Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

'у=иЪ,1Ь)

Зона работы

Рис.

2.64. Векторная диаграмма 1^ и 1/ц (а); совпадение знаков мгновенных

значений \3\ и С/ц (б)

Рис.

2.65. Зависимость времени совпадения от ф

совпадения

от ф:

Г ф

2 ~ не

(2.51)

где

НС

- время несовпадения фаз.

Полученная зависимость (

= /(ф) представлена на рис. 2.65.

При совпадении фаз (ф = 0) знаки мгновенных значений

(/I и 1/ц будут совпадать в течение всего полупериода, при этом

= л, а

= Т/2.

С увеличением ф ф

и *

будут уменьшаться, становясь мень-

ше л и Г/2. Когда фазы У\ и С/ц разойдутся на 180° (ф = л), зна-

ки Ц\ и С/ц будут различны в течение всего полупериода, и

поэтому ф

и *

равны нулю.

Поскольку согласно (2.51) время совпадения фаз *

опреде-

ляется углом ф, то оно, в свою очередь, характеризует значе-

ние сдвига фаз ф.

2.19. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ТОКА

И НАПРЯЖЕНИЯ

НА ИМС

Общие принципы выполнения. Поскольку отечественная

промышленность выпускает полупроводниковые реле тока и

напряжения на ИМС, ниже рассмотрены принципы построения

ИО только на базе микросхем.

Реле тока и напряжения относятся к ИО с одной воздей-

ствующей и одной сравниваемой величинами. Принцип дей-

Рис.

2.66. Структурная схема полупроводникового ИО

одной входной величиной

ствия таких реле основан на сравнении абсолютного значения

контролируемой входной величины (/ или [/) с эталонной ве-

личиной, соответствующей заданному значению контролиру-

емой величины (тока или напряжения), при котором реле

должно срабатывать. Воздействующая величина поступает с

выхода измерительных ТТ или ТН. Поскольку токи и напря-

жения сети имеют синусоидальный характер, то для выполне-

ния реле можно использовать либо мгновенные (амплитуд-

ные) значения, либо среднее за период значение измеряемой

величины. Действующие значения этих величин, как правило,

не используются вследствие большей сложности схем их полу-

чения. Наиболее распространенными являются ИО тока и

напряжения, выполненные на выпрямленном токе (напряже-

нии).

Структурно-функциональная схема подобного реле изобра-

жена на рис. 2.66. В этой схеме синусоидальный ток |

51гш{'

поступает на вход промежуточного ТТ (ПТТ) или трансреак-

тора, назначение и функции которых были пояснены при рас-

смотрении структурной схемы полупроводниковых ИО.

Выходной сигнал ПТТ в виде синусоидального напряже-

ния [/,' пропорционального входному току 1

(или 1/

), посту-

пает на вход диодного выпрямителя У5. Выпрямленное напря-

жение, превращенное в пульсирующее напряжение, постоян-

ное по знаку проходит через сглаживающий фильтр СФ, ко-

торый обычно выполняется в виде контура КС.

С выхода СФ выпрямленное напряжение со сглаженной

пульсацией

(11/

|) поступает на основную часть ИО - схему

сравнения, выполняемую в виде компаратора (ПУ) и РО, где

происходит его сравнение с эталонным (пороговым) напряже-

нием, имеющим постоянное значение (соответствующее за-

данной уставке срабатывания реле).

К входу 2 схемы сравнения ПУ подводится эталонное на-

пряжение (7

(называемое также опорным С/

оп

), с которым

сравнивается значение контролируемого напряжения [/

112

*Е„=*Г5В

Рис.

2.67. Измерительный орган на ИМС, реагирующий на среднее значение

тока или напряжения:

—

схема измерительного органа напряжения на операционном усилителе;

—

входные цепи реле тока с промежуточным ТТ; в

—

то же с трансреактором;

—

диаграмма, поясняющая принцип действия

Напряжение [/

оп

соответствует значению тока /

, при котором

реле должно срабатывать /

ср

. При

> 1/

оп

( = /

ср

) на выходе ПУ

появляется сигнал, поступающий на реагирующий орган РО.

