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

Подождите немного. Документ загружается.

Ш)

Линия изме-

Ли ни я

максимального

момента М

[п$1п(л-у„)Ж\ »««"

™

Ж \

Рис.

2.34. Векторная диаграмма реле мощности

Рис.

2.35. Характеристики чувствительности реле мощности:

—

теоретическая; 2

—

действительная

мощности 5

или, иными словами, - на угол сдвига <р

между

напряжением {/

и током 1

Основные характеристики реле мощности. Мощность сраба-

тывания. Наименьшая мощность на зажимах реле, при кото-

рой оно срабатывает, называется мощностью срабаты-

вания 5

ср

Зависимость мощности срабатывания от тока / и угла ф

принято оценивать характеристикой чувствительности и уг-

ловой характеристикой.

Характеристика чувствительности представляет собой за-

висимость II = /(/ ) при неизменном ф (рис. 2.35), где 17 -

наименьшее напряжение, необходимое для действия реле

(при данных значениях I и ф ). Обычно характеристика сни-

мается при ф , равном углу максимальной чувствительности,

т.е.

для случая, когда

5Ш

(а -ф

) = 1.

Угловая характеристика представляет собой зависимость

V = /(I ) при неизменном значении I . На рис. 2.36 показана

характеристика для реле смешанного типа с « = +

45°.

Угловая

характеристика (рис. 2.36, а) позволяет определить изменение

чувствительности реле (характеризуемое величиной V ) при

разных значениях угла ф ; минимальное значение Ц.

рт1П

и наиболее выгодную зону углов ф , в пределах которой V

близко к V

тт

; при каких углах ф меняется знак электро-

магнитного момента и пределы углов ф , которым соответству-

ют положительные и отрицательные моменты (рис. 2.36, б).

Полярность обмоток. Знак электромагнитного момента

реле зависит от относительного направления токов / и ^

О 15° 30° 135°

180°

225°

270°315°

Ра$очая\ Нерабочая

Рабочая

зона

а.) б)

Рис.

2.36. Угловая характеристика реле мощности смешанного типа при а = 45°

его обмотках. Условились изготовлять РНМ так, что при оди-

наковом направлении токов в обмотках напряжения и тока

реле замыкает свои контакты (см. рис. 2.32). Одинаковым на-

зывается направление тока в обеих обмотках от начала к кон-

цу обмотки или наоборот. Заводы, изготовляющие реле, указы-

вают однополярные зажимы обмоток, отмечая их условным

знаком. На

рис.

2.32 начало обмоток отмечено точками. Реле

подключается к ТТ и ТН с учетом полярности обмоток так,

чтобы при КЗ в зоне РЗ реле замыкало свои контакты.

Явление самохода. Самоходом называют срабатывание РНМ

при прохождении тока только в одной его обмотке - токовой

или напряжения. Реле, имеющее самоход от тока, может не-

правильно сработать при обратном направлении мощности,

когда повреждение возникает в непосредственной близости

от реле в зоне его недействия, в результате чего напряжение

на его зажимах будет равно нулю.

Причиной самохода обычно является несимметрия магнит-

ных систем реле относительно цилиндрического ротора. Для

устранения самохода на стальном сердечнике 2 (рис. 2.33, а)

предусмотрен срез; изменяя положения сердечника, можно

компенсировать неравномерность потоков в воздушном зазоре.

Индукционные реле мощности типа РБМ. Отечественной

электропромышленностью выпускались быстродействующие

реле направления мощности РБМ промежуточного типа, кон-

структивное выполнение которых соответствует показанному

на рис. 2.32, а. Момент реле выражается уравнением

= Ш

/рЗт(а -

)

= Шр/

со5(Фр + Р) =

= Ш

С05(ф

+ ф

где Р = 90-а.

