Text
                    £ П Нигурю/р
Р ЕЛЕЙНАЯ
ЗАПИТА

Е. П. Фигурнов РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА Утвержден^ Департаментом кадров и учебных заведений МПС России в качестве учебника для студентов вузов железнодорожного транспорта Москва 2002
УДК 621.316.925 (075.8) БЕК 31.27-05 я73 Ф49 Фигурнов Е. П. Релейная защита. Учебник для вузов ж.-д. трансп. — М.: Желдориздат, 2002.720 с. Изложены сведения о назначении н основных свойствах релейной защиты. Рассмотрены измерительные преобразователи и Источники питания защиты. Приведены описания основных видов реле и комплектов защиты. Рассмотрены принципы, схемы и особенности защиты электрических сетей, синхронных генераторов, электродвигателей н трансформаторов. Изложены методики рас- чета параметров и сведения о защите тяговых сетей переменного и постоянно- го тока от коротких замыканий н перегрузки. Рассмотрена защита элементов тяговых подстанций. Приведены сведения о надежности и техническом обслу- живании защит. Учебник предназначен для студентов вузов железнодорожного транспорта, может быть полезен слушателям курсов повышения квалификации, а также ин- женерно-техническим работникам, занятым проектированием и эксплуатацией релейной защиты. Ил. 297, табл. 59, список лит. 112. Рецензенты: зам. руководителя Департамента элетрификации и электро- снабжения МПС России—А. П. Мезенцев; д-р техн, наук, профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение железных дорог» ПГУПСа — А.Т. Бурков; зав. отделом систем управления комплексного отделения «Тяговый под- вижной состав и электроснабжение» ВНИИЖТа, канд. техн, наук — В. В. Белов. ISBN 5-94069-013-0 © Е.П. Фигурнов, 2002 © ИПКЖелдориздат, оформление, 2002
ПРЕДИСЛОВИЕ Релейная защита относится к числу основных дисциплин, формирую- щих общепрофессиональную и специальную подготовку инженера в обла- сти транспортной электроэнергетики по специальности «Электроснабжение желетнодорожного транспорта». Освоение этой дисциплины предполагает широкие междисциплинарные связи с предварительны м изучением важ- нейших положений таких дисциплин как «Теоретические основы электро- техники», «Метрология», «Вычислительная техника», «Электрические ма- шины», составляющих фундамент электротехнической подготовки, цикла общепрофессиональных дисциплин, объединеннь1х^онятйём)«Электро- энергетика» (устройства и системы выработки, передачи, преобразования и распределения электроэнергии), а также специальных дисциплин, посвя- щенных изучению основ электроснабжения железных дорог, тяговым и по- низительным подстанциям, контактной сети и электрическим линиям элект- ропередач,автоматизации систем электроснабжения. По многим из этих дис- циплин имеются зарекомендовавшие себя учебники для вузов, например [1-8]. Учебник по дисциплине «Релейная защита» для транспортных вузов не издавался уже 20 лет. За это время на смену электромеханическим реле пришли сначала Полупроводниковые на дискретных элементах, затем на интегральных микросхемах, наконец настает время микропро- цессорных защит. Коренное изменение техники сопровождалось новы- ми разработками в области теоретических основиметодов расчета за- щитустрОйсттггяГбвогоэлекТроснабЖёнйя.1Гзменились>азтоЬремя объем и содержание дисциплины. Все это требовало написанмя-нового. учебника. Работа над ним велась несколько лет и автор с благодарнос- тью отмечает полезные советы, помощь и поддержку своих коллег, со- ратников и учеников, которые во многом способствовали завершению этого труда. П. 3.6 написан совместно с Ю. И. Жарковым, п. 8.2 напи- сан совместно с И. П. Петровым, глава Юнаписана соВместносТ. Е. Пет- ровой, п. п. 12-1-12.3 написаны Е. А. Стороженко. Автор выражает глубокую благодарность д. т. н. профессору А. Т. Буркову, к. т. н. А. И. Бурьяноватому, к. т. н. В. В. Белову, к.т.н. Г. В. Кузнецову, А. П. Мезенцеву за ценные советы и замечания, кото- рые способствовали улучшению содержания книги, а также Т. Е. Пет- ровой и И. П. Петрову, оказавшим неоценимую помощь при подготовке рукописи к изданию. 3
ВВЕДЕНИЕ Технический прогресс во всех отраслях связан с автоматизацией 1 технологических процессов и систем управления производством, как важнейшим фактором повышения производительноститруда. На первом этапе автоматизация использовалась в первую очередь для облегчения труда и повышения его качества в отдельных наиболеетрудоемких опера- циях, производственных процессах. Постепенно область автоматизации расширилась до целых производств. Стали создаваться автоматизиро- ванные системы управления отраслями. Автоматизированная система управления электроснабжением железнодорожного транспорта,(АСУЭ), которая находится в стадии ста- новления, призвана обеспечить оптимальные условия передачи и распре- деления электроэнергии железнодорожным и нетраиспортным потреби- телям в нормальных и аварийных режимах. Нарушение нормального ре- жима одного из элементов системы электроснабжения может повлечь за собой нарушение всего процесса перевозок на значительном расстоянии. Особенностью функционирования системы электроснабжения является, в частности, быстротечность электромагнитных й электромеханических процессов при аварийных ситуациях (нарушениях нормального режима), вследствие чего диспетчерский или оперативный персонал не может ус- петь вмешаться в эти процессы для предотвращения их развития. Раздичакд-уетр^а^пя теологической и шггпойсгва системной автоматики. Технологическая автоматика управляет локальными про- цессами нормального режима на отдельных объектах и не оказывает существенного воздействия на режим работы системы электроснабже- ния в целом. К таким устройствам относятся, например, устройства ав- томатического включения обдува силовых трансформаторов, освеще- ния территорий и т.п. Системная автоматика осуществляет управление, оказывающее заметное влияние на режим работы значительной части системы электроснабжения. Системная автоматика, в свою очередь, делится на автоматику уп- равления в нормальных режимах и автоматику управления в аварийных режимах. А втоматика управления в нормальных режимах обеспечи- вает должный уровень напряжения и повышение экономичности. К ней относятся, например, устройства автоматического регулирования напря- жения на шинах тяговых подстанций. К автоматике управления в аза- 4
рийныхрежимах относятся устройства репейной зашиты, а также сете- вая автоматика (автоматическое включение резерва, автоматическое по- вторное включение, опробование контактной сети на наличие коротко- го замыкания, определение места короткого замыкания и др.). Являясь составной частью комплекса устройств автоматики, редей- ная защита обладает в то же время спецификой, выделяющей ее в само- стоятельные научное и научно-техническое направления, основы кото- рых базируются на фундаментальных положениях теории стационар- ных и нестационарных электромагнитных и электромеханических про- цессов, теории надежности, математической логики, электрических ап- паратов, электроники и микроэлектроники и др. Назначением релейной защиты является локализация повреждений, предотвращение или сокра- щение ущерба при внезапном возникновении повреждений или ненормаль- ных режимов работы электроэнергетических устройств выработки, пе- редачи, преобразования и распределения электроэнергии, обеспечение ус- тойчивости, надежности и живучести систем электроснабжения. Релейная защита является обязательной частью всех электроэнерге- тических установок, объектов и систем напряжением 1 кВ и выше. Она имеет особо важное и самостоятельное функциональное назначение, представляет собой сложную^дшформационную систему, состоящую из комплекса взаимосвязанных электромагаитГНьк, электронных и мик- роэлектронных устройств, а также источников питания. Защита первых электрических установок от коротких замыканий осуществлялась с конца позапрошлого столетия плавкими предох- ранителями. В начале XX века появились сначала реле тока, а потом и реле напряжения. С 1910 года начинают использоваться токовые защиты, дополненные реле направления мощности. Реле сопротив- ления, как составная часть дистанционной защиты, стали выпускать- ся в начале 20-х годов. Для реле тока и напряжения использовались электромагнитные механизмы, реле направления мощности и сопро- тивления выполнялись на индукционном принципе. К началу 30-х годов относится появление высокочастотных защит линий электропередач с электронными лампами. С конца 40-х годов наметилась тенденция конструирования реле с использованием по- лупроводниковых диодов и транзисторов. Уже в 60-х годах такие реле стали получать все большее распространение и в настоящее время, например, вместо индукционных реле направления мощности и со- противления выпускаются полупроводниковые. 5
В 80-х годах стали появляться отдельныереле и комплекты защит, выполненные с применением элементов микроэлектроники (аналоговых и цифровых микросхем). Дальнейшая тенденция развития техники релей- ной защиты связана с использованием микропроцессорных комплексов. Такие комплексы осуществляют как функции релейной защиты, так и ряд дополнительных и сервисных функций (автоматическое повторное включение, определение места повреждения, фиксация параметров аварий- ного режима и т.п.) с отображением на встроенном дисплее. С развитием техники релейной защиты уменьшались ее габариты и собственное потребление, улучшались ее характеристики, повышались быстродействие, чувствительность и надежность, совершенствовались алгоритмы функционирования. Все это позволяет более уверенно ре- шать основную проблему: четкое разграничение аварийного и нормаль- ного режимов. История развития релейной защиты в довоенное время неразрывно связана с именами таких крупных ученых как В. И. Иванов, Е. А. Карпо- вич,П. Ф.Марголин,П. И.Рыжов,Л. Е.Соловьев,Ф. А.Ступельидр. [9-11]. В послевоенные годы вышла обобщающая монография Г. И. Ата- бекова [12], посвященная теоретическим основам релейной защиты. В 60-е годы сложились.'ццукш.белеедркие шкодылобласти релейной за- щиты, которые оказывали решающее влияние на ее развитие в течение нескольких десятков лет. Руководили ими выдающиеся ученые А. М. Федосеев (Москва), В. Л. Фабрикант (Рига), А. Д. Дроздов (Но- вочеркасск) [13-17]. Их деятельность пришлась на период расцвета Элек- тромеханических реле, создания защит электрооборудования и сетей вы- сокого и сверхвысокого напряжения, на период начала полупроводнико- вой эры в устройствах защиты и автоматики. Обобщающие сведения о релейной защите электрических систем в 80-90-х годах содержатся в [18-24 и др.]. Для защиты оборудования тяговых подстанций электрифицирован- ных железных дорог используются в основном те же защиты, что и на понизительных подстанциях энергосистем. Особое место занимают за- щиты тяговых сетей, обладающие своей спецификой. В тяговых сетях постоянного и переменного тока максимальные токи нагрузки являют- ся соизмеримыми с минимальными (удаленными) токами короткого за- мыкания и это обстоятельство вызывает существенные трудности для защиты, которая должна четко разграничить эти режимы. Для этого за 6
щиту стремятся выполнить так, чтобы она реагировала на какие-либо дополнительные признаки, характерные для нормальных и аварийных режимов именно тяговых сетей. В тяговых сетях постоянного тока защита от коротких замыканий осуществляется главным образом с помощью автоматических быстро- действующих выключателей, которые совмещают в себе функции за- щиты и коммутации высоковольтной цепи. Большая работа по совер- шенствованию таких выключателей выполнялась во Всесоюзном (ныне— Всероссийском) научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) под руководством И. И. Ры- кова. В дополнение к этим выключателям применялись защиты, реаги- рующие на уровень напряжения в контактной сети, в том числе и пред- ложенные К. Г. Кучмой (Днепропетровский институт инженеров желез- нодорожного транспорта—ДИИТ). Важное значение и большую прак- тическую значимость имели работы по основам теории защит, реаги- рующих на нестационарные процессы в тяговой сети. Эти работы в Московском институте инженеров железнодорожного транспорта (МИИТ-МГУПС) начинались Г. Г. Марквардтом. Их продолжение и ус- пешное дальнейшее развитие осуществлено В. Н. Пупыниным. Основ- ные достижения в этой области, относящиеся к 40-м годам, описаны в [1], а к послевоенным — в [25]. Совершенствование защит тяговой сети постоянного тока в после- дние десятилетия связано, в основном, с работами МИИТа (В. Н. Пупынин) и ВНИИЖТа (В. Я. Овласюк). В конце 90-х годов в разработке микропроцессорных защит стал принимать участие научно- исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (НИИЭФА). В 60-х годах на отечественных железных дорогах началось интен- сивное внедрение электрической под на однофазном переменном токе. Для защиты тяговых сетей в этот период использовались реле тока и индукционные реле сопротивления общепромышленного изготовления. Условия их применения, атакже рекомендации по улучшению свойств защиты были описаны в [25]. Электромагнитные и, особенно, индукци- онные реле не могли обеспечить необходимые свойства защиты тяго- вых сетей переменного тока и уже с конца 60-х годов они стали вытес- няться, а вскоре и совсем вытеснились комплектами полупроводнико- вых защит. 7
В эти годы Главное управление (ныне— департамент) электрифика- ции и электроснабжения МПС (С. М. Сердинов, Г. В. Дмитриевский) приступило к осуществлению технической политики интенсивного вне- дрения систем автоматики и телеуправления в устройствах электроснаб- жения тяги. Под руководством Н. Д. Сухопрудского (ВНИИЖТ) впер- вые в мировой практике были разработаны электронные комплексы ав- томатики и телеуправления для систем электроснабжения электрифици- рованных железных дорог и налажено их массовое производство [26]. На этой же базе (СЕЙМА, МИАСС, ЛИСНА) под руководством В.Я.Ов- ласюка и при участии В. В. Белова, В. А. Быкова, В. А. Зимакова и др. наосновеглубоких теоретических и экспериментальных исследований были созданы типовые электронные защиты тяговых сетей племенного тока (УЗТБ, УЭЗФТ, УЭЗФП, УЭЗФМ) с улучшенными свойствами и характеристиками, серийно выпускавшимися несколько десятилетий Московским электромеханическим заводом МПС (МЭЗ ЦЭ МПС). Были созданы устройства фидерной автоматики, защиты фидеров постоянно* го тока, защиты трансформаторов, преобразовательных агрегатов и др. [27, 28]. Заложенные в эти устройства(идеи, принципы,^Кническиерешения^ намного оперед H,T]£^OBej^jrexHHK итого периода?п5дтвер^ёнымно- голегнеипраетикой применения, остаются актуальными и в настоящее время при переходе элементной базы на микроэлектронику и микро- процессорные комплексы. В Ростовском институте инженеров железнодорожного транспорта (РИИЖТ-РГУПС) начиная с 60-х годов под руководством автора прово- дились работы по совершенствованию теории и практики защит тяговых сетей, главным образом—переменноготока, повышению их техническо- го совершенства и созданию новых принципов функционирования (Ю. И. Жарков, Е. А. Стороженко, Ю. И. Блинников, А. В. Кукаркин и др.). Оригинальные устройства с повышенным быстродействием и поме- хоустойчивостью, с поперечными логическими связями и автоматизиро- ванным контролем исправности (ЭЗПС, БПЗ, БПЗк, ФСТКЗ, УКЗН и др.) поставлялись на железные дороги страны [29]. В развитии этого направле- ния заметную роль играла Северо-Кавказская железная дорога (В. П. Кру- чинин, М. Е. Поляков, В. И. Грушевский, В. В. Курганов) и Проектно- конструкторское бюро департамента электрификации и электроснабжения МПС—ПКБ ЦЭ МПС (Я. Д. Гуральник, В. И. Удод, В. М. Эрлих). 8
Интересные работы выполнялись в Омском (М. Г. Шалимов), Хаба- ровском (Б. Е. Дынькин) и других вузах железнодорожного транспор- та, а также на дорогах. Теоретическим основам и практике релейной защиты устройств электроснабжения тяги посвящены обобщающие работы [25,27-35]. В 90-х годах за рубежом и в России стали появляться опытные партии цифровых защит с использованием микропроцессоров [36,37]. Релейная защита, как объект с особо высокой надежностью, должна отвечать специальным нормативным требованиям. Эти требования со- держатся в [38-49]. Целью подготовки студента по дисциплине «Релейная защита» являет- ся формирование у него знаний, умений и представлений в области тео- рии и практики применения релейной защиты, на основе которых он смо- жет обеспечить ее проектирование, наладку и эксплуатацию в электри- ческих устройствах, в том числе и на железнодорожном транспорте.
