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

Подождите немного. Документ загружается.

Для возврата схемы в исходное состояние необходимо по-

дать хотя бы на один из диодов (например, на вход 3) сигнал

на уровне логического 0, т. е. напряжение 0%

хз

, близкое к нулю.

Диод УИЗ открывается, и потенциал выхода И (точка т) скач-

ком изменяется от единичного значения до нулевого (от

\]щ до

13&

). При этом диоды смещения закрываются, ток и

напряжение базы УТ1 падают до нуля - транзистор закрыва-

ется.

При закрытом транзисторе потенциал на выходе органа

И-НЕ (в точке У) увеличивается скачком до высокого уровня.

Как видно из рис. 2.79, при отсутствии нагрузки Ну = 11^ =

•Еп

= Е

, а при наличии нагрузки К

1/вых = ^н#н = -—— К

. Таким

«к

«н

образом, при наличии нулевого сигнала на одном, на несколь-

ких или на всех входах ЛЭ И-НЕ переходит в состояние недей-

ствия. При негативной логике, когда в качестве сигнала, при-

водящего в действие логическую схему, принимается нулевой

(а не единичный) уровень входного сигнала, рассмотренная

схема будет выполнять операцию ИЛИ-НЕ. Достоинством ло-

гических схем ДТЛ является относительная простота.

Органы логики И-НЕ на

транзисторно-транзисторных

ИМС.

В микросхемах ТТЛ элемент И, входящий в состав схемы И-НЕ,

может выполняться либо на обычных транзисторах ИМС, либо

на интегральных транзисторах особой конструкции - много-

эмиттерных, которые имеют до восьми эмиттеров, общую базу

и один коллектор. База состоит из активных областей (их чис-

ло равно числу эмиттеров), образующих переходы база-эмит-

тер и пассивных участков, разделяющих эти переходы для

исключения их воздействия друг на друга. Преимуществом

многоэмиттерных транзисторов является уменьшение занима-

емой ими площади и улучшение некоторых параметров ИМС.

В схемах ТТЛ для построения элемента И в основном приме-

няются многоэмиттерные транзисторы. Обычные транзисторы

(с одним эмиттером) используются для выполнения операции И

в схемах ТТЛ лишь для получения микросхем с повышенной

помехоустойчивостью (с высоким порогом переключения).

Микросхемы на обычных транзисторах получают питание от

источников до 15-20

вместо 5-6 В, являющихся предельными

для многоэмиттерных транзисторов. Чем выше напряжение

питания Еп, тем большим может быть порог переключения,

т. е. входное напряжение единичного уровня 1/^

, при котором

141

Рис.

2.80. Орган логики на высокопороговой микросхеме

происходит переключение логического элемента. С увеличе-

нием Ей повышается уровень допустимой помехи. Высокопо-

роговые микросхемы получили широкое применение в РЗ.

Органы логики на высокопороговых микросхемах. На рис. 2.80

приведена высокопороговая микросхема с четырьмя входами.

Элемент И микросхемы выполнен на транзисторах типа

р-п-р,

включаемых по схеме эмиттерного повторителя. Число тран-

зисторов равно числу входных сигналов. Входные сигналы

Х1-Х4 приходят на базу соответствующего транзистора (УТ1-

УТ4).

Выходной сигнал возникает между эмиттером транзис-

тора и нулевой шинкой. Эмиттеры соединены между собой

в точке т, которая является выходом элемента И. На эту точ-

ку через К1 и К2 подается опорное напряжение Ел = + 15 В.

Коллекторы всех транзисторов объединены и подключены

к общей шинке нулевого потенциала.

Элемент НЕ выполнен с помощью транзисторного инверто-

ра в виде двухкаскадного усилителя на УТ6 и УТ7. Инвертиро-

вание сигнала, получаемого с элемента И, осуществляется

УТ6, а дополнительное усиление мощности выходного сигнала

УТ7, который включается по схеме эмиттерного повторителя.

