котором при протекании тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую, с последующим преобразованием в механическое перемещение. Этот способ основан на сравнении заданного значения номинального тока с текущим значением и выделении разности превышения над значением номинального тока. При превышении значения номинального тока происходит прерывание электрического контакта [1, 2, 3].

Известно устройство для защиты электрических линий, которое состоит из механического устройства включения, контактной группы, чувствительного элемента, состоящего из двух жестко соединенных между собой металлических пластин с различными температурными коэффициентами расширения [1, 2, 3].

Недостатками таких способа и устройства являются наличие контактов, зависимость времени срабатывания от температуры окружающей среды и охлаждения, малая информационность и управляемость, большие тепловая инерционность и время срабатывания (t_cp=0,02÷0,05 с), отсутствие возможности ограничения пусковых токов, ручное управление.

Технической задачей изобретения является обеспечение дистанционного контроля и управления электрическими линиями с повышением быстродействия, надежности и качества электроэнергии.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе контроля и защиты электрических линий, основанном на сравнении заданного значения номинального тока с текущим значением и выделении разности превышения над значением номинального тока, разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности ΔU×K производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности прерывают электрический контакт.

Способ реализуется в устройстве для контроля и защиты электрических линий, содержащем устройство включения, чувствительный и исполнительный элементы, в котором исполнительный элемент выполнен на полевом транзисторе, чувствительный элемент выполнен на низкоомном сопротивлении и в электрическую схему заявляемого устройства дополнительно включены микроконтроллер мультиплексной связи, устройства сравнения, устройство управления, дифференциально-функциональный усилитель, устройство формирования сигнала управления, ключ напряжения, дифференцирующее устройство.

Кроме того, заявляется вариант устройства для контроля и защиты в магистральных электрических линиях, в котором в отличие от описанного выше заявляемого устройства исполнительный элемент выполнен на двухоперационном тиристоре, а чувствительный элемент представляет собой трансформатор тока.

В сравнении с прототипом заявляемые способ и устройства для контроля и защиты электрических линий, в том числе магистральных, имеют следующие существенные отличительные признаки.

По способу - разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности ΔU×К производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности - .

По устройству - в качестве исполнительного элемента применен полевой транзистор, в качестве чувствительного элемента - низкоомное сопротивление, кроме того, в схему включены дифференциально-функциональный усилитель, пороговые устройства, ключ напряжения, устройство формирования сигнала управления, устройство управления, дифференцирующее устройство, микроконтроллер мультиплексной связи. Кроме того, по устройству (второй вариант) - в качестве исполнительного элемента применен двухоперационный тиристор, а в качестве чувствительного элемента - трансформатор тока.

Наличие существенных отличительных признаков в заявляемых способе и устройствах позволяет сделать вывод о соответствии их критерию изобретения "новизна". Несмотря на то что все элементы схемы известны из уровня техники, только в данных устройствах появляется возможность при их использовании обеспечить дистанционный контроль и защиту электрических линий с достаточной надежностью и повышенным быстродействием.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, позволяющего дистанционно управлять, контролировать и обеспечивать защиту электрических линий без использования контактных элементов, реагирующих на токовые перегрузки (нагрев) с повышением качества за счет сравнения заданного значения номинального тока с текущим значением и выделения разности превышения над значением номинального тока. При этом при превышении заданной величины разности происходит токоограничение, а при превышении заданной скорости изменения разности значения тока происходит выключение электроэнергии с выдачей контрольного сигнала отключения, что приводит к инвариантности системы электроснабжения.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для контроля и защиты электрических линий, на фиг.2 - то же, для магистральных электрических линий.

Устройство контроля и защиты электрических линий в мультиплексных системах распределения электроэнергии представляет собой двухконтурное, автоматическое устройство управления током потребителей электроэнергии.

В качестве исполнительного элемента 9 применяется полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа. Для контроля текущего значения тока I_T потребителя электрической энергии применяется датчик тока 10, на котором значение тока I_T потребителя преобразуется в напряжение U_дт(t), прямо пропорциональное этому току.