ЧАСТЬ 1 ОСНОВЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
m Основные понятия о релейной защите ............ ........ .......‘Т"—"" 1.1. Назначение и структурная схема релейной защиты В системах электроснабжения нередко внезапно возникают короткие замыкания (к.з.) и другие ненормальные режимы работы. Различают к.з. между фазами электрической установки (междуфазное к.з.), а так- же между фазой и землей (замыкание на землю). В трансформаторах и электрических машинах, кроме того, возможны межвитковые замыка- ния в обмотке одной фазы. К,з. возникают вследствие дефектов, старе- ния и загрязнения изоляции токоведущих частей, обрыва и схлестыва- ния проводов при сильном ветре или гололеде, неисправности в цепях электропод вижного состава, ошибочных переключений и т. п. Электри- ческая дуга в месте замыкания способна вызывать пережоги, оплавле- ние и разрушения электрического оборудования и распределительных устройств, отжиг и обрыв контактных проводов. Разрушения оказыва- ются тем значительнее, чем больше ток в дуг,е и время ее существова- ния. Чтобы к.з. не вызвало большого ущерба, поврежденное электро- оборудование необходимо как можно быстрее отключить. К другим ненормальным режимам относят прежде всего перегрузки. Этот режим характеризуется протеканием по неповрежденному оборудо- ванию токов, превышающих длительно допустимое значение. Перегрузки опасны вследствие чрезмерного повышения температуры токоведущих частей и преждевременного старения изоляции. Снижение или увеличение напряжения относительно предельных нормативных значений и качания в энергосистеме также являются проявлением ненормальных режимов. Ненормальные режимы, как и к.з., могут явиться причиной аварий, т. е. порчей или разрушением оборудования, недоотпуском потребителям электроэнергии. Чем быстрее отключается участок электрической систе- мы, на котором произошло к.з. или возник ненормальный режим работы, тем меньше возможностей для возникновения и развития аварий. За доли секунды необходимо выявить такой участок и отключить как можно мень- шую часть электрической системы, чтобы обеспечить бесперебойное элек- троснабжение максимально возможного числа потребителей. 12
Отключение электрической системы осуществляется коммутацион- ными аппаратами — высоковольтными выключателями, привод кото- рых снабжен специальным механизмом. Для отключения выключателя необходимо осуществить управляющее воздействие на этот механизм. Автоматические устройства, служащие для выявления к.з. и ненормаль- ных режимов и воздействующие в необходимых случаях на механизм отключения выключателя или на сигнал, называютрелейной защитой. Релейная защита выполняется с помощью реле. Реле — это автомати- чески действующий аппарат, осуществляющий скачкообразные измене- ния в управляемых системах при заданном значении воздействующей на него величины. При этом под воздействующей понимается величина, на которую должно реагировать реле (ток, напряжение, температура, поток газовых пузырей и т. д.). Релейная защита (рис. 1.1) состоит из одного или нескольких измери- тельных органов ИО1, ИО2,.... логической частиЛЧи выходного органа ВО. Каждый измерительный орган содержит измерительный элемент (схе- му)ИС1, ИС2,и элемент (схему) сравнения СС1, СС2... На вход релей- ной защиты ЛЛподаются один или несколько сигналов от трансформатора тока ТА и трансформатора напряжения TV, несущих информацию о режимах работы защищаемого объекта. Из- мерительныеорганы анализируют информацию о вход ных величинах (значениях тока, напряжения, их со- отношения или фазового угла меж- ду ними и т. д.) и при определенных условиях формируют дискретный сигнал , поступающий на вход ло- гической части. В измерительных органах могут быть использованы релетока, напряжения, сопротив- ления и др. В логической часта защиты вы- ходные дискретные сигналы от всех измерительных органов ана- лизируются по опред еленной про- грамме, формируется выдержка времени защиты. Если выполня- Рис 1.1. Структурная схема релейной защиты 13
ются заранее заданные условия, то на выходеЛЧ появляется дискретный сигнал, поступающий на вход выходного органа ВО, в котором сигнал усиливается и поступает на катушку электромагнита отключения ЭО вык- лючателя Q. Информацию о срабатываний релейной защиты в целом и ее отдельных измерительных органов выдает блок сигнализации БС. Релейная защита является частью комплекса устройств автоматики в системе электроснабжения железных дорог. Вместе с устройствами ав- томатического повторного включения (АПВ) и автоматического вклю- чения резерва (АВР) релейная защита образует так называемую систему противоаварийной автоматики (автоматики управления в аварийных режимах). Релейная защита, контролирующая состояние только одного объекта и отключающая при аварийных режимах выключатель только данного объекта, называется индивидуальной. Во многих случаях основные свойства защиты (чувствительность, селективность, быстродействие) улучшаются, если индивидуальные устройства взаимосвязаны. Взаимная связь таких устройств может быть продольной и попереч- ной. Продольная взаимная связь объединяет защиты АК1 и АК2 на раз- ных концах (на входе и выходе) одного объекта, например, линии (рис. 1.2, а). Взаимная связь, при которой объединяются защиты АК1 и АК2 разных объектов, присоединенных к общим шинам, называется попе- Продольная Рис. 1.2. Взаимные связи релейных защит речной (рис. 1.2, б). До недавнего времени релейная защита и другие устройства авто- матики выполнялись только наре- лейно-коигакгных элементах. В пос- ледние десятилетия широко начали применять электронныеустройства. Это повышает надежность защит, уменьшает их размеры, собствен- ное потребление и эксплуатацион- ныерасходы, а также позволяет ре- ализовать совершенно новые фун- кциональныезависимосги. Приме- нениеполупроводниковойэлектро- ники д ает возможность выполнить релейную защиту вместе с други- 14
ми устройствами автоматики и телемеханики в виде единой системы, ком- плекса. Применение микроэлектроники и микропроцессорных систем еще больше повышает эффективность релейной защиты и автоматики, от- крывает перспективы для передачи функций релейной защиты и автома- тики специальным управляющим вычислительным машинам, которые будут управлять устройствами электроснабжения в нормальных и ава- рийных режимах. В этой связи особое значение приобретает изучение ajtf’opHTMOB (программ), которым должно подчиняться действие релей- ной защитьТвне зависимости от той элементной базы, на основе кото- рой она выполнена. 1.2. Основные виды релейной защиты Наибольшее распространение получили токовые защиты. Для них воздействующей величиной является ток, проходящий по токоведущим частям электрической установки в месте включения защиты. Измери- тельный орган защиты приходит в действие, если воздействующая ве- личина (контролируемый ток) превысит заранее установленное значе- ние, называемое уставкой срабатывания. В качестве первых токовых защит использовались плавкие предох- ранители. Как наиболее простые и дешевые защитные аппараты, они нашли широкое распространение, главным образом, в сетях низкого напряжения, а также в ряде случаев и для защиты коротких высоко- вольтных линий электропередачи, трансформаторов, электродвигате- лей и некоторых других установок небольшой мощности. Однако цдавг- крр предохранители обляляют малой разрывной мощностью, их за- шитнр1е характеристики нестабильны, они не могут быть использова- ньд для условийавтоматизированногоуправления(АПВ, АВР), так как после расплавления плавкая вставка автоматически не восстанавли- вается. Более совершенна защита, выполненная с помощью реле. Измери- тельным органом токовой защиты является реле тока. Ток срабатывания реле (уставку) можно регулировать в широких пределах. Токовая за- щита весьма эффективна в тех случаях, когда токи к.з. и ненормальных режимов существенно больше рабочих. 15
В системах постоянного и переменного токов защита контролиру- ет, как правило, полные токи цепей (фаз). В системах трехфазного переменного тока измерительный орган в ряде случаев подключают через фильтры симметричных составляющих тока, что повышает чув- ствительность защиты к таким видам коротких замыканий и ненор- мальных режимов, которые сопровождаются существенной несим- метрией токов. Защита, измерительный орган которой сравнивает значения щти фазы токов в разных концах защищаемого объекта или в параллель- ных ветвях, присоединенных к общим шинам, называется диффе- ренциальной токовой защитой. Если сравниваются токи разных кон- цов защищаемого объекта, например, линии (см. рис. 1.2, а), то диф- ференциальная защита является продольной, если же сравниваются токи, например, параллельных линий (см. рис. 1.2, б), то— попе- речной. Для передачи в измерительный орган информации о значе- ниях и фазах сравниваемых токов используют вспомогательные про- вода. Дифференциальные защиты относятся к защитам с взаимной связью. Они обладают абсолютной селективностью и являются быс- тродействующими. Защиты, для которых воздействующей величиной является напряжение, называются защитами напряжения, вольтметровыми или потенциальны- ми. В качестве измерительного органав них применяется реле напряжения. В трехфазных системах такую защиту можно выполнить, включая реле не только на полные фазные и линейные напряжения, но и на их симметрич- ные составляющие. В последнем случае повышается чувствительность к тем видам к.з., которые сопровождаются существенной несимметрией на- пряжений. Для этого реле напряжения включают через фильтры симметрич- ных составляющих напряжений. В линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше.^в контакт- ных сетях перем еншмхиьока широко лсполъз\ют:.дистанционныезд- В качестве измерительного органа этих защит применяют реле сопротивления. К реле от трансформаторатока защищаемой линии под- водится ток I и от трансформатора напряжения — напряжение Up. Реле срабатывает, если сопротивление Zp на его зажимах (на входе) будет равно или меньше наперед заданного значения Z т.е. Zp Zcp. При этом под сопротивлением Zp понимают величину, которая опре- деляется выражением: 16
(1.1) и и . Z=^ = -^eJ^ ~р I I -р р где — фазовый угол между/ и U?. Дистанционная защита в отличие, например, от токовой, реагирует не на один признак, а натри: ток, напряжение и фазовый угол между ними. Такая защита более четко отличает ненормальныережимы от нор» мальных и способна выявить к.з. даже в том случае, если ток к.з. мень-j ше тока нормального режима. В защитах могут применяться реле, для которьисвоздействующей величинрй^ддяются скачонили скорость изменения тока, или же отно- шениескорости изменения тока к скорости изменения напряженияЛа- киереле называются импульсными, они реагируют на параметры пере- ходного процесса к.з. Некоторые из них используют в защитах тяговых сетей постоянного тока. Кроме импульсных, в защитах тяговых сетей постоянного и переменного токов возможно применять реле, реагирую- щие на содержание высших гармоник в кривой тока или напряжения. Скачки, скорости изменения токов и напряжений, содержание высших гармоник относятся к так называемым косвенным признакам к.з. Реле, реагирующие на косвенные признаки, применяют в качестве дополни- тельных органов в токовой и дистанционной защитах в тех случаях, когда необходимо повысить способность защиты отличать короткое за- мыканиеот нормального режима работы. В магистральных линиях Электроперед ачи напряжением 110 кВ и выше применяются высокочастотные защиты, которые осуществляют сравне- ние значений или фазы токов, или же направлений мощности в концах защи- щаемого участка линии. Передача информации о контролируемой величине с одного конца линии на другой осуществляется с помощью токов высокой частоты, причем в качестве канала связи используется, как правило, сама линия электропередачи. В тяговых сетях получила распространение так называемая те- леблокировка (устройство телеотключения), которая, как и высоко- частотная защита, относится к защитам с продольной взаимной свя- зью. При срабатывании АК1 на одном конце линии и отключении, например, выключателя Q1 (см. рис. 1.2, а), на выключатель Q2, находящийся на другом конце линии, по каналам телемеханики по- дается команда на отключение. 17
В релейной защите находят применение и такие измерительные орга- ны, для которых воздействующая величина не является электрической. Так, для трансформаторов используют газовую, адля преобразователь- ных агрегатов тяговых подстанций—тепловую защиту. Измеритель- ный орган первой реагирует на интенсивность газообразования транс- форматорного масла, а второй—на температуру полупроводниковых приборов. 1.3. Основные требования, предъявляемые к защите Назначение релейной защиты определяет ту особо ответственную роль, которую она выполняет в устройствах электроснабжения. Поэто- му ряд предъявляемых к ней требований регламентируется норматив- ными документами и является обязательным для выполнения при ее эк- сплуатации. Для защит общего назначения таким нормативным доку- ментом являются Правила устройства электроустановок (ПУЭ) [38]. Основные требования к специфическим защитам устройств электричес- кой тяги изложены в [39,40]. Основные требования к релейной защите связаны с ее функциями и свойствами. Функциями релейной защиты являются: срабатывание (выдача коман- ды на отключение) при к.з. в защищаемой зоне на контролируемом объекте; несрабатывание при отсутствии к.з. в защйщаембй зоне; не- срабатывание при к.з. за пределами зоны защиты. Действия защиты, вы- полняемыев соответствии с указанными функциями, являются верными. Однако в силу тех или иных причин, например, отказов элементов защиты, внешних электромагнитных помехах и т. п., защита может дей- ствовать неправильно: не сработать при к.з. в зоне защиты (отказ сра- батывания), сработать при отсутствии повреждений на защищаемом объекте (ложное срабатывание), сработать при к.з. за пределами зоны защиты (излишнее срабатывание). Неправильные действия Защиты от- носятся к отказам ее функционирования. Отказ функционирования при к.з. приводит к тяжелым повреждениям электрооборудования, распре- делительных устройств, пережогу проводов контактной сети и т.д., а отказ функционирования в нормальном режиме работы защищаемого объекта влечет за собой прекращение питания потребителей. 18
Для обеспечения правильного функционирования защита должна обладать определенными свойствами: селективностью, устойчивостью функционирования, надежностью функционирования [16,17,24,30]. Обобщенным показателем качества защиты является эффективность ее функционирования. Селективность (избирательность). Это свойство заключается в способности с заданным быстродействием отключать с помощью вык- лючателей только поврежденный элемент системы. Рассмотрим, напри- мер, электрическую сеть, связывающую источник питания П1 с под- станциями П2, ПЗ, П4 (рис. 1.3). На отдельных участках установлены выключатели QI, Q2,..., Q1, каждый из которых имеет самостоятель- ное устройство релейной защиты A KI, АК2,.... АК7. По принципу се- лективности, если к.з. произошло в точке К2, должен отключиться вык- лючатель Q4, а при к.з. в точке КЗ—выключатель Q5. Селективность защиты обеспечивает отключение минимального возможного участка и, следовательно, сохранение нормального электроснабжения макси- мального числа потребителей. Короткие замыкания в пределах защищаемой данной защитой зоны называются внутренними, а за пределами этой зоны—внешними. Если защита способна реагировать только на внутренние повреждения, то ее селективность является абсолютной. Таким свойством обладают, на- пример, продольные дифференциальные защиты и токовые отсечки. В ряде случаев, однако, к защите предъявляется требование срабатывать и при внешних к.з.,т.е. неселективно. Защита, которая селективно сра- батывает в обычных условиях только при внутренних к.з., но может при необходимости отключить и внешние к.з., обладает относительной се- лективностью. Защиты с относительной селективностью используются для резерви- рования выключателей смежных участков. Так, в обычных условиях выключатель Q3(puc. 1.3) должен отключаться только при повреждени- ях в зоне между подстанциями П2 и ПЗ, например, в точке К1. Если же этот выключатель отключится при к.з. в точке КЗ, то такое его действие будет квалифицироваться как излишнее, неселективное, поскольку при этом должен отключаться выключатель не Q3, a Q5. Однако если выклю- чатель Q5 при к.з. в точке КЗ почему-либо не отключился, то необходимо отключать выключатель Q3. Для этого защита А КЗ должна обладать свой- ством относительной селективности. 19
Рис. 1.3. Схема электрической сети Относительная селективность обеспечивается, как правило, с помо- щью выдержки времени. Например, защита АК5, воздействующая на выключатель Q5, должна иметь выдержку времени больше, чем защиты АКби АК7, азащитаЛЮ, воздействующая на выключатель Q3, —боль- шую, чем выдержка времени защит А К4 и АК5 и т.д. В этом случае при к.з., например, в точке КЗ быстрее всех сработает защита АК5 и отклю- чит выключатель Q5. Если же он почему-либо не отключился, то с вы- .. держкой времени защита ЛЮ отключит выключатель Q3. В ряде случаев допускается неселективное действие защит, напри- . мер, одновременное отключение выключателей Q3 и Q4 при к.з. в точке К2, если выключатель Q3 снабжен устройством АПВ. При этом несе- лективное отключение выключателя Q3 «исправляется» АПВ, после чего остается отключенным только выключатель Q4. К неселективным защи- там прибегают тогда, когда это обеспечивает более быструю ликвида- цию повреждения или упрощение защит. Селективность при внутренних к.з. характеризуется защитоспособнос- тью и быстродействием. Защитоспособностъю называется свойство, обес- печивающее способность защищать контролируемый объект при всех ви- дах к.з. В ряде случаев, однако, защита может не реагировать на некоторые к.з. Часть контролируемой линии, в пределах которой данная защита не реагирует на к.з., называется мертвой зоной. Мертвые зоны перекрывают- ся обычно резервными защитами. Быстродействие защиты определяется необходимым временем отключе- ния короткого замыкания. Чем меньшевремя отключения повреждения,тем: ♦ выше устойчивость параллельной работы генераторов электро- станций (нарушение синхронизма является наиболее тяжелой ава- рией в энергосистеме); 20