Последний усиливает входной сигнал и дает команду на от-

ключение выключателя через ВЭ.

Структурная схема реле напряжения отличается от рас-

смотренной схемы только входным устройством, которое выпол-

няется посредством промежуточного трансформатора напря-

жения (ПТН) (по схеме на рис. 2.39, д). На вход ПТН поступа-

ет синусоидальное напряжение С

= Г/

зтш(.

Измерительный орган напряжения, реагирующий на сред-

нее значение. На рис. 2.67, а приведена принципиальная схема

ИО с одной подведенной величиной, которая состоит из еле-

дующих элементов: схемы, совмещающей функции восприни-

мающего и формирующего элементов, включающей трансфор-

матор ТУЬ и выпрямитель У5 со сглаживающим конденсато-

ром

С1;

порогового устройства и РО, выполненного в виде триг-

гера Шмитта на ОУ. При отсутствии напряжения на входе ИО

напряжение на И-входе ОУ равно нулю, а на Н-вход подается

положительное 1/

оп

, выделяемое на К2. При этом на выхо-

де ОУ имеется + [/

вых тах

; опорное напряжение (7

0П

опреде-

ляется суммой токов через К4 и КЗ. До тех пор, пока ампли-

туда напряжения между резистором

К1

и нулевой шинкой оста-

ется ниже С/

оп

, выходное напряжение на выходе ОУ не изме-

няется, сохраняя положительную полярность. Когда упомяну-

тая амплитуда превышает

оп

(рис. 2.67, г), ОУ переключается,

на его выходе появляется

-У

ЪЪ1хтах

ток в КЗ меняет направ-

ление и [/

оп

снижается до значения 1/д

, которое выбирается

несколько ниже минимального мгновенного значения напря-

жения на С1. Благодаря этому мгновенное напряжение на

И-входе в любой момент времени остается выше напряжения

на Н-входе, и на выходе ОУ сохраняется значение - ^

ыхтах

Аналогично выполняется ИО тока, но в схеме формирова-

ния используется преобразователь тока в напряжение.

Это может быть разделительный трансреактор ТАУ

(рис.

2.67,6), разделительный ТТ ТАЬ, на вторичную обмотку

которого включен резистор #

и напряжение на нем прямо про-

порционально току в первичной обмотке (рис. 2.67, в).

К недостатку рассмотренного ИО относится отсутствие мер

по повышению помехозащищенности. Такие реле можно при-

менять в защитах, работающих с выдержкой времени.

Для защиты входа ОУ при большом напряжении (или токе)

на входе ИО служат диоды

УЮ1

УЮ2.

Орган тока, реагирующий на полный ток фаз, построенный

на времяимпульсном принципе сравнения. Большую помехо-

защищенность можно получить при использовании сравнения

времени наличия входного выпрямленного напряжения ^ с

временем его отсутствия г

Орган тока (рис. 2.68), использующий этот принцип, состоит

из промежуточного ТТ (ТАЬ) или трансреактора; выпрямитель-

ного моста

У5;

схемы сравнения в виде компаратора на ОУ А1;

интегрирующей цепи К5, Кб, С1; реагирующего элемента А2

в виде триггера Шмитта на ОУ и ВЭ в виде транзисторного уси-

лителя на УТ1 с малогабаритным реле КЫ. При протекании в

114

Е„15В

7Г

'»>

1„ = -15В

и .

"ех

Г\Ы\ А Л

Ч/VV\ ШУМ

»р \и>. •

(/о.рЩг

•

" Ш.

ж.

—Ь—7-Н—т*г

и,

>•

•-

1\А\/\/

V У. V

С1

| 1 '

-^—и

л л

€

*\Лл/\ *

1 \^С \_

- V -|

^ *

РИС.