Первый контур управления представляет собой регулятор тока, включающий в себя:

- дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии, и напряжения U_oпop2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- устройство сравнения 7, на котором задается предел отклонения напряжения U_опор3 от U_опор2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- ключ напряжения 6, передающий сигнал ΔU(t)×K с дифференциально-функционального усилителя 8 на устройство формирования сигнала управления 5;

- устройство формирования сигнала управления 5, на котором формируется напряжение управления U_упр(t) для управления исполнительным элементом 9.

Второй контур представляет собой контур автоматической защиты в режиме короткого замыкания в электрической линии или потребителе, включающий в себя:

- дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии, и напряжения U_опор2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- дифференцирующее устройство 4, на котором определяется скорость изменения сигнала ΔU(t)×K, U_вых(t);

- устройство сравнения 2, на котором задается предел скорости изменения напряжения U_опор1, соответствующего величине текущей скорости тока I_т потребителя электрической энергии. Устройство сравнения 2 выдает сигнал короткого замыкания на устройство управления 3;

- устройство управления 3 формирует сигнал U_вкл, прямо пропорциональный сигналу U_си(I_ном), соответствующему открытому состоянию исполнительного устройства 9 для пропускания номинального значения тока потребителя при наличии сигнала включения в командном слове (КС) и формирования сигнала U_вкл=0 при наличии сигнала выключения в КС или сигнала КЗ от устройства сравнения 2.

Связь устройства контроля и защиты электрических линий в мультиплексных системах распределения электроэнергии с центральным устройством управления осуществляется по мультиплексной линии связи через микроконтроллер мультиплексной связи 1.

Устройства контроля и защиты магистральных электрических линий, в мультиплексных системах распределения электроэнергии представляют собой одноконтурное, автоматическое устройство управления током потребителей электроэнергии.

В качестве исполнительного элемента 9 применяется двухоперационный тиристор. Для контроля текущего значения тока I_т потребителя электрической энергии применяется датчик тока 10, на котором значение тока I_т потребителя преобразуется в напряжение U_дт(t), прямо пропорциональное этому току.

Устройство представляет собой контур автоматической защиты в режиме короткого замыкания в магистральной электрической линии, включающий в себя:

- дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии, и напряжения U_опор2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- дифференцирующее устройство 4, на котором определяется скорость изменения сигнала ΔU(t)×К, U_вых(t);

- устройство сравнения 2, на котором задается предел скорости изменения напряжения U_опор1, соответствующего величине текущей скорости тока I_т потребителя электрической энергии. Устройство сравнения 2 выдает сигнал короткого замыкания на устройство управления 3 и ключ напряжения 6;

- устройство управления 3 формирует сигнал U_вкл, соответствующий открытому состоянию исполнительного устройства 9 для пропускания номинального значения тока потребителей при наличии сигнала включения в командном слове (КС) и формирования сигнала U_вкл=0 при наличии сигнала выключения в КС или сигнала КЗ от устройства сравнения 2;

- ключ напряжения 6 выдает сигнал на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_выкл при наличии сигнала КЗ. Устройство формирования сигнала управления 5 выдает на исполнительный элемент 9 сигнал U_упр=-U_выкл.

Связь устройства контроля и защиты магистральных электрических линий в мультиплексных системах распределения электроэнергии с центральным устройством управления осуществляется по мультиплексной линии связи через микроконтроллер мультиплексной связи 1.

В статическом состоянии на устройство контроля и защиты электрических линий подается только напряжение питания. При отсутствии сигнала на включение по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 не выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение". При отсутствии сигнала КС "включение" устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл=0. Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал U_упр=0, исполнительный элемент 9 закрыт (имеет максимальное сопротивление). При этом ток через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электрической энергии 11 не протекает, I_т=0.