♦ меньше разрушения изоляции, токоведущих частей, атакже кон- струкций электротехнических аппаратов, оборудования и сетей; ♦ меньше продолжительность снижения напряжения, отрицательно влияющего на технологические процессы, работу электроподвиж- ного состава и условия безопасности (снижение напряжения, на- пример, в высоковольтных линиях питания автоблокировки мо- жет привести к неверному действию или погасанию светофоров, а это связано с безопасностью движения поездов); ♦ выше эффективность действия АПВ и АВР, так как чем меньше время существования к.з.,тем меньше вероятность разрушения оборудования. По этим причинам повреждения на линиях электропередачи 300— 500 кВ необходимо отключать за время не более 0,1-0,12 с, в сетях 110-220 кВ — не более 0,15-0,3 с, в сетях 6-10 кВ — не более 1,5-3 с. В тяговых сетях чем болыце длительность к.з., тем больше вероятность пережога контактных прбводов. Пережоги не возникают, если время отключения повреждения не превышает 0,12-0,14 с. Полное время отключения повреждения складывается из времен действия защиты и выключателя. Быстродействующие выключатели постоянного тока, в конструкции которых выключатель и защита составляют единое целое, имеют время отключения 0,02-0,085 с. Вык- лючатели переменного тока отключаются за 0,06-0,12 с. Защиты, время действия которых не превышает 0,1 с, считаются быстродействующими. У современных электронных защит время дей-у ствия составляет 0,01-0,04 с. Технические средства позволяют снизить и эти значения. Однако такие защиты очень чувствительны к помехам, ' что может привести к недопустимо большому числу ложных отключе- ний выключателей. Применение в релейных защитах помехоустойчивых выходных органов с системой контроля позволяет избавиться от этого недостатка. Устойчивость функционирования. Это свойство характеризует- ся чувствительностью к коротким замыканиям при внутренних к.з., а также отстроенностью (нечувствительностью) при внешних к.з. и от- строенностью от нормальных режимов (при отсутствии к.з). Рассмот- рим, например, токи через выключатель Q7(см. рис. 1.3) в нормаль- ном режиме и при к.з. Пусть, например, защита, воздействующая на выключатель, реагирует на вектор тока линии. Известно, что фазовый 21
♦й>) Рис. 1.4. Комплексная плоскость токов угол фн тока в нормальном режи- ме не превышает обычно 40°, а угол <рк при к.з. достигает 65-75°. Условимся, что в комплексной плоскости токов (рис. 1.4) дей- ствительная ось совпадаете осью активной составляющей тока, а мнимая — с осью реактивной со- ставляющей тока. Вектор Д, соот- ветствует току через рассматрива- емый выключатель в нормальном (рабочем) режиме, вектор I* — току в режиме к.з. Наэтой же ком- плексной плоскости приведен от- резок граничной линии ab, кото- рая разделяет области срабатывания (заштрихована) и несрабатывания. Если вектор тока линии в нормальном режиме или при к.з. попадет в заштрихованную область, защита сработает. Наименьший ток, соответ- ствующий данному фазовому углу фсз, при котором защита срабатывает, называется током срабатывания защиты .При кз. защита сработает, если IK >Lci,k' гДе LC3,k —ток срабатывания защиты при фсз = фк. В режиме перегрузки защита сработает, если /„ >Х-3.« при фсз = фм. /Чувствительность—это способность защиты реагировать на по- вреждения в защищаемой зоне при самых неблагоприятных условиях. Чем дальше место повреждения от источника питания, тем меньше ток к.з. Значение этого тока еще больше снижается, если энергосистема < работает в минимальном режиме, а замыкание произошло через пере- ходное сопротивление электрической дуги. В этих условиях ток удален- ного к.з. £imin может быть соизмерим с током нормального режима и обеспечить чувствительность защиты достаточно трудно. Чувствительность защиты характеризуют коэффициентом чувстви- тельности кч. Применительно к рассматриваемому случаю: Кч k min ! ^сз, к’ (1.2) Защита будет срабатывать при к.з., если кч >1. 22
В общем случае, если защита реагирует на некоторую комплексную величину А, которая в режиме малых нагрузок имеет значение в нор- мальном рабочем режиме Ли,аврежиме короткого замыкания Л*,то для обеспечения чувствительности к к.з. необходимо так выбрать пара- метр срабатывания защиты Лсз, чтобы соблюдались условия: —сз ^|—xminP^x’ ФхттЬ —сз ^^ч|—хтах|’ 1-Фсз Ф/стахЬ (1.3) (1-4) гДе Д .3 — уставка срабатывания защиты, реагирующей на величину А, при фазовом угле фсз; Лкт;п— наименьшее значение контролируемой величины Л, при к.з. в конце зоны защиты и угле ФА.тп; Д,.тах— наи- большее значение контролируемой величины А при к.з. в конце зоны за- щиты и фазовом угле Фктах • Выражение (1.3) применяется для тех величин, которые при корот- ком замыкании возрастают. Например, ток к.з. больше тока при малых нагрузках, поэтому условие (1.3) используется для защит, реагирую- щих наток. Выражение (1.4) применяется для тех контролируемых ве- личин, которые при коротком замыкании уменьшаются. Например, на- пряжение сети или ее входное сопротивление при к.з. меньше, чем в нормальном режиме. Поэтому условие (1.4) используется для защит, реагирующих на напряжение, входное сопротивление или другие при- знаки, уменьшающиеся при к.з. Коэффициент чувствительности для большинства основных защит, реагирующих наток, напряжение или сопротивление, должен быть не ниже 1,5, а для некоторых, например, продольных и поперечных дифференциальных защит, токовых отсечек генераторов и трансформаторов — не менее 2, для резервных—более 1,25 [38]. Эти значенияопределяются в рсновном,наличием переходно- го сопротивления в месте повреждения, которое в расчетах токов к.з., как правило, не учитывается, атакже возможными неточностями на- стройки защиты. ~ Отстроенность защиты от внешних к.з. (от к.з. на внешних участ- ках) может быть обеспечена, если ее уставку срабатывания Аа выб- рать по условиям: —сз Komc I —кmax|’ —сз ^|—к min Р^отс’ (Ф« Фхтах-1’ [Ф«=Фхт,п]; (1-5) (1.6) 23
где Л^тах—наибольшее значение контролируемой величины Л при к.з. в начале смежного участка и угле фктах; Л'т|П— наименьшее значе- ние контролируемой величины А при к.з. в начале смежного участка и угле фктт ;котс— коэффициент отстройки. Выражение (1.5) используется для тех контролируемых защитой величин Л, которые при к.з. возрастают (например, ток). Выражение (1.6) применяют при выборе уставки тех защит, которые реагируют на параметр Л, снижающийся при к.з. (например, сопротивление). Коэффициент отстройки учитывает погрешность реле и измеритель- ных трансформаторов. Для защит, ^ЁагируюТцйхнаток или напряже- ние, принимают котс = 1,2-1,3. Для защит, реагирующих на сопротив- ление (дистанционные защиты), принимают котс = 1,1-1,15. Вместо выражения (1.6) для дистанционных защит часто использу- ют другую форму записи: |л |Л' |, [<Р =Ф • 1, (1-7) сз|^- отс |— xminl’ •тез тктщЗ’ ' ' в которой очевидно к'отс = 1 / котс. Обычно для дистанционных защит принимают к'отс = 0,85 - 0,9. В защитах от однофазных к.з. величины Ак в формулах (1.3)—(1.7) однозначно определяются параметрами этого вида к.з. В защитах от мно- гофазных к.з. Ак зависит от вида к.з.: для двухфазного к.з. Ак = Л®, для трехфазного к.з. Ак = А®. В формулах (1.3)-(1.7) в качестве расчетного принимают тот вид к.з., при котором Ак тах является наибольшим, а Лх mjn — наименьшим. Например, при к.з., расположенном близко отэлек- трической станции (относительное сопротивление до расчетной точки к.з. при базисных условиях X, < 0,6) установившееся значениетокадвух- фазного к.з. I® больше установившегося значения тока трехфазного к.з. 7<3). В этом случае в формулах (Г.З), (Г.6) и (1.7) понимают Ак = Л<3), ав формулах (1.4) и (1.5) принимают Л*.^ Л^.Если точкак.з. доста- точно удалена от подстанций (X, „с > 0,6 ), то 7<2) < 7<3). При этом в формулах (1.3), (1.6) и (1.7) Ак — А&\ а в формулах (1.4) и (1.5) Ак = А™. Следует отметить, что при значительном удалении точки к.з. от электрических станций (Х,рас>3) имеет место соотношение Z<2) = V3Z<3>/2 = 0,866 . Чтобы защита не срабатывала в режиме нормальной работы (при от- сутствии к.з.), необходимо выполнить условия: 24
|—сзг к |—итах|’ £фсз Фитах]’ 0-8) 6 |—сз| I — wminl’ [ф. Фитт]’ (1-9) КвКз где А н тах — максимальное значение контролируемой величины А с фа- зовым углом <ритах в нормальном режиме; Лнпйп — наименьшее зна- чение контролируемой величины Л с фазовым углом фнти1 —коэф- фициент запаса, равный 1,15-1,25; кв—коэффициент возврата. Выражение (1.8) используют в том случае, если контролируемый защитой параметр А при к.з. возрастает (например, ток). Выражение (1.9) применяют для тех защит, которые контролируют параметр А, умень- шающийся при к.з. (например, напряжение, сопротивление). Коэффициент возврата в выражениях^ 1.8) и (1.9) используется в тех, сдучяя¥..клгца защита имеет выдержку времени. Он учитывает то, что возврат защиты в исходное состояние осуществляется при значе- нии контролируемой величины , несколько отличающемся от ее значения при срабатывании: кв = Авз! Асз. Значение коэффициента возврата указывается в паспорте используемых реле. Для защит, сра- батывающих при возрастании контролируемой величины, кя < 1 (обыч- но 0,8-0,9); для защит, срабатывающих при уменьшении контролируе- мой величины, кв > 1 (обычно 1,1-1,25). Если защита не имеет выдерж- ки времени, то принимают кв = 1. Надежность. Это свойство определяется как способность объекта вы- полнять зад анные функции, сохраняя во времени значения установленных* эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслужива- ния,ремонтов, хранения и транспортирования. Для релейной защиты характерны два режима: дежурства (ожида- ния) и тревоги. В режиме дежурства защита находится при нормаль- ной работе защищаемого объекта, а также при тех повреждениях в за- щищаемой зоне и за ее пределами, при которых эта защита не должна выдавать выходного сигнала на отключение выключателя. Режим тре- воги соответствует появлению в защищаемой зоне тех видов поврежде- ний, на которые данная защита должна реагировать путем отключения выключателя. Иными словами, в релейную защиту в режиме тревоги 25
поступает требование срабатывания, а в режиме дежурства—требова- ние несрабатывания. В общем случае, в каждом из режимов действие защиты может быть верным или неверным. В режиме дежурства верное действие не сопро- вождается отключением выключателя, а неверное действие приводит к излишнему (неселективному) или ложному отключению. В режиме тре- воги верное действие вызывает отключение выключателя, а неверное— не вызывает. Таким образом, надежность функционирования релейной защиты заключается в ее надежном срабатывании при поступлении тре- бования срабатывания и надежном несрабатывании при поступлении требования несрабатывания. На релейную защиту постоянно воздействует множество случайных факторов, каждый из которых может вызвать ее неверное действие (от- каз). Эти факторы можно разделить на две группы. Факторы первой группы связаны с нарушением работоспособности собственно аппара- туры релейной защиты, которая характеризуется аппаратурной (эле-^ ментной) надежностью. Ко второй группе относятся так называемые внешние факторы, которые не зависят от показателей надежности са- мой аппаратуры защиты. Внешними факторами являются помехи в це- пях измерительных трансформаторов, первичных датчиков и источниках оперативного питания, изменение режимов работы и схемы питания за- щищаемого объекта, срабатываниеразрядников на шинах и высоковоль- тных линиях при атмосферных и коммутационных перенапряжениях, брос- ки тока при АПВ, недостаточная или излишняя чувствительность защиты, неверный выбор уставки и т. п. Надежность функционирования (эксплу- атационная надежность) учитывает обе группы событий. Надежность функционирования оценивается рядом показателей: ве- роятностью безотказной работы, параметром потока отказов, периодич- ностью отказов срабатывания, излишних и ложных действий и др. Сущ- ность показателей надежности и их оценка рассматриваются в гл. 12 и [17, 50]. Для повышения надежности функционирования важное значение имеют правильная эксплуатация и своевременная ревизия защиты. Надежность защиты стремятся повысить, применяя наиболее простые схемы и уст- ройства, содержащие небольшое число элементов, особенно элементов с низкой надежностью. В связи с этим предпочтительно применение бес- контактных элементов, микроэлектроники. 26
Повышение надежности А К в режиме тревоги достигается также путем резервирования и дублирования защит. Различают основные и резервные защиты. Основная защитна реагирует на повреждения в пределах данной за- щищаемой зоны или защищаемого элемента со временем, меньшим, чем другие защиты рассматриваемой системы электроснабжения. Ре- зервная защита должна реагировать на повреждения вместо основной, если последняя неисправна или выведена из работы. Резервная защита, установленная совместно с основной и воздействующая на тот же вык- лючатель, осуществляет так называемое ближнее резервирование, или дублирование. Резервная защита, отключающая данный выключатель при внешнем повреждении (при повреждении на смежном элементе), если защита или выключатель смежного элемента отказали, осуществляет дальнее резервирование. Так, при относительной селективности защи- ты АКЗ, воздействующей на выключатель Q3 (см. рис. 1.3), эта защита является основной для зоны между подстанциями П2, ПЗ и резервной для зоны между подстанциями ПЗ, П4, а также для выключателя Q4 и подключенной к нему линии. Более подробная классификация требований, предъявляемых к ре- лейным защитам, приведена в [17]. 1.4. Эффективность функционирования защит 0»' Любой защищаемый объект может быть оборудован различными устройствами релейной защиты и их комплексами, отвечающими в той или иной степени основным требованиям. Для сравнения защит необходимо оценить качество функционирования каждой из них. Неверные действия защиты в режиме тревоги и дежурства приводят к соответствующему ущербу (развитие аварии, недоотпуск электроэнер- гии и т. п.). Верные действия в режиме тревоги также могут быть причи- ной появления ущерба (например, пережог проводов при слишком боль- шом времени отключения повреждения резервной защитой из-за отказа основной защиты). Приданном числе верных и неверных действий сум- марный ущерб, обусловленный ненадежностью функционирования за- щиты, целиком' зависит от тогоОЬъекта. который оня -ши|щцает. Напри- мер, одно неверное действие защиты на ответственном объекте может
принести значительно больший ущерб, чем несколько неверных дей- ствий зато же время менее надежной защиты малоответственного по- требителя. Поэтому полную оценку качестаафу^кционирования следу- ет давать применительно к конкретному защищаемому объекту при дан- ных условиях эксплуатации. Обобщенным показателем качества функционирования является эф- фективность функционирования: Е=Р/П = (П-У)/П, (1-Ю) гдеР—реальный выходной эффект защищаемого объекта за данное время (объем продукции, перевозок, отпуск электроэнергии и т. п.); П — предельный выходной эффект того же объекта в предположении, что из-за действий защиты ущерба не возникает; У—суммарный ущерб, обусловленный действием защиты за то же время. Если значение Уопределить трудно, то приближенная оценка каче- ства функционирования Ех определяется по соотношению верных и неверных действий защиты. Предельный эффект защиты в этом слу- чае оценивают числом повреждений п1Юв, которые защита должна от- ключить за данное время, а вместо суммарного ущерба принимают приведенное число неверных действий защиты пу, при которых появ- ляется ущерб. Число повреждений (требований срабатывания) равно: ’ 1 пПОа=п,гс + П^ гяеп/к.—число правильных срабатываний;пж—числоотказовсрабатывания защиты. Приведенное число неверных действий защиты, сопровождающих- ся ущербом, определяют как ny = Пос + %сПу, nc + zucny, ис + &ЛсПу, пс где пу пс, пу ис, Пу лс—число действий защиты, вызвавших появление ущерба соответственно при правильных срабатываниях, при излишних срабатываниях (т. е. при к.з. за пределами защищаемого объекта или за- щищаемой зоны) и при ложных срабатываниях (т. е. при отсутствии по- вреждений); еис, £tfC, £лс-^-коэффициенты значимости ущербов C.OOT- ветственно при правильном срабатыванииупри излишнем срабатывании и при ложном срабатывании защиты. 28
Коэффициент значимости ущерба при данном конкретном действии за- щиты определяется как отношение среднего значения ущерба при этом дей- ствии к среднему значению ущерба при отказе срабатывания. Тогда г, Ппов ~ Пу Ппс ~ ЕпсПу, пс ~ £исПу, ис ~ ЕлсПу, лс Е\ = ---------~. (1 л 0 П/Юв пс ос Еще более приближенная оценка качества функционирования К—про- цент правильной работы—используется в тех случаях, когда неизвестно число действий защиты, сопровождающихся ущербом,%: ппс+пос+пис+плс (1-12) где пис—число излишних срабатываний; «лс—число ложных срабаты- ваний. Процент правильной работы в настоящее вприя является основным показателем качества защиты. Его называют также коэффициентом эф- фективности функционирования при условии, что последствия отказов разного рода принимаются одинаковыми. Значение для разных защит I; различных объектовизменяются в пределах 67-98 процентов [50]. До- полнительными показателями могут служить периодичность или часто- та неправильных и правильных срабатываний. Качество функциониро- вания защиты тем выше, чем больше величины Е, и К. Их предель- ные значения равны единице или 100%. Показатели качества функцио- нирования могут быть определены для действующих защит по статисти- ческим данным. Для проектируемых к установке защит необходим про- гноз верных и неверных действий [29]. 29