2.68. Орган тока, построенный на сравнении времени превышения 1/

оп

с временем его снижения:

—

схема устройства; б

—

поясняющие диаграммы

цепи ТАЬ тока на резисторе К12 возникает напряжение

АЬ

= /

. Это напряжение поступает на выпрямитель У5 и превра-

щается в двухполупериодное, выпрямленное и несглаженное

напряжение {Уу

, пропорциональное входному току 7

Это напряжение поступает на И-вход А1. На Н-вход А1 пода-

ется положительное 1/

оп

, снимаемое с делителя К2, ИЗ, К4,

включенного на напряжение источника Е

положительного

знака. Поэтому, при У

У5

< 1/

оп

выходное напряжение А1

1^1

+ 1^вых тах •

Если поступающая на И-вход амплитуда напряжения {/у

ниже С

оп

, то выходное напряжение А1 остается неизмен-

ным. Под действием выходного напряжения Л7(1/

) двуханод-

ный (стабилизирующий напряжение обеих полярностей) ста-

115

билитрон

УИ4

открыт током через К5. Диод УИЗ закрыт, а кон-

денсатор С1 заряжен проходящим через него током до поло-

жительного напряжения стабилизатора: Ц. = 1/

ст

. Последнее

подано на И-вход триггера А2. При этом на выходе А2 будет

дежурить напряжение - 1/

ОУ тах

, под действием которого по

цепи ОС на Н-входе появится напряжение отрицательной

полярности (7

= - ^выхталг^вА^в

^ч)> соответствующее от-

рицательному напряжению срабатывания триггера Шмитта.

Диод УГ>5 открыт через резистор К10, транзистор УТ1 закрыт,

и реле КЫ обесточено. Это означает, что ИО не действует.

Когда мгновенное значение выпрямленного напряжения пре-

восходит 1/

оп

, А1 переключается, и во время превышения мгно-

венным значением опорного напряжения 17

оп

на его выходе по-

является -

вьптах

что приводит к отпиранию УйЗ. Конденса-

тор

С1

перезаряжается с меньшей постоянной времени через ре-

зистор Кб, а после того как А1 возвращается в прежнее положе-

ние,

диод УВЗ вновь запирается, и за время паузы ^ конденса-

тор С1 заряжается с большей постоянной времени. Если вре-

мя (

мало, а

велико, конденсатор успевает перезарядиться

до нулевого или малого отрицательного напряжения, и триг-

гер Шмитта на А2 и ИО не работают (рис. 2.68, б).

По мере увеличения тока (

растет, а *

уменьшается. При

этом увеличивается отрицательная амплитуда напряжения

на С1. Когда \^с1\ станет больше И

ср

А2, А2 переключается,

на его выходе появляется напряжение положительного зна-

ка

ВЫ

хА2

= +

Утах->

и как

следствие диод УИ5 запирается,

транзистор УТ1 открывается, реле КЫ приходит в действие и

замыкает свой контакт. ИО тока срабатывает.

В связи с изменением знака выходного напряжения А2

(с "-" на "+") происходит аналогичное изменение знака опор-

ного напряжения (7

, приходящего по цепи ОС на Н-вход А2,

что обеспечивает устойчивую работу ИО.

При исчезновении тока КЗ, входное напряжение, обуслов-

ленное током /

снижается до нуля или становится очень ма-

лым. Тогда А1, а следовательно и А2 переключаются и под

действием опорного напряжения происходит возврат реле.

Регулировка уставки осуществляется изменением сопротив-

ления резистора К4. Для отключения ложной работы при

включении оперативного напряжения предусмотрен С2.

Измерительный орган тока нулевой и обратной последова-

тельностей. Орган тока нулевой последовательности являет-

1 1 ^

Рис.

2.69. ИО тока нулевой последовательности

ся основным элементом защиты линий от КЗ на землю. В се-

тях СВН (300 кВ и выше) линии имеют большие длины и боль-

шую емкостную проводимость, что обусловливает появление

в переходных режимах возникающих при КЗ значительных апе-

риодических и гармонических составляющих, под влиянием

которых быстродействующие ИО защиты от замыканий на

землю могут действовать неправильно. Для обеспечения пра-

вильной работы защиты в рассматриваемом ИО тока предусмат-

риваются частотные активные фильтры, пропускающие токи

50 Гц и запирающие прохождение через фильтр апериодиче-

ской и гармонических составляющих. Схема подобного органа

приведена на рис. 2.69. Входным элементом, как обычно в

полупроводниковых ИО, служит преобразователь тока ПТТ.