Такое включение позволяет также уменьшить выходное со-

противление схемы И-НЕ. В состав инвертора входят КЗ-К5

142

и диод УИЗ, Кроме элементов И и НЕ в схеме предусмотрены

транзистор УТ5 и стабилитрон УВ2, который устанавливается

вместо диодов смещения для повышения порога срабатывания

и помехоустойчивости. Для прохождения сигнала, открыва-

ющего УТ6 и вызывающего срабатывание ЛЭ, входное напря-

жение должно стать больше обратного напряжения, открыва-

ющего У02. у кремниевого стабилитрона это напряжение

^об.ст = 6,8 + 7

В,

что и позволяет повысить уровень допустимых

помех.

Транзистор УТ5 предназначен для усиления тока, поступа-

ющего на базу инвертора УТ6, до значения, обеспечивающего

его переход в режим полного насыщения, что необходимо для

получения на выходе .схемы (на зажиме У) напряжения (/

ых

на уровне логического нуля (0,5-0,6 В).

Для открытия транзистора УТ6 на выходе элемента И в точ-

ке т не должно появиться напряжение, равное или большее

суммы напряжений, необходимых для открытия УТ5, УБ2

и УТ6, т. е.

= 0,5 + 7 + 0,5 = 8 В. Это напряжение является

порогом чувствительности рассматриваемой микросхемы

(^пор = ^т)- Входное напряжение, необходимое для срабатыва-

ния ЛЭ,

вх

.ср

должно быть больше порогового напряжения

(Упор- Нормальное значение 11

вх

, соответствующее уровню ло-

гической 1, целесообразно принять равным 10-12 В с некоторым

запасом по отношению к значению (7

х.ср> учитывая возмож-

ность его понижения при колебании напряжения питания.

Если единичное напряжение на входе (в рассматриваемом

случае на Х

) станет меньше своего нормального значения

(12-13 В), то до тех пор, пока (У

остается больше С/

(8 В),

УТ2 остается закрытым. При уменьшении [7

ВХ

ниже [/

ор (8 В)

элемент переключается, транзистор УТ2 начинает открываться.

По мере уменьшения [/р

(которое при V < 8 В соответствует

нулевому уровню) входной ток 1д

возрастает и при Ц?

** 0

достигает максимума, УТ2 переходит в режим насыщения,

при КОТОРОМ 1

ВХ

тах ~

0,1 -0,15мА.

Действие микросхемы. Если на все входы микросхемы

(рис.

2.80) поданы единичные сигналы в виде напряжения по-

ложительного знака единичного уровня [7

ВХ

, близкие к Ей, то

эмиттерные переходы транзисторов элемента И УТ1-УТ4 типа

р-п-р

смещаются в обратном направлении, при этом все транзи-

сторы схемы И будут заперты. В этом режиме на выходе схемы И

143

в точке т устанавливается напряжение С/^ положительного

знака на уровне 1, поступающее на базу

УТ5

(рис.

2.80).

Сопротивления резисторов Ш и К2 подобраны так, чтобы

значение 1/

было больше суммы напряжений, необходимых

для открытия транзистора УТ5, стабилитрона УБ2 и транзи-

стора УТ6 элемента НЕ.

Под воздействием 11

транзистор УТ5 и стабилитрон У02

открываются и пропускают напряжение положительного знака

на базу УТ6. Эмиттерный переход УТ6 смещается в прямом

направлении (так как С/

> (7

) и открывается, в транзисторе

УТ6 появляется ток /, усиленный УТ5 до значения, при кото-

ром УТ6 переходит в режим полного насыщения. Сопротивле-

ние насыщенного транзистора очень мало, и поэтому на кол-

лекторе УТ6 в точке к появляется напряжение на уровне ло-

гического 0, равное 0,5-0,6 В. Это напряжение поступает на

базу УТ7 и запирает его. Напряжение на выходе микросхемы

(в точке У) складывается из падений напряжения в открытых

УТ6 и УИЗ и равно 0,7-0,9 В.

Следовательно, напряжение 1/у находится на уровне логиче-

ского 0. При подаче на все входы микросхемы сигнала 1 схема

приходит в действие и на ее выходе возникает инвентирован-

ный сигнал на уровне 0 - схема выполняет логическую опера-

цию И-НЕ.

Допустим теперь, что на микросхему, находящуюся в состоя-

нии действия (выполнения операции И-НЕ), на один из вхо-

дов,

а значит, и на базу УТ2, вместо логической 1 поступил ну-

левой сигнал (Св

Х2

< 0,8 В).