Измерительные преобразователи и источники оперативного питания 2.1 Измерительные преобразователи постоянного тока Устройстварелейной защиты и измерительные приборы рассчитаны на сравнительно малые токи (доли ампер) и небольшие напряжения (еди- ницы или Десятки вольт). При этих условиях они могут быть выполнены достаточно компактными и недорогими. Устройства же системы электроснабжения, исправность которых контролирует релейная защита, могут потреблять значительные токи и быть высоковольтными. Например, по контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В в нормальном режиме протекаюттоки до 2-4кА, а при коротком замыкании до 20 кА. Согласование высоковольтных и многоамперных установок с низковольтными и малоамперными устрой- ствами защиты осуществляется при помощи измерительных преобра- зователей. Измерительный преобразователь — это техническое устройство, обеспечивающее функциональную зависимость между размером одной (входной) физической величины и размером другой (выходной) физи- ческой величины. Как правило, стремятся иметь линейную функцио- нальную зависимость, т. е. прямую пропорциональность между измене- нием входной величины и соответ- ствующим приращением выходной величины преобразователя. В установка^ постярного тока Рис. 2.1 Подключение шунта СнаЙбОЛБШее распространениЭпо- лучили измерительные преобоазо- н в^тедил в-ипе^рунто^добавоч- ных сопротивлениии делителей напряжения, ограниченное при- менение пока еще имеют гальва- номагнитные преобразователи. Незначительное распространение имеют преобразователи на основе 30
магнитных усилителей [51] из-за громоздкости, невысокого класса точ- ности и большой инерционности. UlyumRS является простейшим измерительным преобразователем тока в падение напряжения (рис. 2.1). Он включается в рассечку линии (например, высоковольтного фидера контактной сети, питающегося от шин подстанции через выключатель QF), в которой необходимо контро- лировать величину тока/. Шунт RS имеет четыре зажима. Токовыми зажимами АА он включается в цепь измеряемого тока I. К его потенци- альным зажимам UU подключается нагрузка с сопротивлением RH. В качестве такой нагрузки может использоваться измерительный прибор или входная цепь реле защиты. Падение напряжения 1)ш на шунте RS между зажимами UUравно произведению IuRtl (в сопротивление RH входит и сопротивление соеди- нительных проводов). Эта же величина UM может быть найдена как про- изведение 1ШКШ, где 1ш — ток в шунте между зажимами UU, a Rul— сопротивление шунта между этими зажимами. Для цепи, показанной на рис.2.1, имеем: А«=/-4- Отсюда следует гдепш—коэффициент деления (шунтирования), показывающий во сколько раз ток в нагрузке меньше тока в контролируемой цепи. Сопротивление нагрузки Rn, подключаемой к шунту, стремятся сде- лать как можно больше. При этом уменьшаются потери мощности в шунте и его габариты. Если сопротивление нагрузки на несколько по- рядков превышает сопротивление шунта, то шунт в этом случае выпол- няет роль преобразователя тока/в пропорциональное ему напряжение на зажимах UU: UM=I Rw. Шунты изготовляются из манганиновых пластин, впаянных в мас- сивные наконечники из красной меди. Они калибруются по току и паде- нию напряжения. При номинальном токе падение напряжения на потен- циальных зажимах шунта имеет номинальное значение (45,60,75,100 или 300 мВ) и класс точности (0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Число класса точно- сти обозначает допустимое отклонение сопротивления в процентах от его номинального значения. 31
а) б) Рис. 2.2. Схемы подключения добавочных сопротивлений (а) и делителя напряжения (б) Добавочные сопротивле- ния являются измерительными преобразователями напряже- ния в ток. На рис. 2.2, а пока- зана схема подключения реле К с сопротивлением Rp к плю- совой шине (например, тяго- вой подстанции) с напряжени- ем U через цепочку последо- вательно соединенных доба- вочных резисторов с суммар- ным сопротивлением Яд. Ток в реле Ip = UI(Ra + Rp) про- порционален напряжению на шинах U, а коэффициент преоб- разования равен п = RA + Rp, В/A. Срабатывание реле проис- ходит при токе 1р = I . Если это срабатывание должно соответствовать уровню напряжения на шинах U = U', то величина сопротивления /?д должна быть равна: Rz=J--RP- (2.2) ср Если в качестве реле К используется реле напряжения с напряжени- ем срабатывания Up = IcpRp, то величину добавочного сопротивления определяют по формуле: р —'I J (2.3) Делители напряжения предназначены для уменьшения напряже- ния в определенное число раз. На постоянном токе они выполняются в виде цепочки последовательно соединенных резисторов, к одному из которых параллельно присоединяется входная цепь защиты. Такая схе- ма подключения показана нарис. 2.2, б, в которой входная цепь защи- ты представлена в виде операционного усилителя А, подключенного к резистору R2. Входное сопротивление цепи защиты обозначим RH. Тогда имеем: 32
U 9 п гаеп—коэффициент деления, равный =Щ-|Л)+ДА =,+V,+V (2.4) Если входное сопротивление Ru цепи защиты на несколько порядков больше, чем сопротивление R2, то можно принять R2IRh = 0. В этом случае коэффициент деления равен: т. е. практически не зависит от сопротивления нагрузки. Резисторы добавочных сопротивлений и делителей напряжения изго- тавливают из манганиновой изолированной проволоки, намотанной на спе- циальные каркасы из изоляционного материала, или из литого микропро- вода в стеклянной изоляции с допустимым током от 0,01 до 60 мА. Как и шунты, эти резисторы делятся на классы точности. Для устройств защиты используются классы точности 0,2; Гальваномагнитные преобра- зователи основаны на использова- нии так называемых гальваномаг- нитных явлений, которыевозника- ют для некоторых материалов, если их поместить в магнитное поле [52]. К гальваномагнитным явле- ниям относятся, в частности, эф- фекты Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникнове- 0,5; 1,0. Рис. 2.3. Преобразователь Холла нии э.д.с. Е на боковых гранях полупроводниковой пластины ПХ, по которой протекает ток I, если пластину поместить в магнитное поле с индукцией В (рис. 2.3). Величина Ех достаточно мала (единицы и десят- ки мВ), поэтому к выходу преобразователя Холла ПХ подключают уси- литель А, входное сопротивление которого на несколько порядков боль- ше, чем выходное сопротивление преобразователя. Измерительные при- боры или входные цепи защиты подключают к выходу этого усилителя. 2 Релейная защита 33
(2.5) Мгновенное значение э.д.с. Холла определяется выражением [53]: с =—В/ cos а, d у где Bv — коэффициент (постоянная) Холла, зависящий от материала и геометрических размеров полупроводниковой пластины, В-м / (Тл-А); d—толщина полупроводниковой пластины, м; В— магнитная индук- ция, Тл; I—ток управления, A; a—угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости полупроводниковой пластины. При использовании преобразователя Холла в качестве датчика тока или датчика напряжения принимают специальные меры для стабилиза- ции величины тока управления I на уровне, равном, как правило, но- минальному значению I = I. Выведем в отдельный сомножитель по- стоянные величины, входящие в выражение (2.5): Sb = RJ /d. Он но- сит название чувствительности преобразователя и для разных типов преобразователей составляет 0,03-1,0 В/Тл. Тогда для мгновенного зна- чения э.д.с. Холла вместо (2.5) можно использовать формулу: ех = SbBcosa. (2.6) Использование гальваномагнитных преобразователей для измерения величины тока основано на законе полного тока: jHd( = I, t vjxcH—вектор напряженности магнитного поля, А/м; €—длиназам- кнутого контура интегрирования, м. Если контур интегрирования проходит через ненамагничивающую среду, то можно пользоваться уравнением: t где В—вектор магнитной индукции, Тл; ц0— магнитная постоянная (4тг10'7 Гн/м). В приборах с немагнитным интегрирующим контуром используется п преобразователей Холла (ПХ1, Г1Х2,... IlXi,... ПХп), расположенных равномерно по окружности вокруг проводника Шс током I, который надо измерить (рис. 2.4, а). 34
Преобразователи размещаются радиально на ферромагнитных под- ложках между наружной КН и внутренней КВ поверхностями цилинд- рического корпуса из немагнитного материала. На выходной усилитель А (рис. 2.3) подается сумма э.д.с. всех преобразователей. Для такого устройства справедливо приближенное уравнение: (^cosocj + B2cosa2 + ... + В. cosa(. +... + 5rtcosan)^n = ц0/, (2.7) где 7?.—магнитная индукция в месте расположения преобразователя nXi; a,— угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости ьго преобразователя; £л — расстояние между соседними преобразователями. Умножим правую и левую части выражения (2.7) на чувствитель- ность Sh, которую для всех ПХ принимаем одинаковой. Тогда с учетом выражения (2.6) получим: 2. 1 = 1 (2.8) откуда следует’, что сумма э.д.с. преобразователей Холла в устройстве, приведенном на рис. 2.4, а, пропорциональна току 1ъ шинеШ. Бесконтактные измерители тока такого типа выпускаются для измере- ния токов до 181)00 А в цепях с напряжением до 9000 В. Погрешность измерениЙдля разных типов состав- ляет off до 3-5 процентов^ Для снижения погрешностей кн ---------— от несимметричного расположе- кв ।------- ния шины Ш в окне корпуса КВ Х1 У Х2 и влияния внешних магнитныхя/^^^^^^у | | полей, а также повышения чув- N-grrggz ствительности используют ферро- а) е) магнитный интегрирующий кон- рис 2.4. Бесконтактные преобразователи тур. Устройство бесконтактного тока преобразователя тока с таким кон- туром показано на рис. 2.4, б, в котором преобразователи Холла ПХ] и ПХ2 расположены в воздушных зазорах магнитопровода М, охва- тывающего шину Ш с измеряемым током. О величине тока в шине Ш судят по сумме э.д.с. преобразователей ПХ1 и ПХ2. 35
Если магнитопровод М (рис. 2.4, б) содержитп участков и имеет т зазоров, то на основании закона полного тока можно составить прибли- женное уравнение: п т И нж, i £ж, (2.9) 1=1 к=\ где Н . — среднее значение напряженности магнитного поля в Z-om ферромагнитном участке магнитопровода; Н3 к —среднее значение на- пряженности магнитного поля в к-м зазоре; £ж (.,€ к —длинасоот- ветственно Z-ro ферромагнитного участка и к-го зазора. Будем иметь в виду, что если умножить напряженность магнитного поля Н3 к в к-ом зазоре на магнитную постоянную ц0, то получим зна- чение магнитной индукции В3 к в этом зазоре. А если теперь умножить Вз к на чувствительность Sh преобразователя Холла, размещенного в этом зазоре, то получим значение э.д.с. Холла на выводах этого преоб- разователя, определяемую выражением (2.6). Преобразователь разме- щается в зазоре так, чтобы соблюдалось условие а — 0, тогда ех,к = ^Ь^з,к = ^О^Ь^з,к- Умножим правую и левую части выражения (2.9) на и будем считать, что все зазоры имеют одинаковую длину £з к =£3- Тогда по- лучим после простейших преобразований у M/LlyH л | (2.10) х,к f г ж,1 ж,1 ' ' к=1 1з V 1 i=l J Отсюда следует, что сумма э.д.с. преобразователей Холла, разме- щенных в зазорах магнитопровода М (рис. 2.4, б), будет пропорцио- нальна току в том случае, если сомножитель выражения (2.10), заклю- ченный в скобки, весьма мало отличается от единицы. Это условие и определяет требования к материалу и конструкции магнитопровода, ко- торый выполняется, как правило, из кремнистой холоднокатаной элект- ротехнической стали. Погрешность от преобразования тока в магнит- ную индукцию (которую и измеряет преобразователь Холла) опреде- ляется гистерезисом и нелинейностью основной кривой намагничива- ния магнитопровода. Сечение магнитопровода выбирается из условия, чтобы при самых больших значениях измеряемого тока ни один из его 36
участков не насыщался. Поэтому масса магнитопровода оказывается достаточно большой и такие устройства имеют гябаритысущественно / больше,^емустройства, показанные на рис. 2.4, а. Эффект Гаусса или магниторезистивный эффект заключается в из- менении сопротивления полупроводникового элемента под воздействи- ем магнитного поля. К магниторезистивным преобразователям отно-Ъ сятся магнитодиоды и магниторезисторы [54]. Метрологические харак-\ теристики (нелинейность, разброс, температурная зависимость\магни- тдрезисторов и магнитодиодов пока невысока, что препятствует их при- мене'никтв качестве измерительных преобразователей. Более благоприятны свойства^агнитотранзисторовЗвыполненных по стандартной технологии для полевых транзисторов. Это позволило ис- пользовать их в пока еще отдельных преобразователях тока в напряжение для устройств релейной защиты [55]. Конструкция такого преобразовате- ля сходна с приведенной на рис. 2.4, а. Ось магнитной чувствительности магнитотранзистора расположена планарно по отношению к поверхности кремниевой пластины (вдольр-и переходов). Поэтому, если поверхность пластины преобразователя Холла располагается перпендикулярно магнит- ному потоку, то магнитотранзистор располагается вдоль него. Для цепей релейной-защиты вокруг проводника стоком должно быть расположена нежнее 12^гнйт5тр5нзи£торов? Их чувствительность к магнитной ин- дукции примерно i/Сддапорядка выше, чем ^преобразователей Холла, а линейность обеспечивается в диапазоне от 10 мкТл до 2 Тл. Опытные экземпляры изготовлялись для токов 1,4 и 10 кА для установок с напря- жением соответственно 0,4; 0,66 и 20 кВ. Погрешности преобразователей соответствуют классу точности 1. 2.2. Гальваническая развязка измерительных преобразователей Нагрузка с сопротивлением Ru, подключенная к шунту RS (рис. 2.1), находится по отношению к земле под тем же потенциалом, что и шунт. В высоковольтных установках постоянного тока измерительные цепи и цепи релейной защиты, подключенныек шунтам, добавочным сопротивлениям и делителям, должны иметь изоляцию на рабочее напряжение установки. Исполнительные органы релейной защиты выполняются, как прави- ло, в виде низковольтных электрических аппаратов и исполнительных 37
цепей. При этом высоковольтные и низковольтные цепи должны быть для безопасности не связаны. Устройство, которое способно переда- вать энергию или информацию из одной цепи в другую, электрически с ней не связанную, называется гальванической развязкой. В цепях пере- менного тока гальваническая развязка осуществляется с помощью / трансформатора. Для цепей любого рода тока могут использоваться оптические, высокочастотные, ультразвуковые устройства гальваничес- кой рдзвязки. На рис. 2.5 приведен пример использования оптической развязки для передачи информации о величине падения напряжения на резисторе R из цепи высокого напряжения постоянного тока в цепь низ- кого напряжения. В качестве такого резистора может выступать шунт или часть делителя напряжения высоковольтной установки. Рис 2.5. Устройство с оптической развязкой Падение напряжения на резис- торе R поступает на вход усили- теля А, к выходу которого подклю- чен преобразователь напряжения в частоту UZ1. На выходе преоб- разователя формируются прямо- угольные импульсы постоянной ширины и амплитуды, частота ко- торых прямо пропорциональна величине постоянного напряжения на входе. К преобразователю UZ1 подключен излучающий светодиод VD1. Импульсы света, излучаемые этим светодиодом, попадают на фотоди- од VD2 и преобразуются им в электрические импульсы с постоянной шириной и амплитудой, частота которых равна частоте импульсов све- тодиода VD1. Преобразователь UZ2 преобразует эту частоту электри- ческих импульсов в прямо пропорциональную ей величину постоянно- го тока (или напряжения), которое поступает на вход устройства релей- ной защиты АК. Таким образом сигнал навходе устройства А /доказы- вается прямо пропорциональным падению напряжения на резисторе R. В общем случае к устройству А /Смогут поступать полученные таким же образом сигналы от других шунтов или резисторов. Гальваническая раз- вязка на рис.’2.5 обеспеченаза счет того, что информация о падении напря- жения на резисторе R в высоковольтной цепи передается в низковольтную цепь по воздуху или оптическому каналу. I Усилитель А и преобразователь UZ1 (рис.2.5) нуждаются в источни- ' ках питания. Поскольку эти приборы находятся в распределительном 38
устройстве высокого напряжения, то источник питания в свою очередь не должен иметь гальванической связи с цепями оперативного питания низкого напряжения. В качестве такого источника в принципе могут применяться аккумуляторы и гальванические элементы, однако в стаци- онарных установках, как правило, их не используют из-за необходимо- сти постоянного контроля напряжения, частой замены или подзарядки. При отсутствии постоянного дежурного персонала это вызывает нео- правданное усложнение условий эксплуатации. Обычно используют источники сразделительным трансформатором. Приведенный на рис. 2.6, а источник подключается через разделитель- ный трансформатор Тк цепям оперативного питания низкого напряже- ния, например, 220 В. К вторичной обмотке трансформатора присоеди- нен выпрямитель UZ, на выходе которого получают двуполярное посто- янное напряжение, необходимое для операционных усилителей, напри- мер, + 12 В. Вариант источника, показанный на рис. 2.6, б, не имеет связи сцепями оперативного тока. К шине-(-(/высокого напряжения под- ключена цепочка RPдобавочных сопротивлений, последовательно с кото- рыми включен стабилитрон VD. Параллельно ему подключен инвертор UZ1, преобразующий постоянное падение напряжения на стабилитроне в пере- менное, нагруженный на разделительный трансформатор Т. Ковторичной обмоткетрансформатора подключен двуполярный выпрямитель UZ2. Галь- ваническая развязка в обоих случаях осуществляется при помощи транс- форматора Т, изоляция между первичной и вторичной обмотками которого должна быть рассчитана на номинальное напряжение высоковольтного рас- пределительного устройства. Рис. 2.6. Гальванически развязанные источники питания 39