Имеются два основных варианта исполнения реле: РБМ-171

и РБМ-271, используемые обычно для включения на фазный

ток и междуфазное напряжение. Угол максимальной чувстви-

тельности у этих реле может изменяться и имеет два значе-

ния: Ф

= -45° и ф

= -30°.

РБМ-178,

РБМ-278 и РБМ-177, РБМ-277 включаются на ток и

напряжение нулевой последовательности (НП); их угол мак-

симальной чувствительности ф

м ч

= + 70

. У реле РБМ-178 и

РБМ-278 5

= 0,2 - 4 В

•

А, у реле РБМ-177 и РБМ-277 5

с-р

= 0,6 - 3

.*А.

Реле РБМ-271, РБМ-277, РБМ-278 - двустороннего действия,

имеют два замыкающих контакта, действующих при соответ-

ствующем знаке момента.

Индукционные РНМ заводом не изготовляются. Однако в

эксплуатации находится большое количество таких реле.

Освоен промышленный выпуск РНМ типов РМ-11 (с угловой

характеристикой, аналогичной РБМ-171) и РМ-12 (с угловой ха-

рактеристикой, аналогичной РБМ-178). Напряжение срабаты-

вания реле РМ-11 не более 0,25 В, а реле РМ-12 регулируется

ступенями 1, 2 и 3 В. Устройство этих реле рассмотрено в § 2.19.

2.12.

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЕ

Магнитоэлектрическое реле (рис. 2.37) состоит из постоян-

ного магнита 1, подвижной рамки 2, на которую намотана об-

мотка 3, питающаяся током / , и контактов 4. Принцип рабо-

ты магнитоэлектрических реле основан на взаимодействии

тока / в обмотке рамки с магнитным потоком постоянного

магнита.

Сила, действующая на обмотку рамки:

кВ

1»

(2.19)

где В

- индукция магнитного поля постоянного магнита;

- ток в обмотке рамки; / - активная длина витка обмотки;

и>

- число витков обмотки рамки.

Рис.

2.37.

Магнитоэлектрическое реле

Вращающий момент, образованный

силами .Р

=Г

д =

к'В

(2.19а)

где

- плечо пары сил Г

\ к' =

кБ

Угол поворота рамки принимается

небольшим (5 -10°), а форма полюсов

магнита подбирается таким образом,

чтобы магнитное поле было равно-

мерным. При этом магнитная индук-

ция В

постоянна и момент М

про-

порционален току /

=к'%.

Знак М

и Р

зависит от направления 7

в подвижной рамке

реле.

При показанном на рис. 2.37 направлении /

направление

определено по правилу "левой руки".

Таким образом, магнитоэлектрические реле реагируют на

направление тока и поэтому, так же как и поляризованные

реле,

не могут работать на переменном токе. Магнитоэлектри-

ческие реле имеют высокую чувствительность и малое потреб-

ление. Мощность срабатывания достигает Ю

-8

- 10~

Вт и пре-

восходит чувствительность поляризованных реле, что объяс-

няется наличием сильного поля постоянного магнита 1 и ма-

лым противодействующим моментом подвижной системы.

Магнитоэлектрические реле имеют контактную систему с

малой отключающей способностью. Зазор между контактами

мал - около 0,3 - 0,5 мм. Магнитоэлектрические реле отличают-

ся плохим возвратом. Надежный возврат этих реле обеспечи-

вается подачей в обмотку реле тормозного тока, действующе-

го на размыкание контактов. Время действия реле равно

0,01 - 0,02 с. Магнитоэлектрические реле применялись в ка-

честве высокочувствительных нуль-индикаторов в схемах на

выпрямленном токе и еще находятся в эксплуатации. В на-

стоящее время вместо них применяют электронные реле, рас-

сматриваемые ниже.