Кроме того, в статическом состоянии на устройство контроля и защиты магистральных электрических линий подается только напряжение питания. При отсутствии сигнала на включение по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 не выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение". При отсутствии сигнала КС "включение" устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл=0. Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал U_упр=0, исполнительный элемент 9 закрыт (имеет максимальное сопротивление). При этом ток через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электрической энергии 11 не протекает, I_т=0.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

При получении командного слова (КС) "включение" по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение", и при отсутствии сигнала блокировки с устройства сравнения 2 устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл

Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал

на включение исполнительного элемента 9 до величины тока, равного номинальному значению. При этом ΔU×K=0. При протекании тока через чувствительный элемент 10 с него снимается сигнал U_дт, пропорциональный протекающему току, который подается на дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит определение разности между сигналами с чувствительного элемента 10 U_дт и опорного сигнала, пропорционального номинальному значению тока

При изменении напряжения питания U_пит на исполнительном элементе 9 стоковая характеристика исполнительного элемента 9 меняет свое положение. При этом меняется крутизна стоковозатворной характеристики. Для компенсации изменения крутизны стоковозатворной характеристики при изменении напряжения питания U_пит на исполнительном элементе 9 на дифференциально-функциональном усилителе 8 производится коррекция разностного сигнала на коэффициент К:

где K=a-b×U_пит

a, b - коэффициенты полиномиальной регрессии стоковозатворной характеристики исполнительного элемента 9 при изменении напряжения питания U_пит. Разностный сигнал ΔU(t)×K с дифференциально-функционального усилителя 8 поступает одновременно на ключ напряжения 6 и устройство сравнения 7. На устройстве сравнения 7 разностный сигнал ΔU(t)×K сравнивается с сигналом U_опор3, который пропорционален допустимому отклонению текущего тока от номинального значения. При превышении сигнала ΔU(t)×K над сигналом U_опор3 с устройства сравнения 7 выдается сигнал на включение ключа напряжения 6 и разностный сигнал ΔU(t)×K подается на устройство формирования сигнала управления 5. На устройстве формирования сигнала управления 5 происходит коррекция сигнала U_упр

Скорректированный сигнал U_упр(t) с устройства формирования сигнала управления 5 подается на исполнительное устройство 9, которое, меняя свое сопротивление, меняет значение текущего тока через чувствительный элемент 10 и потребитель электроэнергии 11. Таким образом, значение текущего тока через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электроэнергии 11 будет определяться допустимым отклонением текущего тока от номинального значения U_опор3. Для определения режима короткого замыкания и защиты системы электроснабжения от перегрузок разностный сигнал ΔU(t)×K подается на дифференцирующее устройство 4. На выходе дифференцирующего устройства 4 получается сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала Данный сигнал U_вых(t) поступает с дифференцирующего устройства 4 на устройство сравнения 2, сравнивается с сигналом U_опор1, который пропорционален значению тока короткого замыкания. При превышении сигнала U_вых(t) над сигналом U_опор1 с устройства сравнения 2 выдается сигнал на устройство управления 3, который в свою очередь снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала управления 5. При этом сигнал управления, передаваемый с устройства формирования сигнала управления 5 на исполнительный элемент 9, равен

исполнительный элемент 9 закрывается в ускоренном режиме, чем достигается повышенное быстродействие. При снятии сигнала U_вкл с устройства управления 3 выдается сигнал ответное слово (ОС) "отказ" через микроконтроллер мультиплексной связи 1 по МЛС в цифровое устройство управления системы электроснабжения.

В случае контроля и защиты магистральных электрических линий устройство (фиг.2) работает следующим образом.

При получении командного слова (КС) "включение" по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение" и при отсутствии сигнала блокировки КЗ с устройства сравнения 2 устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5, сигнал U_вкл. Устройство формирования сигнала управления 5 выдает сигнал U_упр

на исполнительный элемент 9. При протекании тока через исполнительный элемент 9 чувствительный элемент 10 и потребитель электрической энергии 11 с чувствительного элемента 10 снимается сигнал U_дт(t), пропорциональный протекающему току, который подается на дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит определение разности между сигналами чувствительного элемента 10 U_дт(t) и опорного сигнала, пропорционального номинальному значению тока

Для определения режима короткого замыкания и защиты системы электроснабжения от перегрузок разностный сигнал ΔU(t) подается на дифференцирующее устройство 4. На выходе дифференцирующего устройства 4 получается сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала Данный сигнал U_вых(t) поступает с дифференцирующего устройства 4 на устройство сравнения 2, сравнивается с сигналом U_опор1, который пропорционален скорости нарастания тока короткого замыкания. При превышении сигнала U_вых(t) над сигналом U_опор1 с устройства сравнения 2 выдается сигнал на устройство управления 3 и на ключ напряжения 6. Устройство управления 3 снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала 5, а ключ напряжения 6 выдает сигнал на устройство формирования сигнала управления 5, сигнал U_выкл. Устройство формирования сигнала управления 5 выдает на исполнительный элемент 9 сигнал U_упр

Исполнительный элемент 9 закрывается в ускоренном режиме, чем достигается повышенное быстродействие. При снятии сигнала U_вкл с устройства управления 3 выдается сигнал ответное слово (ОС) "отказ" через микроконтроллер мультиплексной связи 1 по МЛС в цифровое устройство управления системы электроснабжения.