2.3. Виды измерительных преобразователей переменного тока \ Измерительные преобразователи тока и напряжения широко исполь- зуются в релейной защите в качестве источников (датчиков) информа- ции о режимах работы защищаемого объекта. Они изолируют цепи вто- ричной коммутации от высокого напряжения. Наибольшее распростра- нение в установках переменного тока в качестве таких преобразовате- лей получили измерительные трансформаторы тока и напряжения [16, 17,56,57]. Номинальный вторичный ток для трансформаторов тока (ТТ) равен 5 или 1 А, номинальное вторичное напряжение трансформаторов напряжения (ГН) составляет 100 В. Как правило, релейная защита присоединяется к тем жетрансформато- рам тока или напряжения, к которы м подключены измерительные приборы. Для измерительных приборов важна точность преобразований, осуществ- ляемых трансформаторами при нормальных нагрузках, а д ля релейной за- шиты—при коротких замыканиях,когдатокимогутбьпъзначигельноболь- ше, чем в нормальном режиме, а напряжения меньше. Снижение напряже- ния не приводит к возрастанию погрешности TH, а увеличениеТока вызы- вает увеличение погрешности ТТ. Поэтому выбранные для целей измере- ния трансформаторы тока, если к ним под ключаются реле, необходимо про- верять по допустимой погрешности в режиме короткого замыкания. В качестве преобразователей тока для релейной защиты в ряде случаев используют так называемые трансреакторы. Если трансфор- маторы тока преобразуют первичный ток в пропорциональный ему вто- ричный ток, то трансреакторы преобразуют первичный ток в пропорци- ональную ему вторичную э.д.с. Трансреакторы работают в режиме, близ- ком к холостому ходу, их сердечник имеет немагнитный зазор. Угол между первичным током и вторичной э.д.с. близок к 90°. Трансформаторы тока и трансреакторы для установок с напряжением 500 кВ и выше достаточно сложны по конструкции и имеютзначительные погрешности. При таких высоких напряжениях целесообразно использо- вать преобразователи токов, основанные на других принципах. К ним от- носятся «магнитные» трансформаторы тока, использующие индуктивную связь между первичными и вторичными цепями, атакже устройства с иными видами связи [56,57,58]. «Магнитный» трансформатор тока и меет П-образный ферромагнитный сердечник, на котором размещены вторичные обмотки. Его устанавливают 40
под проводомтой фазы, токв которой необходимо контролировать. Магнит- ный поток, создаваемый током фазы, индуктирует во вторичных обмотках пропорциональную току э.д.с., которая и используется для входных цепей защиты. Принимаются специальные меры для уменьшения влияния магнит- ных потоков других фаз. Такие преобразователи просты, экономичны, одна- ко мощность,которую они могут отд авать во вторичную обмотку, очень мала. Возможно, кроме того, в преобразователях первичного тока во вторичный использовать радио- и оптические каналы связи. При этом измеряемый ток преобразуется в радио- или световой сигнал и пере- дается в приемник, находящийся под потенциалом земли. Приемник преобразует этот сигнал в электрический, используемый для вход- ных цепей защиты. 2.4. Условия работы и схемы включения трансформаторов тока Условия работы. Рассмотрим принципиальную схему трансформа- тора тока и его схему замещения (рис. 2.7). Первичная обмотка с чис- лом витков w। включена последовательно в цепь контролируемого тока /]. Ко вторичной обмотке с числом витков w2 подключено сопротивле- ние нагрузки Zlt—сумма сопротивлений последовательно включенных обмоток реле, измерительных приборов и соединительных проводов. Согласно закону полного тока: М -Z2w2=Iuwi =£ц’ (2-11) где —соответственно результирующая магнитодвижущая сила (м.д.с.) и намагничивающий ток. Разделим выражение (2.11) на w2: Рис. 2.7. Трансформатор тока 41
е2 1^}^2-1_2=к^/уи2- Г] = /2+/'ц (2.12) где I_\ = Liw, /w2, Гц = ZgWj /w2. Последнему выражению соответствует схема замещения, изображен- ная на рис. 2.7, б, в которой сопротивления первичной обмотки Z\ и ветви намагничивания приведены ко вторичной обмотке. На основании схемы замещения пост- роена векторная диаграмма, приведенная на рис. 2.8, в которой учтено, что сопро- тивление Z'] не влияет на распределение тока 1\ между ветвями Z'^ и Zl(. Ток на- магничивания создает результирую- щий магнитный поток Ф. который отстает от него на угол у из-за потерь в стади. Магнитный потокФ наводит э.д.с. Е2. Примем, что положительное направление совпадает с положительным направ- __Ь. 2 ф лением тока / 2 (от конца к началу об- Рис. 2.8. Векторная диаграмма ’ мотки w2). Тогда вектор Е2 опережает трансформатора тока вектор Ф на угол 90°. Ток / 2 отстает от э.д.с. Е2 на некоторый угол у, определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивлений Z2 и Zn. Из векторной диаграммы видно, что вторичный ток отличается от приведенного первичного по абсолютному значению на токовую погреш- ность А/ = /' - /2 и по фазе на угловую погрешность 8. Относительная токовая погрешность трансформатора, %: „ А/ Г,-1, ft=—100 = ^-^100 = J-------2—400, (2.13) где = w2 /W]—витковый коэффициент трансформации трансформа- тора тока. Полная погрешность е трансформатора тока определяется поформуле,%: 42
е = (214) yi V о где г,, i2 — мгновенные значения соответственно первичного и вто- ричного токов; Т —период тока. Величина, находящаяся под знаком радикала, есть не что иное, как квад- рат действующего значения тока намагничивания, поэтому: e = (/g//j) Ю0%. (2.15) Идеальной трансформации, когда между первичным и вторичным токами сохраняется пропорциональность, соответствует условие = 0. При этом 12 = Ц / w2 = 1Х / Кт. Чем меньше сопротивление ZH по срав- нению с Zj, тем меньше 7^ и тем ближе условия трансформации к иде- альным. Следовательно, нормальным для трансформатора тока являет- ся режим работы с малым сопротивлением вторичной цепи, т.е. режим короткого замыкания. При этом не допускается размыкание цепи вто- ричной обмотки, поскольку тогда весь первичный ток становится на- магничивающим^и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора 'J резко увеличивается. Это приводит к насыщению магнитопровода, воз- растанию в нем потерь и недопустимому нагреву изоляции обмоток. Кроме того, на разомкнутой вторичной обмотке появляются опасные для людей и изоляции пики напряжения в несколько тысяч вольт. Рис. 2.9 Зависимость вторичного тока /2 от первичного /, (а), осциллограмма первичного / и вторичного /2 токов при насыщении трансформатора тока(б) и зависимость предельной кратности Кю первичного тока от сопротивления нагрузки (в) 43
Точность преобразования первичного тока в пропорциональный ему вторичный ток зависит не только от сопротивления нагрузки, но и от значения первичного тока. На рис. 2.9, а кривая 1 соответствует зависи- мости изменения тока 12 от величины первичного тока 7, при реальном насыщении сердечника, а прямая 2 соответствует этой зависимости в том идеальном случае, если насыщение сердечника отсутствует. Вели- чина Ы на рис. 2.9, а определяет токовую погрешность измерений для данного значения первичного тока78. С увеличением первичного тока токовая погрешность Д7возрастает. Увеличивается также и насыщение сердечников трансформаторов тока, поэтому форма вторичного тока рез- ко искажается, становится несинусоидальной (рис. 2.9, б). Вследствие возрастания токовой погрешности релейная защита получает искажен- ную информацию о режиме работы защищаемого объекта, что может привести к ее неправильному действию (отказ срабатывания или из- лишнее срабатывание). Искажение формы кривой вторичного тока мо- жет явиться причиной отказа срабатывания некоторых видов измери- тельных органов, применяемых в релейной защите. Для правильной работы большинства ее устройств в установившемся режиме погреш- ность по току не должна превышать 10%, а погрешность по углу 7°. Эти условия выполняются, если е < 10%. Для оценки степени насыщения трансформатора тока введено понятие кратности первичного тока к1 = 7]/7|ном,где7| —величина первичного тока;/, —номинальный первичный ток трансформатора тока. Пределънойкратностъюуокъ. называют отношение к|0 = 71тах/71ном, где 71тах — максимально допустимый ток первичной обмотки транс- форматора тока, при котором полная погрешность е при данной нагруз- ке Z(/ не превосходит 10 %. Предельная номинальная кратность тока к10 ном является частным случаем предельной кратности к|0 при нагруз- ке Z/(, равной номинальной Z„ //ои с cos срн — 0,8. Заводы-изготовители дают для трансформаторов тока каждого типа кри- вые зависимости предельной кратности токак10 — f(Zt) от величины сопро- тивления нагрузки [59], примерный вид которых приведен на рис. 2.9, в. Кроме того в паспортных данных указываются значения номинальной на- грузки^ 1ЮМ и номинальной кратноститокак10нан[59]. Трансформаторы тока, как известно, выбираются по роду установ- ки, напряжению, номинальному току, классу точности и проверяются на устойчивость к действию токов короткого замыкания. Используемые 44
для подключения цепей релейной защиты трансформаторы тока допол- нительно должны удовлетворять следующим трем требованиям [38]: ♦ в целях предотвращения излишних срабатываний при коротких за- мыканиях вне зоны действия каждой из ступеней токовая погреш- ность трансформатора тока (полная или относительная), как прави- ло, не должна превышать 10 %; ♦ в целях предотвращения отказов защиты при коротком замыкании в начале защищаемой зоны токовая погрешность не должна превы- шать значений, допустимых для выбранного типа реле (по условиям повышенной вибрации контактов), а для реле направления мощнос- ти и направленных реле сопротивления — 50 % (по условиям угло- вой погрешности); ♦ напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора тока при коротком замыкании в защищаемой зоне не должно превышать зна- чений, допустимых для устройств релейной защиты по условиям прочности изоляции вторичных цепей. Для проверки трансформатора тока по условию 10 % погрешности необходимо вычислить величину первичного тока /1тах при коротком за- мыкании в конце зоны действия каждой из ступеней защиты, а также сопротивление Z/( вторичной цепи трансформатора тока. Расчетные формулы для вычисления сопротивления вторичной на- грузки трансформаторов тока при разном их соединении приведены в табл. 2.1, в которой: г — сопротивление соединительных проводов; z^—сопротивление всех реле в данной фазе; —сопротивление реле в нулевом проводе; г—переходное сопротивление контактов (0,1 Ом). В целях упрощения все сопротивления складываются арифметически. Сопротивление нагрузки ZH вычисляют для наиболее нагруженной фазы и для того вида к.з., при котором это сопротивление получится наи- большим. Сопротивление реле равно zp = S/I2, где 5—потребляемая мощность, В-А;7—ток реле, при котором задана потребляемая мощ- ность, А. Далеевычисляютвеличинупредельнойкратносгитокак10 = ^max/A/(0VH сравнивают величины к10 и Zlt с паспортными данными. Если соблюда- ются условия к10 ^io,/OA(hZ„ ZH ,,au, то погрешность трансформато- ра тока не превысит 10 %. Более точная проверка осуществляется с использованием кривых предельной кратности к,0 = /(Z/() для данного 45
Таблица 2.1 Схема соединений Вид к.з. Формулы для вычисления сопротивления вторичной нагрузки трансформатора тока (на фазу) 1. I CU-O Трехфазное и двухфазное Однофазное ZH=rnp+zP+rnep 2,1=2гпр+2рф+гро+гпер 2. I -CD-CZh А В Трехфазное Двухфазное в фазах АВ или ВС ia8, % + + ь? t г + N £. + + J*- Р’ (N сн « II II № № № 3. n rrOCZJ- Л| rnp [ / \| Трехфазное Двухфазное в фазах АС Двухфазное в фазах АВ или ВС N „N _N X ж = II II " >3 -8 -в4 + + 53 w w .а''1 в + + + ^ s'1 s'* Y л 45 + г 4.| CZJ-CJ-I 4 b[ гЩщТ rv zpi Трехфазное и двухфазное; двухфазное за трансфор- матором Однофазное ZH=3rnp+3zP+rneP ZH=2rnp+2zp+rnep 5. i J] — z'„=0,5ZH 6. 1 Z'n=2ZU J Примечание: при последовательном или параллельном соединении транс- форматоров тока в каждой фазе (схемы 5 и 6) сопротивление нагрузки каж- дого из них обозначено Z', при этом сопротивление вторичной цепи ZH вычисляют по формулам, приведенным для остальных схем. 46
типа трансформатора тока (рис. 2.9, в). По оси ординат откладывают вычисленное значение к10, а на оси абсцисс находят значение Z, = Z/4 допустимого сопротивления нагрузки. Если соблюдается условие ZH С Z/t/юи, где Z;/—вычисленное по табл. 2.1 сопротивление нагруз- ки, то погрешность трансформатора не превышает 10 %. В противном случае необходимо либо уменьшить значение Z(/ за счет увеличения се- чения соединительных проводов, либо заменить трансформатор тока (выбрать другое значение Z1/ev или другой тип трансформатора тока). При к.з. в месте установки защиты первичные токи трансформато- ров тока могут быть значительно больше расчетного тока Гу (см. рис. 2.9, а) и полная погрешность окажется больше допустимого значения, равного 10%. Глубокое насыщение трансформаторов тока, а следова- тельно, и увеличение токовой погрешности могут быть вызваны апери- одической составляющей в кривой тока к.з. В этих случаях релейная защита может срабатывать нечетко или иметь отказы. Например, при токовой погрешности более 50 % и вторичном токе, в 3,5 раза и более превышающем ток срабатывания, у электромагнитных реле возникает неустранимая~вибрация контактов вследстаие резкого искажения фор- мы кривой тока. Поэтому для"максимальных токовых защит и токовых отсечек с реле РТ-40, для полупроводниковых реле, а также для дис- танционных защит с индукционными реле токовая погрешность транс- форматоров тока более 50 % не допускается. Для максимальных токо- вых направленных защит эта погрешность не должна превышать 30%. В то же время ряд реле, выполненных н^нтёгральньпГмикросхемах, например, РСТ11-РСТ14, могут четко работать при погрешностях транс- форматора тока до 80-90% [22]. Проверка погрешности трансформатора тока при коротком за- мыкании в начале защищаемой зоны выполняется следующим об- разом. По известной величине нагрузки Z/z находят предельную крат- ность тока к10 по кривым к10 = /(ZJ для данного типа трансформа- тора тока [59]. Вычисляют величину тока /|п1ах, соответствующую короткому замыканию в начале зоны защиты, и определяют вели- чину наибольшей кратности тока для этого случая ктах = /|тах//1т)„. Используя справочные данные, например [59], задаются максималь- ной допустимой для выбранной защиты токовой погрешностью/% и по графику, приведенному на рис. 2.10, находят значение коэффициента Л. Затем проверяется условие: 47
1Л max А (2.16) *10 Рис. 2.10. Зависимость токовой погрешности f от коэффициента А Если это условие выполняется, то токовая погрешность трансфор- матора тока не превысит допусти- мого для данного случая значения. В противном случае проверка трансформатора тока по токам к.з. в месте установки защиты может потребовать либо уменьшения Zn, выбранного по условию 10%-ной А погрешности, либо выбора транс- форматора тока того же типа с бо- лее высоким значением 1Ькп1, либо выбора его другого типа. Более точ- ный метод проверки пригодности трансформатора тока д ля релейной защиты при погрешности выше 10% изложен в [59]. Еще одну проверку трансформатора тока необходимо выполнить по напряжению иъ!1, которое возникает при первичном токе /1тах, равном максимальному току к.з. в месте установки защиты: U?=k42L 2m у Imax zz vt (2.17) где ку = 1,8—ударный коэффициент тока к.з. Это напряжение не дол- жно превышать 41U (амплитудное значение), где Uucn— испыта- тельное напряжение для изоляции токовых цепей, принимаемое равным 1000 В (действующее значение) [38]. Схемы включения трансформаторов тока. Рассмотрим наибо- лее распространенные схемы соединения. Схема соединений трансфор- маторов тока и обмоток реле тока КА в звезду (рис. 2.11, я) применяет- ся для защит, реагирующих на все виды однофазных и многофазных замыканий. В нулевом проводе протекает ток только при коротких за- мыканиях на землю, либо при обрыве вторичной цепи одного из транс- форматоров тока. Коэффициент схемы ксх—отношение тока в реле ко вторичному току трансформатора тока той же фазы, равен 1. По усло- 48
виям электробезопасности все вторичные обмотки трансформаторов тока необходимо заземлять. Рис. 2.11. Схемы включения трансформаторов тока На рис. 2.11,6 приведена так называемая схема соединения в непол- ную звезду. По реле, включенным в фазы, протекает ток соответствую- щих трансформаторов тока, поэтому ксх = 1. В нулевом проводе ток ра- вен геометрической сумме токов фаз. При замыкании на землю фазы В ток в схеме защиты по сравнению с током нормального режима не изме- няется. Поэтому такая схема применяется в сетях с изолированной нейт- ралью только для защит от междуфазных замыканий. Для защиты трех- фазных электрических сетей и трансформаторов со схемой соединения обмоток a/Y можно применять соединение трансформаторов тока в не- полную звезду с двумя реле (в обратный провод реле не включается). В этих случаях ее чувствительность такая же, что и у схемы с тремя реле. При двухфазном к.з. за трансформатором со схемой а/Д чувствитель- ность рассмотренной схемы в 2 раза ниже, чем у схемы с тремя реле. В схеме рис. 2.11, в трансформаторы тока включены в треугольник, ареле—в звезду. Схема применяется в основном для дифференциаль- ных защит трансформаторов. Через катушку каждого реле проходитток, равный геометрической разности токов двух фаз. При симметричной нагрузке и трехфазном замыкании через реле течет линейный ток, в д/з раз больший тока фазы и сдвинутый относительно него на 30°. В этом режиме ксх = д/з. Токи через катушки реле проходят при всех видах 49