2.13.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ

НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ

Обобщенная функциональная схема. На рис. 2.38 изображе-

на функциональная схема, характерная для различных видов

полупроводниковых ИО, применяемых в отечественных

устройствах РЗ. Эта схема состоит из таких же структурных ча-

стей, как и общая структурная схема на рис. 2.1, но, с учетом

особенностей элементной базы, она дополнена блоком - ис-

точником питания, необходимым для обеспечения действия

полупроводниковых элементов. Поэтому ниже рассматрива-

ются особенности функции каждой структурной части при вы-

полнении ИО на ИМС и реализующие их элементы [37].

Воспринимающая

часть

(ВЧ), на вход которой поступают сиг-

налы в виде тока /

и напряжения {У

от измерительных ТТ

и ТН защищаемого объекта, должна выполнять следующие

функции:

обеспечивать гальваническое отделение полупроводнико-

вой схемы реле от вторичных цепей измерительных ТТ и ТН,

в которых могут возникать перенапряжения, не допустимые

для полупроводниковых элементов, и помехи, искажающие

входные сигналы;

преобразовывать переменный ток 7

, получаемый от ТТ,

в переменное напряжение требуемого уровня, поскольку в ка-

честве сигналов в полупроводниковых устройствах использу-

ются напряжения (потенциальные сигналы);

понижать уровни входных величин (Ц, и /

) до значений, до-

пустимых для полупроводниковых элементов;

тК>

2^-110-2206

Рис. 2.38. Упрощенная функциональная схема ИО

обеспечивать возможность выполнения и регулирования

уставок срабатывания ИО.

В результате указанных преобразований на выходе восприни-

мающей части появляются напряжения, пропорциональные

входным сигналам, совпадающие с ними по фазе, но умень-

шенные по значению до допустимого для полупроводниковых

элементов уровня

пн

и к

п т

(здесь к

пн

и /с

пт

- коэффи-

циенты преобразования входных сигналов).

Преобразующая (формирующая)

часть

(ФЧ), приняв сигналы

воспринимающей части, формирует из них п подлежащих срав-

нению электрических величин в виде напряжений 17

... 11

позволяющих получить соответствующие ИО с заданной ха-

рактеристикой срабатывания. Эти напряжения образуются

в результате дополнительных преобразований входных вели-

чин, контролируемых Ц, и 1

, и их суммирования по уравнени-

ям следующего вида:

И\ - 'ЧнС^п.нУр) + к

1т

(к

пл

)

—

кщУр +

;

Ип — к

пн

(к

пм

) + к

пт

(к

пт

1р)

—

/с

цЦр +

гс

(2.20)

В уравнениях *с

1Н

... к

пн

и к

1Г

... к

пт

- коэффициенты, опреде-

ляющие дополнительные преобразования входных величин.

Коэффициенты к^ ... к

ц и кц ...

являются комплексны-

ми постоянными величинами, не зависящими от

и Ц

. Под-

бирая значения этих коэффициентов, можно получить различ-

ного вида ИО (РНМ и РС) с нужными характеристиками. Число

формируемых напряжений п зависит от количества сравнива-

емых величин.

Сформированные по (2.20) переменные или выпрямленные

напряжения Ц

... П

поступают на вход сравнивающей части.

Сравнивающая часть (СЧ) выполняется в виде специаль-

ной схемы, в которой по заданным условиям (алгоритмам),

зависящим от вида ИО, осуществляется сравнение напряжений

—ЦП,

полученных по (2.20).

По принципу сравнения схемы подразделяются на схемы,

осуществляющие сравнение абсолютных значений электри-

ческих величин, и схемы, сравнивающие их фазы.

В отечественной практике схемы первого типа выполняют-

ся на выпрямленном токе, в них сравниваются два напряже-

ния I/, и и

, [сформированные по (2.20)] после их выпрямле-

ния. Схемы на сравнении фаз выполняются с помощью фазо-

сравнивающих схем, позволяющих определять углы сдвига

фаз между двумя или четырьмя величинами, разрешая дей-

ствие реле в заданном диапазоне этих углов.