Под действием положительного потенциала, поступающего

от источника питания + Е

по К1 и К2 в точку т, транзистор

УТ2 открывается, поскольку Ц, > Щ, тогда через переход эмит-

тер - коллектор открывшегося УТ2 на базу УТ5 поступает ну-

левой потенциал от нулевой шинки схемы. Транзистор УТ5

закрывается, что влечет за собой закрытие УП2 и УТ6. Напря-

жение коллектора УТ6 (точка к) резко возрастает, и, как след-

ствие этого, на базе УТ7 появляется напряжение, близкое к

, открывающее транзистор УТ7 (так как его 1% > Л/

)- Через

открытый транзистор УТ7 в точке У на выходе микросхемы ЛЭ

появляется напряжение единичного уровня

17у

= С/вы

При отсутствии нагрузки [/^ * Еп. При наличии нагрузки,

вследствие падения напряжения в #5, [/|

ых

уменьшается в

зависимости от соотношения сопротивлений резисторов К5

144

х,-

/•-

\Х1

\В2

УТ5

УД/

кь

-°+?л

)( Ч]]2 УТ6.

ХгП

=п

г*

* 1 о

<>-4оу

_1_

Рис.

2.81.

Схема с пассивным выходом

и К4. Следовательно, при появлении на входе микросхемы сиг-

нала нулевого уровня на ее выходе появляется сигнал на уров-

не 1.

Рассмотренная схема может использоваться в качестве реа-

лизующей при единичных входных сигналах логическую опе-

рацию И-НЕ и возвращающейся в исходное состояние при по-

явлении нулевого сигнала хотя бы на одном из входов. Эта же

схема может служить для реализации операции ИЛИ-НЕ,

если принять в качестве входного сигнала, выполняющего ло-

гическую операцию, сигнал нулевого уровня на одном входе

микросхемы, а для возврата в исходное состояние использовать

подачу на все входы сигналов на уровне логической 1.

Отечественная промышленность выпускает логические

микросхемы И-НЕ серии К511, базовой схемой которой являет-

ся схема, приведенная на рис. 2.81.

Модифицированные схемы отличаются от базовой выполне-

нием выходной части схемы - ее элемента НЕ. Вариант подоб-

ной схемы с пассивным выходом показан на рис. 2.81, где изо-

бражены только элемент НЕ и связанная с ним схема смещения,

поскольку остальная часть - схема элемента И - не изменяется.

Действие схемы совпадает с базовой схемой с тем лишь от-

личием, что при подаче на все входы [/

вх

на выходе (точка У)

появляется нулевой сигнал 1/^

ых

= 1/

эк

утб> меньший, чем в

базовой схеме, на значение падения напряжения в диоде УБЗ.

При И°

выходное напряжение С/вых будет немного больше

за счет отсутствия УТ7.

145

Вопросы для самопроверки

Каковы диапазоны регулирования параметров срабатыва-

ния у реле тока РТ-40/10 и реле напряжения РН-54/160?

Какие реле характеризуются более мощными контактами -

основные или вспомогательные? Почему?

Каковы функции промежуточных реле?

Чем обеспечивается ограниченно-зависимая характери-

стика индукционного реле тока?

Чем обеспечивается замедление в действии промежуточ-

ных реле серии РП-250?

6. Почему микросхемы, используемые в РЗ, называются ин-

тегральными?

Для выполнения каких органов РЗ используются аналого-

вые ИМС, а для каких цифровые?

8. Что такое операционный усилитель?

9. Какие элементы РЗ выполняются на базе операционных

усилителей?

10.

Как реализуются логические элементы "И", "НЕТ",

"ИЛИ"?

11.

Каковы преимущества РЗ, выполненных на базе ИМС по

сравнению с электромеханическими РЗ?

12.

Каковы основные недостатки устройств РЗ, выполненных

на базе ИМС?

Глава

третья

ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И СХЕМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЯ

3.1.

ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И ИХ ПОГРЕШНОСТИ

Принцип действия. Трансформаторы тока (ТТ) являются

вспомогательными элементами, с помощью которых ИО РЗ по-

лучают информацию о значении, фазе и частоте тока защища-

емого объекта. От достоверности получаемой информации

зависит правильность действия устройств РЗ. Поэтому основ-

ным требованием к ТТ, питающим устройства РЗ, является

точность трансформации контролируемого тока с погрешно-

стями, не превышающими допустимых значений. Принцип

146

Рис.

3.1. Трансформатор тока:

а — принцип устройства; 6 —

схема замещения (принято, что

первичный ток и сопротивление

первичной обмотки приведены к

числу витков вторичной обмотки)

устройства ТТ поясняют схе-

мы,

приведенные на рис. 3.1.

Заметим, что один из вто-

ричных зажимов ТТ дол-

жен обязательно заземлять-

ся по условиям техники

безопасности.

Трансформатор тока (рис. 3.1, а) состоит из первичной обмот-

ки и>!, включаемой последовательно в цепь контролируемого

тока, вторичной обмотки ^

, замкнутой на сопротивление на-

грузки -2

Н)

состоящее из последовательно включенных элемен-

тов РЗ или измерительных приборов, и стального магнитопро-

вода 1, с помощью которого осуществляется магнитная связь

между обмотками. Первичный ток 1

1г

проходящий по виткам

первичной обмотки

м>

1г

и ток 1

, индуцированный во вторич-

ной обмотке м)

, создают магнитодвижущие силы (МДС)

)л>

^>2г

которые вызывают соответственно магнитные потоки

и Ф

, замыкающиеся по стальному магнитопроводу 1. На-

магничивающие силы и создаваемые ими магнитные потоки

с учетом их положительных направлений, показанных на

рис.

3.1, геометрически вычитаются, образуя результирующую

МДС ГнамИ'! и результирующий магнитный поток трансформа-

тора Ф

[41]:

11^1 ~1зУт. = /нам*>!;

Фл-Ф

= *т-

(3.1)

(3.1а)

Поток Ф

, называемый рабочим или основным,

пронизывает обе обмотки и наводит во вторичной обмотке ЭДС

, которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки

147

ток 1

. Поток Ф

создается МДС /нам^ и, следовательно, то-

ком /нам. Последний является частью тока 1

и называется

намагничивающим током. Если 7

ам = 0, выражение

(3.1) примет вид

/^ =

и>

откуда

IV, /,

= К-- = -7Г-

•

0.2)

где К

1в

У>

/У>

- коэффициент трансформации, называемый

витковым, в отличие от номинального

. При отсутствии намаг-

ничивающего тока вторичный ток 1

(расчетный ток) равен пер-

вичному току

поделенному на коэффициент трансформации

ТТ,

равный К

1в

. В этом случае первичный ток полностью транс-

формируется во вторичную обмотку

\\>

и ТТ работает иде-

ально без потерь и погрешностей.

Обозначение выводов обмоток трансформаторов тока. При

изготовлении ТТ выводы первичной и вторичной обмоток

условно обозначаются (маркируются) так, чтобы при помо-

щи этих обозначений можно было определять направление

вторичного тока по направлению первичного. Выводы пер-

вичной обмотки могут обозначаться произвольно: один прини-

мается за начало Я, а второй - за конец обмотки К (рис. 3.2, а).

Маркировка же выводов вторичной обмотки выполняется по

следующему правилу. При прохождении тока в первичной об-

мотке от начала Я к концу К за начало вторичной обмотки Я

принимается тот ее вывод, из которого в этот момент ток вы-

текает в цепь нагрузки (рис. 3.2, а). Соответственно второй

вывод вторичной обмотки принимается за конец обмотки К.

При обозначении выводов вторичной обмотки по указанному

выше правилу ток в обмотке реле, включенного во вторичную

цепь ТТ, имеет такое же направление, как и в случае включе-

ния реле непосредственно в первичную цепь (рис. 3.2, а). Заво-

Под

номинальным коэффициентом трансформации подразумевается

отно-

шение

номинального первичного тока ТТ ко вторичному: К/ = ^ном^гном-

заводских материалах дается номинальный коэффициент трансформации.

При

/нам = 0 К/ = К

1в

г»

/»

148

а) \ц) I) г) д)

Рис.