к.з., однако отношение тока в данном реле к фазному току зависит от вида к.з. Токи нулевой последовательности замыкаются внутри треу- гольника и в реле не попадают. Возможно применение рассматривае- мой схемы соединения трансформаторов тока с двумя реле. Такое со- единение получается, если в схеме, приведенной на рис. 2.11, в, одно из реле замкнуто накоротко. Однако при двухфазном к.з. за трансформа- тором со схемой соединения обмоток A/Y ее чувствительность оказы- вается в 2 раза меньше, чем при трех реле. В схеме, приведенной на рис. 2.11, г, реле включено на геометри- ческую разность токов двух фаз. При симметричной нагрузке и трех- фазном к.з. ток в реле в у/з раз больше тока фазы (ка — л/З). При к.з. между фазами А и Сток через реле в 2 раза больше тока фазы (ксх = 2), а при двухфазных к.з. между другими фазами через реле проходит ток только одной фазы (ксх = 1). Эта схема наиболее проста, но имеет су- щественный недостаток: ее чувствительность к разным видам к.з. раз- лична. Кроме того, она не реагирует на к.з. между фазами Ви С за трансформаторами с соединением обмоток Y/Д, а также на замыкания на землю в фазе В. Обычно она применяется для защит от многофазных замыканий линий небольшой длины с изолированной нейтралью и элек- тродвигателей небольшой мощности. При разных видах к.з.(трехфазные, двухфазные, однофазные) через реле тока разных фаз схем включения, приведенных на рис. 2.11, могут протекать разные по величине токи. Условия работы защиты определя- ются тем из вторичных токов трансформатора тока, который при данном виде к.з. является наибольшим, и который проходит хотя бы по одному из реле защиты. Для схем включения трансформаторов тока и реле та- кой наибольший вторичный ток 1р является расчетным. В табл. 2.2 при- ведены формулы для вычисления тока/, в симметричных режимах и при трехфазных (/<3)) и двухфазных (/<2)) к.з. Имеется в виду при этом, что для распределительных сетей и сетей внешнего электроснабжения железных дорог имеет место соотношение /(2)^737(3)/2 = о,866/<3\ Расчетный ток I связан с током первичной сети соотношением Ip = / Кг, где Fni>—ток в защищаемой цепи при данном режи- ме или виде к.з.; —расчетный коэффициент схемы притом же режиме или виде к.з.; К,.—коэффициент трансформации трансформа- тора тока. 50
Для трехфазного к.з. (т = 3) имеем = к^1^, для двух- фазного к.з. («1 = 2) — =/с^)/(2), для однофазного к.з. — K(m)y(m) _^0)^(1) ц нормальном (симметричном) режиме к(^)/("1) _к(3)дгде/;(—ток нормальной нагрузки, а = к£>. Таблица 2.2 Схема включения трансформаторов тока и реле Формулы для вычисления тока /р в реле при к.з. и в симметричных режимах Трехфазные к.з. и симметричные режимы Двухфазные к.з. в месте установки защиты или за трансформатором А/Л- 0(12) за трансформатором Д/А-п Полная звезда (см. рис. 2.11. а) 7(3) к КТ 7(2) _ 737(3) *т 2*т 2Z<2> /<3> 7з/ст “ /ст Неполная звезда с двумя реле (см. рис. 2.11,6 — реле в обрат- 7(3) К *т КТ 2КТ /(2) /(3) к Лк J1KT ~ 2КТ Неполная звезда с тремя реле (см. рис. 2.11, б) у(3) К /<2) Уз/р» Кт 2Кт 21^ 1™ Треугольник с тремя реле (см. рис. 2.11, в) 2Z<2> V3Z<3> V3Z<2> 1,5Z<3> Треугольник с двумя реле (одно из реле, показанных на Уз/*3? кТ Z<2> = >/37<3> /Ст 2Кт _ 1,57<3> /ст /ст Включение одного реле на разность токов двух фаз (см. рис. 2.11, г) кТ Z<2> V3Z<3) /Ст 2/Ст Не применяется В табл. 2.3 приведены значения расчетных коэффициентов схемы для различных схем и режимов. Для трансформатора со схемой соедине- ния обмоток А/Д— 11 значения ик£р принимаюттакимже,каки для схемы Д/А — 11 (поскольку в схеме Л/Д — 11 вторичная обмот- ка не имеет нулевой точки, то однофазные к.з. невозможны). Прочерк означает, что для защиты от к.з. данного вида такая схема соединений не применяется из-за сложности или возможности появления отказа при к.з. в какой-либо из фаз. 51
Таблица 2.3 Схема включения трансформаторов тока и реле Значение коэффициента схемы ксх при к.з. и в симметричных режимах V II 0 к В месте установки защиты или за трансформатором Л/Л-0(12) В месте установки защиты или за трансформатором Д/Л-и <2’ к11’ сх „(2) Ксх Полная звезда (см. рнс. 2.11, а) 1 1 — 2 7з — Неполная звезда с двумя реле (см. рис. 2.11. б — реле в обрат- 1 1 3 1 з/З 1 7з Неполная звезда с тремя реле (см. рнс. 1 1 2 3 2 7з 1 7з Треугольник с тремя реле з/з 2 — з/З 2 7з Треугольник с двумя реле (одно из реле, показанных на з/З 1 — з/З 1 з/З Включение одного реле на разность токов двух фаз (см. рнс. 2.11, г) з/J 1 — — — Ток срабатывания реле I в симметричном режиме определяется по формулам для трехфазного к.з. при замене наток срабатывания защиты 1а, также приведенный к напряжению той стороны, где установ- лены трансформаторы тока. Аналогично определяется ток 1р через реле в нормальном симметричном режиме. В этом случае в формулах для трехфазного к.з. ток заменяется на фазный ток 1н нормального ре- жима, протекающий по первичной обмотке трансформатора тока. 2.5. Условия работы и схемы включения трансформаторов напряжения Однофазный трансформатор (рис. 2.12, а) первичной обмоткой вклю- чен на линейное напряжение между двумя любыми фазами. Если его вторичная обмотка разомкнута, то под действием приложенного к пер- 52
вичной обмотке напряжения по ней протекает ток намагничивания, со- здающий в магнитопроводе магнитный поток. Этот поток Ф наводит в первичной обмотке с числом витков w, э.д.с. = 4,44/^]Ф и во вто- ричной с числом витков w2 — э.д.с. Е2 - гдеf— частота. В режиме холостого хода во вторичной обмотке тока нет, а ток намагни- чивания в первичной мал. Поэтому напряжения 17( и U2 на первичной и вторичной обмотках можно считать равными соответствующим э.д.с. Коэффициент трансформации: Ку = Е} / Е2 = и1, / w2 = Ц / U2. Если же ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то в ней по- явится ток, увеличится ток также и в первичной обмотке. Эти токи со- здают в сопротивлениях обмоток падения напряжения. Чем больше токи в обмотках, тем больше падения напряжения и тем больше напряжения на обмотках отличаются отэ.д.с. В связи с этим нарушается пропорци- ональность между вторичным и первичным напряжениями. Угловая по- грешность невелика (менее 1%). Погрешность по напряжению: /С,, 17, -U, —|00%’ <218> а) ABC TV II га г-—Ь _xlx tzzi ‘ Ч--*----с * KV1 KV2 КУЗ KV4 KV5 KV6 б) TV АВС -- ь с KVl КУ2 КУЗ KV4 КУЗ КУ6 КУ7 КУ8 КУ9 ртОтрр гРд О р] Ор А Рис. 2.12. Схемы включения трансформаторов напряжения и реле 53
Для уменьшения погрешностей следует стремиться к режиму, близ- кому к холостому ходу. По этой погрешности ГОСТом установлены четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3. Каждому классу точности соот- ветствует своя номинальная мощность. Схема, приведенная на рис. 2.12, а, применяется в тех случаях, ког- да необходимо измерять одно линейное напряжение между какими-либо двумя фазами. Схема соединения трансформаторов напряжения в от- крытый треугольник (рис. 2.12, б) позволяет измерять все три между- фазных напряжения, а схема соединения трех трансформаторов в звез- ду (рис. 2.12, в) — все линейные и все фазные напряжения. Защита трансформаторов напряжения от внутренних повреждений осу- ществляется предохранителями, которые устанавливают на каждом из вы- водов первичной обмотки. Однако эти предохранители не защищают вто- ричные цепи от перегрузок и коротких замыканий. Поэтому все незазем- ленные провода присоединяются к выводам вторичных обмоток транс- форматоров напряжения через предохранители или автоматические вык- лючатели. По условиям безопасности вторичная обмотка должна быть заземлена. Провод, подключенный к вторичной обмотке в точке ее за- земления, предохранителем или автоматическим выключателем не обо- рудуется. Если перегорание предохранителей или отключение автоматических выключателей, при которых исчезает вторичное напряжение, может при- вести к неверному действию защиты, то такие защиты должны снаб- жаться специальными органами, которые автоматически выводят эти защиты из работы. Для напряжений 500 кВ и выше элекгромагнитныетрансформаторы напряжения получаются громозд кими и дорогими. В таких установках при- меняют емкостные преобразователи напряжения (рис. 2.13), в которых ис- пользуются емкостные делители на- пряжения и электромагнитныетранс- форматоры напряжения. Напряжение UC2 на конденсаторе С2 равно (7С2 =ЦС1/(С1 + С2).Этонапря- жение подается напервичную обмот- Рис. 2.13. Емкостной измерительный преобразователь напряжения 54
кутрансформатора Т, со вторичной обмотки которого снимается напря- жение U2. Номинальное напряжение = ЮО ®- Реактор LR совместно с индуктивностью рассеяния трансформатора Ткомпенсирует падение напряжения в делителе, вызванное токами на- грузки. Разрядник/^защищает трансформатор Тот перенапряжений. В качестве С1 может использоваться батарея последовательно соеди- ненных конденсаторов. Емкостные измерительные преобразователи напряжения могут при- меняться и в сетях более низкого напряжения. Распространены схемы, в которых в качестве емкости С1 используются конденсаторные обкладки вводов 110—500 кВ трансформаторов и выключателей. Однако, точ- ность их ниже, чем электромагнитных трансформаторов напряжения. 2.6. Согласующие и промежуточные трансформаторы. Переходные процессы Электромеханические реле подключают непосредственно ко вторич- ным обмоткам трансформаторов тока и напряжения. В то же время но- минальные вторичные токи 5 А трансформаторов тока и номинальные вторичные напряжения 100 В трансформаторов напряжения для полу- проводниковых элементов, особенно для микроэлектронных схем, ока- зываются слишком большими. Поэтому электронные блоки релейной защиты подключают к измерительным трансформаторам не непосред- ственно, а через согласующие трансформаторы [22,27]. Так, измерительные приборы и измерительные органы И01, И02, ИОЗ полупроводниковых защит комплекса «Сейма» подключены к транс- форматору тока ТА через согласующий трансформатор TL (рис. 2.14, а). Ко вторичной обмотке трансформатора TL присоединена цепочка пос- ледовательно соединенных потенциометров Rl, R2, R3. Падение напря- жения на них используется в качестве входных сигналов для измери- тельных органов. Уставки срабатывания регулируют движками потен- циометров. Коэффициент трансформации согласующего трансформато- ра TL равен 50, номинальный вторичный ток 0,1 А. Промежуточные трансформаторы TL1, TL2, TL3 выполняют роль разделительных, они осуществляют гальваническую развязку измерительных органов и уст- раняют взаимное влияние цепей этих органов. 55
При подключении приборов и измерительных органов релейной за- щиты к трансформатору напряжения TV (рис. 2.14, б) через согласую- щий трансформатор TL (коэффициент трансформации 25, номинальное вторичное напряжение 4 В) во входных цепях измерительных органов протекают весьма малые токи. Полупроводниковые устройства релей- ной защиты в этом случае можно выполнит^ в виде модулей на разъе- мах, что существенно облегчает замену модулей при ревизиях и ремон- тах. Такой принцип используется в электронном комплексе «Сейма», предназначенном для управления и защиты тяговых подстанций и по- стов секционирования переменного тока [27]. Рис. 2.14. Схемы подключения полупроводниковых защит к измерительным трансформаторам Рис. 2.15. Входной блок для реле, реагирующего на две подведенные величины В ряде случаев, например, для реле сопротивления, на вход измери- тельных органов необходимо подавать электрическую величину, про- порциональную геометрической сумме (или разности) напряжения U и тока_/р, подводимых к реле от измерительных трансформаторов. На 56
рис. 2.15, а приведена измерительная схема, осуществляющая с помо- щью согласующих трансформаторов преобразование вида: Ц}=^ + к2Ур, U^k^-k^, (2.19) где К], к2, к3, к* — комплексные коэффициенты. Схема состоит из двух промежуточных трансформаторов ТЫ и TL2. Первичная обмотка трансформатора ТЫ подключается к трансформатору напряжения TV, а первичная обмотка трансфор- матора TL2 — к трансформатору тока ТА. В качестве TL2 исполь- зуется промежуточный трансформатор с воздушным зазором в магнитопроводе (трансреактор). Э.д.с. на его вторичных обмот- ках пропорциональна току в первичной обмотке и сдвинута на угол, близкий к 90°. Вторичные обмотки трансформаторов ТЫ и TL2 включены соглас- но-последовательно и встречно-последовательно. На вторичных обмот- ках трансформатора ТЫ имеем напряжения Ull} и Ull2, а на вторичных обмотках TL2—напряжения!/^ и Ут2. Напряжения на выходных зажи- мах: и} = ит1 + ин1, и2=ит2-ин2. (2.20) Необходимые фазовые сдвиги в схеме обеспечиваются цепочками R1-C1HR2-C2. На векторной диаграмме (рис. 2.15,6) за исходный принят вектор У. Вектор I отстает от него на угол фр. Вектор L7z । сдвинут относитель- но U на угол п - у. Угол у обусловлен наличием цепочки R1—С1 и потерями в трансформаторе ТЫ. Векторы (/т| и Ут2 отстают от вектора [ на угол т + р. Угол р обусловлен наличием цепочки R2-C2, характе- ром нагрузки и потерями в трансформаторе TL2. Если в качестве TL2 используется трансреактор, то т = л/2 (в качестве TL2 можно приме- нять также специальные трансформаторы тока [60], в этом случает = л). Поскольку ТЫ и TL2 являются трансформаторами, то: и,л = ир. 4,2 = 4, = ил = <2.20) гдекн1 = Кт,кп2 = Ки2—коэффициенты трансформации трансформа- тора ТЫ, а кт1, к12—коэффициенты преобразования для трансреактора TL2. Коэффициенты кт1 и кт2 имеют размерность, В/А. 57
Из треугольников ОВС и OAF по теореме косинусов находим: Ц2 = ^1+^,-^Л«»(’'-е)= =+‘'iL7.+“5(ъ - = + k1,2V1, + 2S >К.2,7р !„ С°*(Фр - «Ji (2.21) X, = arccos I — arccos Кт17р+кН1^СО5(фр-а) ц X2 = arccos = arccos 'U^U^-U^ l 2Ц[/т2 J ^p+x^p^^p- ^2 где е = л- у-ф^-т-р,а = л- у- т- р. Угол а является конструктивным параметром и носит название угла максимальной чувствительности. Напряжения Ц и U2 подаются на вхо- ды реле, реагирующих на две подведенные величины. В зависимости от конструкции такие реле могут реагировать на абсолютное значение Ц и U2, на фазовый угол между ними + Х2, либо на то и другое одновре- менно. Согласующие и промежуточные трансформаторы работают, как пра- вило, в режимах, отличающихся от режимов других маломощных транс- форматоров, используемых, например, в блоках питания разных уст- 58
ройств. Если для трансформаторов блоков питания характерно пример- ное постоянство величины входного напряжения и стремление к сниже- нию их стоимости,то для согласующих и промежуточных трансформа- торов релейной защиты важно, чтобы их основные параметры и линей- ность сохранились в условиях большого диапазона изменений напряже- ний и токов. При использовании для устройства защиты модульных кон- струкций важно иметь возможно малые габариты этих трансформаторов и удобную их форму. Большое распространение получили тороидальные трансформаторы. В то же время трансреакторы (трансформаторы с воздушным зазо- ром) натороидах из трансформаторной стали выполнять неудобно. Для ихизготовленйяиспользуютсяШ-образныепластины.Возможно изго- товление трансреакторов в виде трансформаторов при использовании ферритовых магнитопроводов. Если обычные согласующие или проме- жуточные трансформаторы предназначены для преобразования напряже- ния (или тока) одной величины в напряжение (или ток) другой величины, то трансреактор преобразует ток первичной обмотки в э.д.с. на вторич- ной обмотке, величина которой пропорциональнаэтому току, аугол сдвига между ней и током близок к л/2. Коэффициент преобразования Кт мо- жет грубо регулироваться изменением числа витков первичной обмотки. Методика расчета согласующих и промежуточных трансформато- ров и трансреакторов приведена в [60]. у Возникновение в электрических сетях, генераторах и трансформауо- рах коротких замыканий сопровождается переходным процессом^о- стоящим из периодических и апериодических составляющих. Основ- ное влияние на работу трансформаторов тока и других трансформато- ров устройств релейной защиты оказывает апериодическая составляю- щая [15,16,17, 20]. Эта составляющая имеет наибольшее значение, равное амплитуде установившегося тока короткого замыкания, в том случае, если короткое замыкание наступает в момент, когда кривая на- пряжения проходит через нулевое или близкое к нулю значение. В этом случае примерно через полпериода амплитуда тока короткого замыка- ния (ударный ток) достигнет почти удвоенной амплитуды установивше- гося значения этого тока. Если магнитопроводтрансформаторатока(или согласующих транс- форматоров) не был насыщен предыдущей нагрузкой нормального режима, то в его вторичной цепи кроме периодической появляется и 59
апериодическая составляющая. Ударный ток при этом может вызвать излишнее действие тех защит, которые не предназначались для этого короткого замыкания. В том же случае, если магнитопровод трансфор- матора тока (или согласующих трансформаторов) был насыщен преды- дущей нагрузкой нормального режима, то из-за апериодической состав- ляющей тока короткого замыкания эти трансформаторы могут перейти в режим глубокого насыщения. В таком режиме трансформация периоди- ческой составляющей тока (на которую обычно настраивается защита) ухудшается. В этом случае защита может не срабатывать до тех пор, пока апериодическая составляющая не затухнет. Срабатывание проис- ходит с замедлением,. Для быстродействующих защитснижениевлияния апериодической со- ставляющей тока короткого замыкания является весьмажелательным. Та- кое снижение может быть обеспечено с помощью немагнитных зазоров в магнитопроводах трансформаторов тока, согласующих и промежуточных трансформаторов в цепях тока. Такие трансформаторы (трансреакторы) создают вторичные э.д.с., пропорциональные производной тока по време- ни (di/df). Поэтому апериодическая составляющая плохо трансформирует- ся. Наличие зазоров в магнитопроводах приводит, однако, при той же ве- личине вторичной нагрузки к увеличению сечения магнитопроводов, а сле- довательно, и габаритов. Кроме того, имеются существенные технологи- ’ ч<^кЛ трудности изготовления магнитопроводов с зазором при обеспече- на от образца к образцу совпадающих магнитных характеристик. В том случае, если измерительные органы релейной защиты выпол- нены с применением интегральной микроэлектроники или микропро- цессоров, т. е. имеют весьма высокое входное сопротивление, то согла- сующие и промежуточные трансформаторы могут быть выполнены с Ферритррымщмагнцтрпроводагли. В этом случае они обладают свой- ствами трансреакторов. Подавление апериодической составляющей на входе релейной за- . щиты может быть обеспечено также с помощью диффепенпдпующих I цепо^ или частотных фиды^в._ ^Что касается трансформаторов напряжения, а также согласующих и промежуточн ых трансформаторов в цепях напряжения, то переходные про- цессы в них существуют практически только в первом полупериоде. Ос- новная гармоника первичного напряжения хорошо ими трансформирует- ся и на работу даже быстродействующих защит практически не влияет. 60