В зависимости от результатов сравнения реагирующий эле-

мент схемы сравнения посылает дискретный сигнал на вход

исполнительной части о срабатывании ИО ((7

ср

Исполнительная часть (ИЧ), называемая также выходной

частью, получив сигнал о срабатывании, усиливает его и вы-

дает команду на отключение выключателя непосредственно

или по каналам логической части (ЛЧ) в сложных защитах.

Источник постоянного тока (ИПТ) является важным эле-

ментом полупроводниковых РЗ, необходимым для питания

полупроводниковых элементов. Для транзисторных схем тре-

буются напряжения с уровнями 6-24 В. В устройствах, выпол-

ненных на ИМС, применяются источники питания ± 15 В, от-

личающиеся высокой стабильностью выходного напряжения.

Источник питания подключается к сети переменного тока

(100-380 В) либо к аккумуляторной батарее 220-110 В и преоб-

разует входное напряжение в напряжение постоянного тока

требуемого уровня.

Конструктивно полупроводниковые реле выполняются в

'виде электронных схем, собранных на печатных платах, где рас-

полагаются ИМС, выносные транзисторы, диоды, резисторы,

конденсаторы, соединяемые по заданным схемам. Отдельные

полупроводниковые реле, как и электромеханические, выпус-

каются в отдельных кожухах.

Сложные РЗ, состоящие из нескольких реле, выполняются

в виде единой схемы, состоящей из блоков, смонтированных

на печатных платах. Печатные платы объединяются в блоки,

которые собираются в кассетах, монтируемых на металличе-

ских панелях или в шкафах. Электрические связи между бло-

ками осуществляются с помощью специальных разъемов

(в виде втычных контактных соединений).

Устройства РЗ и сложных реле на полупроводниковой базе

принято выполнять с автоматическим непрерывным функцио-

нальным контролем исправности отдельных узлов схемы и

с возможностью проведения периодического тестового конт-

роля исправности реле и узлов и действия устройства обслу-

живающим персоналом.

2.14. ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИО

Изучение принципов выполнения схем различных видов ИО

(реле) следует начать с рассмотрения отдельных типовых схем

функциональных элементов, с помощью которых реализуются

описанные выше функции структурных частей ИО, поскольку

из этих элементов компонуются схемы измерительных орга-

нов полупроводниковых РЗ. К таким элементам относятся

промежуточные преобразователи тока и напряжения, частот-

ные фильтры, выпрямители, сумматоры напряжений, схемы

сравнения и ряд других элементов, построенных в большин-

стве случаев на ИМС [40, 45, 53].

Функциональные элементы воспринимающей части ИО.

В качестве функциональных элементов этой части использу-

ются преобразователи тока, напряжения и выпрямители.

Преобразователи тока. Одной из функций воспри-

нимающей части является преобразование входного тока в

пропорциональное ему напряжение. Эта операция, наряду с

другими, отмеченными выше функциями воспринимающей

части, выполняется посредством промежуточных трансформа-

торов тока (ПТТ) или трансреакторов (ПТР), которые наиболее

просто исключают непосредственную гальваническую связь

ИО с внешними цепями переменного тока.

Промежуточные

трансформаторы тока

(рис. 2.39, а). В первич-

ные обмотки ю

ПТТ подводится ток 7

от измерительного ТТ

(1А

~ 1в) защищаемого объекта; вторичная обмотка и>

замыка-

ется на активное сопротивление резистора К, с зажимов кото-

рого снимается выходное напряжение (7

= 1

К. Выразив с по-

мощью коэффициента трансформации /с

тт

м^/м^ ток 1

через /

, получим, что выходное напряжение ПТТ

= и

тт

_^я =

кщЛр

(

2.21)

Коэффициент к

пр

= кптт является коэффициентом преоб-

разования тока 1

в напряжение Сплт- Как следует из (2.21),

*>,

он равен К .