Контролируемый ток поступает на его вход через фильтр то-

ков нулевой последовательности. Оба входных элемента

(ПТТ и фильтр токов нулевой последовательности) на схеме

не показаны. Выходной сигнал преобразователя ПТТ в виде на-

пряжения Ц,, пропорционального току 3/

, поступает для уси-

ления на инвертирующий (масштабный) усилитель А1. Для

регулирования уставки ИО в цепи ОС масштабного усилителя

предусмотрены резисторы КЗ-К6. Уровни входного и выходного

напряжений в усилителе ограничиваются с помощью диодов

Уй1,

УИ2 и УБЗ, УЮ4 соответственно. Активный частотный

фильтр АФ выполняется на ОУ А2 в виде фильтра низких

частот и полосового фильтра, запирающего прохождение то-

ков высших гармоник.

117

С выхода АФ синусоидальное напряжение поступает на глав-

ный элемент измерительной части схемы - двухпороговый

компаратор АЗ, построенный по особой схеме на инвертиру-

ющем усилителе. Входной сигнал через резистор К7 заводится

на инвертирующий вход АЗ, цепь ООС выполнена в виде вы-

прямительного диодного моста У51, который получает пита-

ние через параллельно включенные резисторы К8 и К10 от

источника питания Е

= + 15 В и через параллельно включен-

ные резисторы К9 и К11 от Е

= -

В.

С порогового элемента АЗ выходной сигнал поступает на

схему, осуществляющую сравнение длительности превышения

входным сигналом напряжения порога срабатывания с дли-

тельностью пауз между ними. Эта схема состоит из входного

диодного моста У82, конденсатора С1 и компаратора А 4. Сиг-

нал с выхода А4 поступает на исполнительную часть схемы,

состоящую из транзистора УТ1, усиливающего входной сигнал

измерительной части органа, диода УВ14 и электромеханиче-

ского (малогабаритного) реле КЫ. Контакты последнего дают

команду на элементы дальнейшей части защиты или непо-

средственно на отключение выключателя.

Работа ИО. Если сигнал на входе А1 Г/

вх

= 0, то, как видно

из рис. 2.69, входное и выходное напряжения на А1 и А2 отсут-

ствуют. Нет сигнала и на входе и выходе порогового элемен-

та АЗ. При этом все диоды моста У51 открыты током 1у

возникающим под действием напряжения источника питания

2Е

. Этот ток замыкается по контуру, образованному парал-

лельно включенными резисторами

К8,

К10 и

К9,

К11 и открыты-

ми диодами У81. Пренебрегая (для упрощения) падением на-

пряжения на открытых диодах моста, считаем, что сопротив-

ление ООС равно нулю. Поэтому выходной сигнал у АЗ от-

сутствует. Ток, открывающий диоды (без учета сопротивле-

ний открытых диодов):

(К8\\К10) + {К9\\К11)

В рассматриваемом режиме входной сигнал, поступающий

через К12 на мост У52, также отсутствует, но все диоды У52

открыты током:

1У52

= 2Е

/(Я

+ Я

118

Ток 1у52' проходя по всем диодам моста, замыкается по

контуру резисторов К13 и К14. Конденсатор С1 заряжен до на-

пряжения положительного знака 11

С1

Ыу$2

(падение напря-

жения в диодах У52). Это напряжение поступает на И-вход

компаратора АЗ, вызывая на его выходе сигнал максимально-

го уровня ОУ, противоположного знаку [/^: 1/

вых

= - С/

утах *

«12-14 В. Под действием этого сигнала диод УБ14 и транзи-

стор УТ1 закрыты, ток в КЫ отсутствует и ИО не действует.