Переходные процессы в отдельных элементах электронных защит рассмотрены в [23]. В таких защитах переходные процессы затухают практически через 0,5-1 периода, т. е. через 10-20 мс. 2.7. Фильтры По назначению фильтры делятся на фильтры симметричных состав- ляющих, частотные и сглаживающие фильтры. Втрехфазных симметричных электрических системах некоторые виды повреждений приводят к нарушению симметрии и появлению обратной или нулевой последовательностей в напряжениях и токах. Выделение прямой, обратной и нулевой последовательностей токов и напряжений и их контроль может помочь релейной защите более четко отличить ава- рийный режим от нормального. Выделение этих последовательностей осуществляется фильтрами симметричных составляющих [62,63]. Релейная защита в системах переменного тока рассчитывается, как правило, для работы в цепях с синусоидальной формой токов и напря- жений. Однако, на практике, особенно в цепях с выпрямителями, что характерно, например, для электрической тяги, форма тока может отли- чаться от синусоидальной, т. е. содержать кроме первой и большое чис- ло других гармонических составляющих. В меньшей степени искаже- нию подвергается кривая напряжения, однако в момент короткого за- мыкания и в ней наблюдается появление высших гармоник. Искажения кривых тока и напряжения изменяют характеристики сра- батывания некоторых защит [18,28], что может явиться причиной их неверного действия. С другой стороны признаки, которые характеризу- ют искажение формы кривой тока, можно использовать для искусст- венного торможения действия защиты в тех режимах, когда она сраба- тывать не должна. Подавление или, наоборот, выделение тех или иных гармонических составляющих (или полосы частот) осуществляется с помощью частотных фильтров. ’ Питание устройств релёййой защиты осуществляется от встроенных выпрямительных блоков. Выпрямленное напряжение содержит постоян- ную С70 и переменную Un составляющие, на основании которых опреде- ляется коэффициент пульсаций Кп = UJUn. Коэффициент пульсаций двух- _ полупериодного выпрямителя с активной нагрузкой составляет 0,67. В то 61
же время для нормальной работы электронных и микроэлектронных схем допустимый коэффициент пульсаций должен быть меньше в сотни и ты- сячи, а то и большее число раз. Снижение пульсаций осуществляется сглаживающими фильтрами. Мерой качества такого фильтра является коэффициент сглаживания Ксгл = Kn,JKn,eb^rAeKn,ex —Коэффициент пульсаций на входе фильтра, а Кп —коэффициент пульсаций на выходе фильтра. Фильтры симметричных составляющих. Эти фильтры использу- ются для выделения в многофазной системе токов или напряжений пря- мой, обратной и нулевой последовательности. Через фильтр ZA симмет- ричных составляющих тока подключают реле КА к трансформаторам тока (рис. 2.16). Ток 1р в реле можно выразить через токи фаз или через составляющие прямой (/р, обратной (/2) и нулевой (10) последователь- ностей: 4 = + (2.22) где к^, к^, к,, Kj, «0 — коэффициенты пропорциональности, завися- щие от свойств фильтра ZA. Рис. 2.16. Защита с фильтром симметричных составляющих тока При к2 = к0 — 0 получаем фильтр тока прямой последова- тельности. Защита с таким фильтром распространения не получила, так как при несим- метричных к.з. у нее снижает- ся чувствительность. При к, = к0 = 0 получаем фильтр тока обратной последовательно- сти. Защиту с таким фильтром можно применять для отключе- ния несимметричных (двухфаз- ных и однофазных) к.з. Она может использоваться, в частности, навьшрямит^льных агоегатах тяговых подстанций постоянного тока?При^=^ = 0 получаем фильтр токов нулевой последовательности. Защита с таким фильтром реагирует на повреждения, сопровождающиеся появлением токов ну- левой последовательности, например, на замыкание одной фазы на землю. 62
Рис. 2.17. Фильтр тока нулевой последовательности Фильтры симметричных составляющих в общем случае выполняют, соединяя специальным образом элементы с активными и реактивными (индуктивными и емкостными) сопротивлениями — резисторы, ка- тушки индуктивности или взаимной индуктивности, конденсаторы. Схемы и расчет фильтров описаны в [60,62,63]. Широко применяют фильтры токов и напряжений нулевой последовательности, выполнен- ные на трансформаторах тока и напряжения. Рассмотрим схему включения трансформаторов тока, образу- ющую фильтр токов нулевой последовательности (рис. 2.17). Ток в реле КА равен геометри- ческой сумме вторичных фазных токов 1р = 1а + 1Ь + 1С = 31О/КТ. Ток в реле появляется только при замыканиях одной или двух фаз на землю. Реле в этой схеме на- ходится в таких же условиях, что и реле в нулевом проводе на рис. 2.11, а Поскольку трансформаторы тока в фазах по характеристикам не идентичны (в пределах заводских допусков), то и в нормальном режиме через реле протекает ток неба- ланса, часто соизмеримый с ^Кт. Поэтому схема, приведенная на рис. 2.17, распространения не получила. Для выделения составляющей нулевой последовательности более целесообразно применять фильтр в виде трансформатора тока нуле- вой последовательности (ТИП). Этот трансформатор имеет кольцевой магнитопровод 7 (рис. 2.18, а), на котором размещена вторичная об- мотка 2. Первичной обмоткой является трехфазный кабель 3, который пропущен внутри кольца магнитопровода. К выводам вторичной об- мотки подключают чувствительное токовое реле КА (рис. 2.18, б). При нормальном режиме работы и междуфазных к.з. результирую- щий магнитный поток вокруг кабеля обусловлен лишь несимметрией расположения его токоведущих жил, поэтому вторичная э.д.с. ТПП при- мерно равна нулю. При замыкании одной фазы на землю IA + h + А?= К Этот ток нулевой последовательности создает вокруг кабеля и в магнитопроводе соответствующий магнитный поток, благо- даря которому во вторичной обмотке появляется э.д.с. и ток в реле. По 63
^4 металлической оболочке кабеля 3 могут протекать токи замыкания на зем- лю других кабелей. Для того, чтобы они не вызвали ложной работы за- щиты, в месте закрепления воронки 4 (рис. 2.18, б), через которую про- ходит кабель 3, установлены изолирующие прокладки 5. К воронке при- варивают заземляющий проводник 6, который вместе с кабелем пропус- кают внутри кольца магнитопровода. В этом случае результирующий маг- нитный поток оттока, протекающего по оболочке кабеля к воронке и от нее обратно по заземляющему проводнику в землю, в магнитопроводе равен нулю. У измерительного пятистержневого трансформатора напряжения НТМИ (рис. 2.19) первичная и одна из вторичных обмоток соединены в звезду, а другая вторичная обмотка—в разомкнутый треугольник (фильтр на- пряжений нулевой последовательности). Используя вторичную обмотку, Рис. 2.19. Схема соединения обмоток трансформатора НТМИ соединенную в звезду, можно из- мерять все линейные и фазные на- пряжения. В нормальном режиме напряжения на вторичных обмот- ках разомкнутого треугольника суммируются и так как векторы этих напряжений сдвинуты на 120°, то напряжение между точка- ми al и х1 должно быть равно нулю. В действительности на этих зажимах имеется напряжение не- 64
баланса 3-10В,обусловленноеглавным образом погрешностью транс- форматора напряжения и наличием в первичном напряжении гармоник, кратных трем. При замыкании на землю одной из фаз первичной обмотки система становится несимметричной. Для_того, чтобы выделит»- нулевой последовательности, нулевую точку первичной обмотки за-_ земляют. При этом составляющие нулевой последовательности сум- мируются в разомкнутом треугольнике и напряжение в точках al и х1 становится равным = 100 В. Эти составляющие напряжения вы- h зывают появление в магнитопроводе магнитных потоков нулевой пос-I ледовательности, которые не могут замыкаться по тем трем стержням, 4 на которых размещены обмотки. Для создания пути, по которому эти * потоки могут замкнуться, магнитопровод НТМИ снабжается еще дву- мя стержнями. Такими же обмотками снабжены конструктивно более совершенные трансформаторы напряжения НАМИ-10. Рис. 2.20. Схемы фильтров нулевой последовательности Фильтр напряжений нулевой последовательности может быть выполнен с помощью трех сопротивлений Zo (рис. 2.20, а) или трех конденсаторов (рис. 2.20, б). Выходное напряжение фильтра снимается с зажимов тп. Рис. 2.21. Схема фильтра напряжения обратной последовательности Схема фильтра обратной последовательности приведена на рис. 2.21. Сопротивления Ха, Ra, Хс, Rc подбирают так, чтобы напряжение на вы- 3 Релейная защита 65
ходных зажимах пт было равно нулю, если междуфазные напряжения Uah, Uhc, Uca не содержат составляющих обратной последовательнос- ти. Если в схеме, приведенной на рис. 2.21 поменять местами резис- торы и конденсаторы, то получится фильтр напряжений прямой после- довательности. Методика расчета таких фильтров приведена в [60]. Частотные электрические фильтры. Частотным фильтром назы- вается четырехполюсник, пропускающий токи в определенной полосе частот с небольшим затуханием (полоса пропускания) и не пропускаю- щим (или пропускающим с большим затуханием) тока с частотами, ; лежащими вне этой полосы [2,23,63,64]. Частота, лежащая на грани- це полос пропускания и непропускания, носит название частоты среза fe Собственное затухание в фильтре на заданной частоте определяется выражениями: £нп=0,51п (Нп); (2.23) где P\,UVIX — соответственно мощность, напряжение и ток на входе фильтра; Р2> U2,I2—то же на выходе фильтра (1дБ = 0,115 Нп, 1Нп = = 8,68 дБ). Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают токи с частотами от 0 доfc, фильгрыверхнихмастот (ФВЧ) пропускают токи от частоты fc до бесконечности. Полосовые фильтры (ПФ) пропу.скают.то.ки в полосе частот от/| до f2. Пассивные фильтры не содержат внутри схемы источ- ников энергии. Активными называют фильтры, содержащие внутри схемы усилители. Нарис. 2.22 приведены примеры некоторых схем пас- сивных фильтров нижних частот (а), верхних частот (б), полосового (в) и заграждающего (г) фильтров. Для увеличения затухания в полосе пропускания и увеличения кру- тизны характеристики затухания LC-фильтры могут составляться из многих звеньев, образуя цепочечные фильтры. Наряду с этим в про- стейших случаях могут использоваться последовательные или парал- лельные цепочки, состоящие из одной катушки индуктивности и кон- денсатора (рис. 2.23). В этом случае частота свободных колебаний кон- 66
Рис. 2.22. Схемы пассивных фильтров тура близка к резонансной частоте (Од = 1/(ZC), при которой сопротив- ление последовательной LC- цепочки (рис. 2.23, а) равно ее активному сопротивлению и весьма мало. При частоте со < со0 сопротивление кон- тура имеет емкостной характер, а при со>со0 —индуктивный. Чем боль- L С а) о—||-о L Рис. 2.23. Резонансные цепочки ше® отличается от®0, тем выше сопротивление контура. При той же резонансной частоте ®0 проводимость параллельного контура (рис. 2.23, б) близка к нулю. Для частот со < со0 проводимость контура имеет ин- дуктивный характер, а для частот со>(оо —емкостной. Сопротивление па- раллельного контура при резонансной ча- стоте стремится к бесконечности. На рис. 2.24 приведены схемы для выделения какой-либо одной, на- пример, третьей гармоники тока контактной сети электрифицированной железной дороги однофазного переменного тока. Ктрансформаторутока фидера подключен промежуточный трансформатор TL. Параллельно его а) б) в) Рис. 2.24. Схемы выделения одной гармоники тока 67
вторичной обмотке подключен параллельный LC-контур, настроенный на заданную частоту. Сопротивление контура при заданной (резонансной) частоте весьма велико и гармоника тока, соответствующая этой частоте, проходит в нагрузку практически без затухания. На других частотах со- противление контура мало и гармоники этих частот большей частью от- ветвляются в него. Доля этих гармоник в нагрузке невелика. В схемах, приведенных на рис. 2.24, б, в, роль индуктивности L выполняет проме- жуточный трансформатор TL. Для снижения в нагрузке, например, пер- вой гармоники можно параллельный LC- контур (рис. 2.24, а) зашунти- ровать последовательной LC-цепочкой, показанной на рис. 2.23, а, на- строенной в резонанс на частоту первой гармоники. Качество частотных фильтров, состоящих из индуктивностей и ем- костей, во многом определяется их добротностью, под которой подра- зумевают отношение реактивной мощности Р к активной Ра, выделяю- щейся на элементе, и обозначается Q = Р/Ра- Схема замещения катуш- ки индуктивности представляется в виде последовательно соединенных сопротивления rL и индуктивности L. Добротность катушки при этом равна: „ рР I2mL (йЬ <2-24> В области низких частот добротность катушки возрастает с увеличе- нием частоты. Однако, в области высоких частот добротность падает из-за существенного увеличения сопротивления rL за счет поверхност- ного эффекта в проводе, эффекта близости, потерь в сердечнике и т.п. При некоторой частоте катушка индуктивности обладает наибольшей доб- ротностью и это следует учитывать при проектировании. Добротность катушек индуктивности фильтров колеблется от десятков до нескольких сотен. Схема замещения конденсатора представляется в виде параллельно соединенных сопротивления гси емкости С. Добротность конденсатора равна: _ Рр и2аС „ в'=Т=йй7с=аСг‘:- <2-25> Бумажные конденсаторы имеют добротность 100-200, керамичес- кие — около 2000, слюдяные — от 2000 до 4000. 68
Чем ниже добротность фильтра, тем меньше его затухание. Пассив- ные фильтры имеют невысокую добротность, а из-за наличия катушек индуктивности—и сравнительно большие габариты. а) б) в) г) Рис. 2.25. Схемы пассивных R.C-фильтров Наряду с АС-фильтрами, особенно в области низких частот, применя- ются ЯС-фильтры. На рис.2.25 приведены некоторые схемы фильтров нижних (а) и верхних (б) частот, полосового (в) и заграждающего (г), называемого также двойным Т-образным мостом. Для увеличения кру- тизны характеристики затухания показанные на рис. 2.25 простейшие зве- нья можно соединять в последовательные цепочки. RC- цепи не обладают резонансными свойствами, поэтому характеристика затухания от частоты имеет весьма незначительную крутизну при отсутствии ярко выраженной полосы пропускания. В этом отношении ЯС-фильтры значительно усту- пают LC-фильтрам. Исключением является заграждающий ЯС-фильтр, вы- полненный по двойной Т-образной схеме (рис. 2.25, г). Кроме того ЯС- фильтры имеют ограниченный верхний предел рабочих частот. Рис. 2.26. Активные RC-фильтры 69
Значительно лучшими характеристиками обладают активные RC- филь- тры, состоящие из пассивного RCзвена и усилителя, охваченного отри- цательной обратной связью. В электронных устройствах защиты и авто- матики используются активные ЛС-фильтры с операционными усилите- лями. В качестве примера на рис. 2.26 приведены некоторые схемы филь- тров нижних (а) и верхних (б) частот, полосового (в) и заграждающего (г) фильтров. Для улучшения характеристик фильтров, т. е. для увеличе- ния затухания в полосе непропускания и увеличения крутизны характери- стики затухания при изменении частоты, активные фильтры могут быть многозвенными (многокаскадными). Методика реализации активных RC-фильтров для релейной защиты описана в [23]. Сглаживающие фильтры. Такие фильтры должны пропускать по- стоянную составляющую и подавлять пульсации переменной составляю- щей выпрямленного тока. Эти фильтры выполняются на основе LC- (рис. 2.22, а) или RC- (рис. 2.25, а) фильтров нижних частот. Для уменьшения коэффициента пульсаций они могутвыполняться многозвенными. Рис. 2.27. Схемы однозвенного транзисторного фильтра и его включения в цепь выпрямителя На частоте 50 Гц, однако, более выгодно по массогабаритным по- казателям использовать транзисторные сглаживающие фильтры, в ко- торых транзистор по существув^полняетроль индуктивности. Про- стейший транзисторньшсрильтр показан на рис. 2.27, а, а схема вып- рямителя с Г-образным RC-фильтром и транзисторным фильтром, на- груженным на сопротивление Rtl, приведена на рис. 2.27, б. С увеличением величины сопротивления R6 коэффициент сглажива- ния увеличивается, однако при этом возрастает напряжение между кол- лектором и эмиттером транзистора и выделяемая на нем потеря мощно- сти. Значительно больший коэффициент сглаживания можегбыть полу- чен, если использовать составные транзисторы, как например, показа- но на рис. 2.28, а. На вход однозвенного фильтра, в том числе и с со- 70
ставным транзистором, подается выпрямленное напряжение, содер- жащее постоянную и переменную составляющие. При наличии в схе- ме (рис. 2.27, а) цепочки /?бСб пе- ременная составляющая выделяет- ся на резисторе R6, включенном в цепь базы транзистора VT. В этом случае ток базы практически не содержит переменной составляю- щей, а следовательно, и ток кол- лектора является почти постоян- ным. Из-за этого вся переменная составляющая входного напряже- ния практически полностью выде- ляется на транзисторе. Методика расчета сглаживающих фильтров приведена в [65]. Рис. 2.28. Схемы транзисторного фильтра и фильтра-стабилизатора На рис. 2.28, б приведена схема транзисторного фильтра-стаби- лизатора. Она не только снижает пульсации напряжения на нагруз- ке R, но и стабилизирует его при изменениях величины напряже- ния на входе. В схемах защиты и автоматики, выполненных на ин- тегральных микросхемах, применяются интегральные стабилиза- торы напряжения, выполняющие одновременно и роль сглажива- ющих фильтров. Например, интегральный стабилизатор напряже- ния серии К142 имеет коэффициент сглаживания Ксгл равный при- мерно 32 [66]. Дополнительное увеличение коэффициента сглажива- ния обеспечивается Г-^эбразным ЛС-фильтром, как на рис. 2.27, б. 2.8. Источники оперативного питания При срабатывании релейной защиты она подключает источник опе- ративного питания к катушке (соленоиду^ электромагниту) отключения привода высоковольтного выключателя. Ток, протекая по этой катушке, приводит в действие соответствующий электромагнитный механизм и выключатель отключается. Величина тока в катушке отключения досги- 71