Выражение (2.21) показывает, что выходное напряжение

пропорционально входному току

= /

при условии, что /с

пр

постоянная величина. Для выполнения этого условия ПТТ

ПТТ 1

=1,

№

а.:

Чг'ЬЯ Т

*Лгт

«тт = Щ№ а)

ПТР

в)

'.Т1ЦГ.ХТ <-|

"*" -4-- я)

лтн

г)

и,=и

ч)

Уг-ЬптнУр

д)

Рис.

2.39. Преобразователи тока и напряжения:

—

преобразователь тока (ПТТ) со ступенчатой регулировкой сигнала; б

—

характеристика ПТТ (А

—

рабочая точка); в

—

трансреактор (ПТР); г

—

векторные

диаграммы, поясняющие работу

ПТР;

—

преобразователь напряжения

должен работать в линейной части характеристики 1

= /(/

)

(рис.

2.39,6). Изменяя значения \ю

, и>

или сопротивления К,

можно изменять значение к

пр

В конструкции ПТТ предусматривается экран (показан пунк-

тиром). Экран выполняется в виде дополнительной однослой-

ной обмотки, расположенной между первичной и вторичной

обмотками ПТТ. Экран защищает питающиеся от вторичной

обмотки элементы от высокочастотных помех, появляющихся

по разным причинам в цепях и>

и м>

ПТТ. Высокочастотные

токи (помехи), проходя через емкость С между витками первич-

ной и>! и вторичной ы

обмоток и экраном, замыкаются через

последний на нулевую шинку, для этого один конец экрана Э

должен быть обязательно связан с нулевой шинкой ("землей").

При таком включении емкость С со стороны экрана будет иметь

нулевой потенциал, что надежно препятствует прохождению

через нее токов помех, появившихся на первичной обмотке

ПТТ.

Промежуточный трансреактор (ПТР) (рис. 2.39, в) представ-

ляет собой трансформатор с воздушным зазором в магнито-

проводе. Как и ПТТ, он выполняет все функции воспринима-

ющей части ИО. Первичная обмотка

У>

трансреактора вклю-

чается последовательно во вторичную цепь измерительно-

го ТТ. Вторичная обмотка и>

ПТР замыкается на большое со-

противление нагрузки 2

и практически работает в разомкну-

том режиме, поэтому можно считать, что магнитный поток

ФПТР создается только МДС первичной обмотки ^и^. Тогда

поток ФПТР^Х^/ЯМ - Л-

Магнитный поток ФПТР индуцирует во вторичной обмотке

ПТР ЭДС Е

, действующее значение которой определяется

по известному выражению

= ^Фптрич/ = к

ФПТР

•

(2-22)

Пренебрегая падением напряжения в X и К вторичной об-

мотки, получаем, что выходное напряжение трансреактора

С7

* Е

и совпадает с ним по фазе.

Из (2.22) следует, что Е

, а значит, и 11

пропорциональны

первичному току /

, который является контролируемым то-

ком защищаемого объекта, т. е. выходное напряжение ПТР

= Е

/с

пр

здесь к

пр

является коэффициентом преобразо-

вания входного тока 1

в выходное напряжение [/

. Векторная

диаграмма рассматриваемых величин показана на рис. 2.39, г.

Согласно закону индукции, на диаграмме векторы Е

и Ц

изображены отстающими по фазе от потока Ф

а следователь-

но,

и от

на

90°.

комплексной форме зависимость

Цг = Е

-]к

пр

(2.22а)

Благодаря наличию воздушного зазора б магнитное сопро-

тивление Д

магнитопровода трансреактора имеет повышен-

ное значение. Это уменьшает магнитный поток ФПТР И ограни-

чивает насыщение магнитопровода.

При отсутствии насыщения коэффициент к

пр

в выражении

(2.22) постоянен и, как следствие этого, зависимость 11

(Е

) от

/р имеет линейный характер (рис. 2.39, 6").