При появлении синусоидального входного сигнала в виде

мгновенных значений напряжения положительной полувол-

ны + 1/

вх

меньше (/

пор

компаратора А4, появляется входной

ток 1

ВХ

/К

где К

- сопротивление входного резистора

(через который подается сигнал на И-вход инвертирующего

ОУ с ООС). Выходной сигнал инвертирующего усилителя опре-

деляется с помощью коэффициента передачи (усиления)

-.Кос

уИ

-К

ос

/К

;

ВЫХ

= —- [/

вх

Все диоды по-прежнему открыты током 1у$}. Входной ток

ВХ

замыкается через открытые диоды У51. Как видно из схемы,

в диодах УБ5 и УБ9 1

ЗХ

направлен против 1у

(результирующий

ток равен их разности), а в диодах УОб и УБ7 их направления

совпадают. Таким образом, при токе /

вх

< 1у^ сопротивление и

напряжение ОС равны нулю, поэтому состояния всех остальных

элементов

У52,

С1,

АЗ остаются без изменения.

При нарастании (7

ВХ

и /

ВХ

положительной полуволны может

наступить момент равенства токов /

вх

1у§1.

Тогда диоды УБ5

и УБ8 закроются. Это означает, что цепь ОС разомкнётся,

схема компаратора АЗ превратится в схему ОУ без ОС с нали-

чием на входе сигнала Г/

вх

положительного знака. При малом

увеличении [/

вх

ВХ

ОУ АЗ переключается, и на его выходе

возникает большое выходное напряжение, определяемое

значением коэффициента усиления К

оу

: ^вых

^тахОУ-

Из сказанного следует, что порогом компаратора, при кото-

ром он открывается, является ток 1у

1 или выраженное в виде

напряжения

С/

по

1у$1^т

Выходное напряжение АЗ через резистор К12 поступает на

мост У52, это напряжение (отрицательного знака) запирает

диоды УБ11 и УШ0 и через УВ9 поступает на конденсатор

С1 и инвертирующий вход А4. Знак напряжения на С1 меняет-

ся на противоположный, и он перезаряжается через К14. Когда

119

напряжение положительного знака, С/

вх

достигает максимума

и начинает уменьшаться. Если ширина импульса мала, то

конденсатор С1 не успевает перезарядиться до нуля и выход-

ное напряжение А4 остается отрицательным (УТ1 и КЫ не

действуют). Если 1/

вх

увеличится и достигнет значения, при

котором ширина импульса станет достаточной для перезаря-

да С1 до нуля, а затем зарядится до + С/

;, плюсом на неинвер-

тирующем входе, - А4 переключится, на выходе появится на-

пряжение положительного знака, транзистор УТ1 откроется,

напряжение на коллекторе снизится и реле КЫ сработает -

ИО действует. После переключения А4 знаки на резисторах

К10, К11 изменяются (поскольку изменяются знаки на выхо-

де А4 и коллекторе УТ1).

Как следствие этого, напряжение закрывания порогового

элемента меньше напряжения его открывания:

- ИО работает как релейный элемент. При наступлении отри-

цательной полуволны процесс повторяется с противополож-

ными знаками.

Аналогично выполняется реле обратной последователь-

ности с частотным фильтром.

2.20. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ (РЕЛЕ) С ДВУМЯ ВХОДНЫМИ

ВЕЛИЧИНАМИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

К этой группе ИО относятся реле направления мощности

(РНМ) и реле сопротивления (РС), входными величинами ко-

торых являются напряжение и ток защищаемого объекта

(1/

и/

Для построения РНМ на ИМС используется в основном прин-

цип сравнения фаз двух входных величин (Р\ и

11\\),

позволя-

ющий получить большее быстродействие, чем у реле, постро-

енных на сравнении абсолютных значений. Ниже рассмотрены

реле серии РМ-11 и РМ-12, выпускаемые ЧЭАЗ вместо индук-

ционных реле типов РБМ-171 и РБМ-177. Новые РНМ типа

РМ-10 изготовляются из отдельных транзисторов и ИМС (ОУ).

В основу работы реле положена схема сравнения фаз двух

синусоидальных напряжений и

= к

рт

5т((Л + Ф) и и

120