3.2. Обозначение выводов обмоток ТТ:

—

правило маркировки выводов; б

—

обозначение выводов на ТТ; в

—

обо-

значение на схемах; г

—

векторная диаграмма первичного и вторичного токов

при принятых на рис. 3.2, а их условных положительных направлениях; д

—

на-

правление вторичного тока в зависимости от направления намотки витков вто-

ричной обмотки

ды-изготовители обозначают начало и конец первичной обмот-

ки трансформаторов Л

и Л

, а начало и конец вторичной обмот-

ки И

и И

(рис. 3.2,

б,

в).

На рис. 3.2, г показана векторная диаграмма первичного и

вторичного токов при принятых на рис. 3.2, а их условных по-

ложительных направлениях.

На рис. 3.2, д показано, как изменяется направление тока во

вторичной обмотке и маркировка выводов вторичной обмотки

при различном выполнении намотки вторичной обмотки. На-

правления потока Ф

и вторичного тока определяются по пра-

вилу буравчика.

Причины погрешности. В реальном ТТ /нам ^ 0, как это сле-

дует из (3.1). Ток 1

ам является обязательной частью первич-

ного тока 1

он образует МДС, создающую поток Ф, который

и осуществляет трансформацию. Из выражения (3.1) вторич-

ный ток реального ТТ

I ,т т ч

и,

1 -1 -?нам „

-СЬ-А«-)~ =]" —, (3-3)

где к\ =

у»

/у»

- витковый коэффициент трансформации.

Из выражения (3.3) следует, что действительный вторичный

ток 1

отличается от расчетного (идеального) значения 1^/к^

определенного по формуле

(3.2),

на значение /

ам/^/> которое

вносит искажение в абсолютное значение и фазу вторичного

тока. Таким образом, причиной, вызывающей погрешность в

работе ТТ, является ток намагничивания 1

на

м-

149

Векторная диаграмма и виды погрешностей ТТ. Искажающее

влияние тока намагничивания на вторичный ток ТТ показано

на векторной диаграмме рис. 3.3, в основу которой положена

схема замещения (см. рис.

3.1,

б).

В схеме замещения магнитная связь между первичной и

вторичной обмотками ТТ заменена электрической, а все ве-

личины первичной стороны приведены к виткам вторичной

обмотки:

=//К

и /

нам

/*с

;

За исходный при построении диаграммы принят вектор вто-

ричного тока 1

, а затем строятся векторы напряжения на вы-

ходе вторичной обмотки: Ц

и Е

Вектор вторичного напряжения Ц

равен падению напря-

жения в сопротивлении нагрузки 2

= К

+ ]Х

, т. е. С/

= /

(Ян + ]Х

). Он опережает 1

на угол ф

. Вектор вторичной

ЭДС ТТ Е

равен геометрической сумме напряжения Ц

падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки

= К

+ ]Х

, т. е. Е

= Ц

+ 1

(К

]Х

), или, выразив Ы

как

падение напряжения в 2

, получим

= Ь(К

Я„)

(Х

) = 1

(Е

). (3.4)

ЭДС Е

опережает 1

на угол а.

С учетом условно принятых положительных направлений

токов и ЭДС в схеме замещения результирующий магнитный

поток ТТ Ф

показан отстающим от создаваемой им ЭДС Е

на 90°. Намагничивающий ток ТТДнам, создающий поток Ф

опережает последний на угол 7*, обусловленный активными

потерями от нагрева стали сердечника ТТ. Приведенный пер-

вичный ток 1

находится как геометрическая сумма векторов

вторичного тока/

тока намагничивания /нам-

Векторная диаграмма наглядно показывает,

что

за счет

тока

/нам вторичный ток 1

получается меньше приведенного пер-

вичного тока /

= 1\/К1 на А/ и сдвинут относительно него по

фазе на угол б.

* Ток /

нам

имеет две составляющих: ^а.нам> которая определяет потери

энергии на нагрев магнитопровода вихревыми токами, и 1р.нам> которая осу-

ществляет намагничивание сердечника, т. е. создает поток Ф

. Составляющая

^а.нам "*" ^р.нам> поэтому углом V можно пренебречь и считать, что вектор

нам

совпадает по фазе с Ф

и равен /р.нам •

150