Источники информации

1. Синдеев И.М. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Транспорт, 1982 г., с.239-246 (прототип).

2. Зонтов В.М., Куприн Б.В. Системы электроснабжения летательных аппаратов. М: ВВИА им. Н.Э.Жуковского, 1988 г., с.338-341 (прототип).

3. Красношапка М.М., Евсеев П.П., Овечкин В.А. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Воениздат, 1973 г., с.38-46 (прототип).

4. Половников Д.Е. Операционные усилители, принципы построения, теория, схемотехника. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., с.91-101.

1. Способ контроля и защиты электрических линий, основанный на выделении разности превышения тока над номинальным значением и сравнении с заданным значением отклонения, отличающийся тем, что разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности прерывают электрический контакт.

2. Устройство для контроля и защиты электрических линий, содержащее исполнительный и чувствительный элементы, устройство включения, и контактную группу, отличающееся тем, что в качестве исполнительного элемента применен полевой транзистор, а в качестве чувствительного элемента применено низкоомное сопротивление, а также в электрическую схему включены микроконтроллер мультиплексной связи, устройство управления, устройства сравнения, устройство формирования сигнала управления, дифференциально-функциональный усилитель, ключ напряжения, дифференцирующее устройство, при этом микроконтроллер мультиплексной связи выдает на устройство управления сигнал «включение» и при отсутствии сигнала блокировки с устройства сравнения, устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_вкл, устройство формирования сигнала управления формирует сигнал U_упр(t) на включение исполнительного элемента, на дифференциально-функциональный усилитель подается сигнал U_ДТ, пропорциональный протекающему току по чувствительному элементу, с дифференциально-функционального усилителя разностный сигнал между U_опор2 и U_ДТ поступает одновременно на ключ напряжения и первое устройство сравнения, последнее включает ключ напряжения при превышении разностного сигнала над U_опор3 и устройство формирования сигнала управления корректирует сигнал U_упр(t), который подается на исполнительное устройство, а также с дифференциально-функционального усилителя сигнал поступает на дифференцирующее устройство, с выхода которого сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала, поступает на второе устройство сравнения, которое при превышении его над U_опор1, выдает сигнал на устройство управления, которое в свою очередь снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала управления, при этом происходит выключение исполнительного элемента в ускоренном режиме.

3. Устройство для контроля и защиты магистральных электрических линий, содержащее исполнительный и чувствительный элементы, отличающееся тем, что в качестве исполнительного элемента применен двухоперационный тиристор, а в качестве чувствительного элемента применен трансформатор тока и имеет микроконтроллер мультиплексной связи, устройство управления, устройства сравнения, устройство формирования сигнала управления, дифференциально-функциональный усилитель, ключ напряжения, дифференцирующее устройство, при этом при получении командного слова «включение» микроконтроллер мультиплексной связи выдает на устройство управления сигнал «включение» и при отсутствии сигнала блокировки «короткое замыкание» с устройства сравнения, устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_вкл, устройство формирования сигнала управления выдает сигнал U_упр на исполнительный элемент, на дифференциально-функциональный усилитель подается сигнал U_ДТ, пропорциональный протекающему току по чувствительному элементу, с дифференциально-функционального усилителя разностный сигнал между U_опор2 и U_ДТ поступает на дифференцирующее устройство, с выхода которого сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала, поступает на второе устройство сравнения, которое при превышении его над U_опор1 выдает сигнал на ключ напряжения и устройство управления, которое в свою очередь снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала управления, а ключ напряжения выдает сигнал на устройство формирования сигнала управления -U_выкл, при этом происходит выключение исполнительного элемента в ускоренном режиме.