гает для некоторых приводов 10Дпри напряжении 110 В и 5 А при напряжении 220 В. Для работы самой релейной защиты, особенно с применением полупроводников и микроэлектроники, также необходи- мо напряжение питания, которое обеспечивается источником оператив- ного питания. Особые требования к безотказности работы релейной защиты рас- пространяются и на источники ее питания. Защита должна срабатывать и обеспечивать подачу напряжения на катушку отключения выключателя даже в том случае, если исчезает напряжение на трансформаторах соб- ственных нужд электростанции или подстанции. Например, при трехфаз- ном коротком замыкании на шинах высшего напряжения тяговой под- станции напряжение на вводах падает практически до нуля и все транс- форматоры собственных нужд оказываются обесточенными. Внезависи- мости от этого соответствующая защита должна сработать и отключить выключатели ввода. В качестве источника оперативного тока могут использоваться акку- муляторные батареи (постоянный оперативный ток)—это самый на- дежный источник. Источниками переменного оперативного тока могут быть трансформаторы тока того присоединения, который защищает дан- ная защита. Источник выпрямленного оперативного тока выполняется в виде специального блока питания, подключаемого к трансформатору тока, трансформатору напряжения, либо к трансформатору собственных нужд. Наконец, в некоторых случаях возможно применение конденса- торных батарей, которые заряжаются в нормальном режиме и отдают энергию катушкам отключения выключателей при срабатывании релей- ной защиты. Источник постоянного оперативного питания в виде аккумуляторной батареи требует специального отапливаемого идентилируемого помеще- ния, нуждается в зарядных и подзарядных устройствах', требует квалифи- цированного обслуживания. Из-за больших капиталовложений и трудо- затрат аккумуляторные батареи в качестве источника оперативного пита- ния используются только на электростанциях, распределительных под- станциях с первичным напряжением 110-220 кВ и выше с несколькими вводами или отходящими линиями высшего напряжения, а также натяго- вых подстанциях. На понизительных и менее ответственных подстанциях более низко- го напряжения аккумуляторные батареи не устанавливаются. Если при- 72
Рис. 2.29. Схема с дешунтированием катушки отключения выключателя водвыключателя нетребует для от- ключения большой мощности, то применяют переменный оператив- ный ток от трансформаторов тока с дешунтированием катушки от- ключения (рис. 2.29). Реле тока КА подключено ко вторичной цепи трансформатора тока ТА через свой переключающий контакт. При сра- батывании реле его контакт пере- ключается и обмотки реле КА оказываются включены последовательно с катушкой отключения YA Твыключателя Q. Вторичный ток трансфор- матора тока ТА протекает через реле/С4 и катушку YA Т, обеспечивая отключение выключателя Q. Схема с дешунтированием требует выполнения некоторых специаль- ных условий. Во-первых, катушка отключения привода YA Твыключа- теля Q не должна потреблять при срабатывании мощность более 50 В-А. Во-вторых, переключающий'контакт реле должен быть усиленным и спо- собным шунтировать и дешунтировать управляемую токовую цепь при токах до 150 А. В-третьих, этот контакт должен быть выполнен так, что- бы при его переключении сначала замыкался замыкающий (верхний на рис. 2.29) контакт и лишь потом размыкался размыкающий (нПЖний на рис. 2.29) контакт. Такими контактами снабжаются некоторыетоковые реле серии PT-80 (PT-85, РТ-86). После дешунтирования катушки отключения YА Тв результате сраба- тывания реле КА резко возрастает нагрузка на трансформатор тока, уве- личивается его погрешность, из-за чего может произойти возврат реле и отказ защиты. Чтобы этого не произошло, необходимо при расчете схемы проверять коэффициент чувствительности для короткого замы- кания в конце зоны защиты с учетом погрешности трансформаторов тока при дешунтировании и достаточность величины вторичного трансформатора тока для катушки отключения YA Т, а также допусти- мость для контактов реле КА максимального тока при коротком замы- кании вблизи места установки защиты. Для оперативного питания более сложных защит и устройств автомати- ки, атакже для заряда конденсаторных батарей используются блоки пита- ния UGA, подключаемыектрансформаторам тока, и UGV, подключаемые 73
Рис. 2.30. Схемы подключения блоков питания к трансформаторам напряжения TV или трансформаторам собствен- ных нужд Т (рис. 2.30, а, б). Для надежности блоки питания UGA и UGV можно использовать совместно и подключать их выходы на одни и те же шины выпрямленного напряжения (рис. 2.30, в, г). В качестве примера на рис. 2.31 приведена схема блока питания и заряда типа БПЗ-402. Этот блок содержит промежуточный насыщаю- щийся трансформатор тока TLA Т, первичная обмотка которого подклю- чается ко вторичной цепи трансформатора тока. К вторичной обмотке TLA Тподключен выпрямитель VD1, выпрямленное напряжение которо- го поступает в цепи релейной защиты й автоматики. К нему же можно ч,- подключать (через резистор 7? и диод VD2) зарядную цепь батареи кон- денсаторов С2. Диод VD2 предотвращает разряд конденсаторов С2 при уменьшении или исчезновении тока в первичной обмотке ТТЛ Т. Обмот- ка насыщающего трансформатора TLA Твместе с конденсатором С1 об- разует контур, в котором при определенном значении тока первичной обмотки наступает феррорезонанс токов [2]. При этом напряжение на 74
вторичной обмотке в известной мере стабилизируется и мало возрастает при значительных увеличениях тока на входе. Блок питания и заряда БПЗ- 401 предназначен для подклю- чения во вторичные цепи трансформатора напряжения или трансформатора собствен- ных нужд. В отличие от бло- ка БПЗ-402 в блоке БПЗ-401 не Рис. 2.31. Блок питания и заряда БПЗ-402 предусмотрена стабилизация выходного напряжения. Блоки БПЗ-401 и БПЗ-402 имеют мощность до 240 Вт и могут заря- жать батареи конденсаторов емкостью до нескольких тысяч мик- рофарад. Выходное напряжение блоков ПО или 220 В. Близки по конструкции к ним менее мощные (100 Вт) блоки питания серии БП-11 (БПТ-11 и БПН-11) с длительной мощностью до 20 Вт и наибольшей кратковременной — до 40-50 Вт. Выход- ное напряжение 24 В или 110 В. Для питания нагрузки мощ- ностью до 1-1,5 кВт применяются блоки питания серии БП-1002 (БПТ-1002 и БПН-1002) [67]. Блоки конденсаторов серии БК-400 предназначены для использо- вания в схемах с предварительным зарядом конденсаторов. Они мо- гут подключаться к любым зарядным устройствам с напряжением до 400 В. В блоках используются металлобумажные конденсаторы типа МБГП общей емкостью 40,80 или 200 мкФ.
3| Реле и комплекты защит 3.1. Классификация реле Релейная защита состоит из ряда самостоятельных элементов (реле), связанных определенным образом. На вход реле может быть подан не- прерывный или дискретн ый сигнал (ток, напряжение, давление газов, тем- пература и т. п.). На выходе же сигнал появится только в том случае, когда входной сигнал удовлетворяет определенным, наперед заданным условиям (достигает уставки срабатывания). Воспринимающий орган (вход) электромеханических реле выпол- нен в виде катушки электромагнитного, индукционного, электродина- мического, индукционно-динамического или магнитоэлектрического механизма. Исполнительный орган (выход) выполняется в виде элек- трических контактов. У электронных реле входной сигнал подается на первичные катушки (обмотки) магнитных сердечников с прямоуголь- ной петлей гистерезиса, на полупроводниковые схемы сравнения элек- трических величин или на управляющие электроды активных полупро- водниковых элементов (транзисторов, тиристоров, интегральных мик- росхем). Исполнительный орган может быть выполнен в виде контактов электромагнитных, магнитоэлектрических, поляризованных реле или маг- нитоуправляем ых контактов-герконов, либо с помощью бесконтактных элементов —транзисторов и тиристоров. При срабатывании реле с кон- тактами последние замыкаются или размыкаются. В случае срабатыва- ния бесконтактных реле меняется скачком выходной сигнал, например, ток в цепи или напряжение. По назначению реле подразделяют на измерительные (основные) и логические (вспомогательные). Измерительные реле контролируют ре- жим работы защищаемого объекта. По роду контролируемой величины их подразделяют нарелетока, напряжения, направления мощности, со- противления и т. п. Реле могут контролировать и неэлектрические вели- чины, например, температуру масла трансформаторов (температурные реле), давление газов (газовые реле) и т.п. К измерительным реле предъявляют повышенные требования по чувствительности, точности работы, коэффициенту возврата, собственному потреблению. 76
Логические реле действуют по команде измерительных и использу- ются в логической части схемы. К ним относятся реле времени (служат для замедления действия защиты), промежуточные реле (служат для передачи действия основных реле к отключающему механизму выклю- чателя, для размножения сигнала на несколько цепей, для усиления мощности сигнала основных реле) и указательные реле (служат для сигнализации и фиксации действия защиты). В электронных, микроэлек- тронных и микропроцессорных (цифровых) реле (защитах) измеритель- ные и логические органы объединены конструктивно или программно. По способу включения воспринимающего органа измерительные реле делят на первичные и вторичные. Катушки первичных реле включают непосредственно в защищаемую цепь, катушки вторичных реле вклю- чают во вторичные обмотки измерительных трансформаторов. По способу воздействия на объект управления различают реле пря- мого и косвенного действия. Реле прямого действия имеют подвиж- ную систему, механически связанную с отключающим механизмом выключателя. Реле косвенного действия имеют контакты (или бескон- тактный ключ), включенные в цепь катушки механизма отключения вык- лючателя. Для питания этой катушки необходим источник оперативного постоянного или переменного тока. Первичные реле прямого действия не нуждаются в измерительных трансформаторах и источнике оперативного тока. Однако в установках высокого напряжения они требуют усиленной изоляции, оказываются громоздкими и имеют низкую чувствительность. Такие реле находят при- менение, главным образом, в установках с напряжением менее 1 000 В. В системах электроснабжения тяги на железных дорогах, метро, на го- родском электрическом транспорте постоянного тока в качестве комму- тационных аппаратов на тяговых подстанциях и постах секционирова- ния используются поляризованные быстродействующие выключатели (АБ 2/4, ВАБ 43 и др.). В их конструкции объединены реле максималь- ного тока прямого действия и коммутационный аппарат [3,68]. Вторич- ные реле прямого действия более компактны и имеют более высокую чувствительность. Для них нетребуется источник оперативного тока. Катушка 1 такого реле (рис. 3.1) подключена ко вторичной обмотке трансформатора тока ТА. При увеличении тока в реле до уставки сраба- тывания, якорь 2 электромагнита отключения YA Тпреодолевает натяже- ние пружины 5 и бойком 3 ударяет по защелке 4. Защелка освобождает 77
Рис. 3.1. Схема подключения вторичных реле прямого действия механизм привода выключате- ля Q и пружина G его отключает. Исполнительный орган реле прямо- го действия, непосредственно свя- занный с механизмом отключения выключателя б, должен совершать при отключении существенную ме- ханическую работу. Поэтому такие реле потребляют при срабатывании большую мощность и имеют зна- чительные погрешности. Вторич- ные реле прямого действия приме- няют в защитах мало ответственных линий 6-35 кВ, выключатели кото- рых оборудованы приводами ВМП-10П, ПП-61-К, ПП-67, УПГП, ППМ-Юидр. Наибольшее распространение в релейной защите получили вторич- ныереле косвенного действия (рис. 3.2). При достижении током в ка- тушкереле/СЛ значения уставки срабатывания, его контакты замыкают- ся и включают в цепь оперативного тока катушку 1 электромагнита от- ключения YA Т. Сердечник последнего преодолевает натяжение пружи- ны 2 и ударяет по защелке 3. Выключатель Q отключается. Ток во вто- ричной обмотке трансформатора тока ТА исчезает и реле АХ возвраща- ется в исходное состояние—его контакты размыкаются. Чтобы эти маломощные контакты не повреждались электрической дугой при от- Рис. 3.2. Схема подключения вторичных реле косвенного действия ключении активно-индуктивнои цепи электромагнита YA Т, в цепь катушки 1 включены вспомога- тельные контакты 4 выключателя. Эти контакты механически связа- ны с основными контактами вык- лючателя Q и повторяют его поло- жение, они достаточно мощные и отключаются раньше контактов реле КА. Параметры вторичных реле кос- венного действия не зависят от па- раметров защищаемого элемента и 78
конструкции привода выключателя. Их исполнительные органы (кон- такты или бесконтактные ключи) не требуют такой большой мощности для срабатывания, как у реле прямого действия. Они более компактны и просты по конструкции, имеют высокую чувствительность, незначитель- ные погрешности и легко регулируются. По конструкции и принципу действия реле делят на электромехани- ческие, электронные (полупроводниковые) и реле с использованием насыщающихся магнитных элементов. Наибольшее распространение получили электромеханические реле, выполняемые на основе электро- магнитных, индукционных, поляризованных и магнитоэлектрических систем. Однако они обладаютрядом недостатков, например, значитель- ным собственным потреблением, недостаточной надежностью контак- тов, невысоким быстродействием и т. д. В последние годы все большее применение находят полупроводни- ковыереле с использованием диодов, транзисторов, тиристоров, оптро- нов, а также интегральных микросхем. По числу подведенных электрических величин различают реле, реа- гирующие: ♦ на одну электрическую величину—ток или напряжение (реле тока, реле напряжения); ♦ на две электрические величины—ток и напряжение, или два напря- жения, сформированных из тока и напряжения сети (реле направле- ния мощности, реле сопротивления); ♦ натри и более электрические величины, сформированные из тока и напряжения сети (трехфазныереле мощности, реле сопротивления со сложными характеристиками и т. п.). У каждого реле воспринимающий орган характеризуется номиналь- ными током, напряжением, частотой и пределами регулирования устав- ки срабатывания. Пусть к реле подводится некоторая электрическая величина А (ток, напряжение). Максимальное реле срабатывает, если эта величина станет больше определенного значения А (т.е. А > Аср), которое называется уставкой срабатывания. Возврат максимального реле в исходное состоя- ние происходит, если величина А станет ниже определенного значения Авр (т.е. А < Авр), называемого параметром возврата. Минимальноереле сра- батывает, если А < Аср, и возвращается в исходное состояние при А >Аир. Коэффициентом возврата кв называется отношение параметра возврата к параметру срабатывания: 79
^ = ^/ЛР- 0-1) Для максимальных реле кв < 1, для минимальных реле к(> 1. Нера- венство параметров срабатывания и возврата обусловлено различием воздушных зазоров магнитных систем в притянутом и отпущенном со- стоянии, наличием трения в подвижных частях, наличием положитель- ной обратной связи в электронных системах и т. д. У измерительных релестремятся иметь коэффициент возврата близким к единице—это повышает чувствительность защиты. Д ля электромеханических реле тока и напряжения он равен 0,8-0,85, для электронных — 0,9-0,98. Логические реле управляются измерительными. Напряжение на их воспринимающем органе появляется и исчезает скачком. Поэтому они не обладают высокой чувствительностью, а их коэффициент возврата равен 0,3-0,5. Время срабатывания электромеханических релетем меньше, чем боль- ше контролируемая величина А отличается от А . Для максимальных релетока,например,время срабатывания при 1,2/^ равно 0,1 с,апри 31 равно 0,03 с. У электронных реле время срабатывания меньше и слабо зависит от превышения уставки срабатывания. Воспринимающий орган реле характеризуется нагревоспюйкостъю, т. е. значениями тока или напряжения, которые допускаются длительно или кратковременно. Важно и значение мощности, которую реле по- требляет во входных цепях переменного тока и напряжения и в цепи оперативного (постоянного или переменного) напряжения питания (соб- ственное потребление). Эта мощность определяется как произведение тока на напряжение на соответствующих зажимах реле. Электромеха- нические реле в зависимости от конструкции потребляют в цепях тока 0,5-5 ВАи в цепях напряжения 1-40 В-A. Электронные реле в цепях тока и напряжения имеют собственное потребление на порядок ниже. В цепи оперативного питания они потребляют 3-10 В А. Контактная система электромеханических реле и выходной орган элек- тронных реле характеризуются числом контактов (выходов), их нормаль- ным положением и коммутационной способностью. Промежуточныереле имеют до десятка мощных контактов. У изме- рительных реле число контактов, их масса, а следовательно, и коммута- ционная способность невелики. Эго обусловлено необходимостью обес- печить высокую чувствительность реле и близкий к единице коэффици- ент возврата. Обычно они имеют 1-2 контакта, рассчитанных на комму- 80
тацию токов не более 2 А. Нормальным является положение контактов при обесточенной катушке электромеханического реле или, в общем случае, при отсутствии сигнала на входе реле. Различают контакты, работающие на замыкание (замыкающие кон- такты) и на размыкание цепи (размыкающие контакты). При подаче в катушку реле тока большего, чем ток срабатывания, замыкающие контакты замыкаются, а размыкающие—размыкаются. Для бескон- тактных реле выходной сигнал характеризуется уровнями 0 и 1, соот- ветствующими замкнутому и разомкнутому положениям контактов. Коммутационная способность контактов характеризуется мощностью, при которой обеспечивается замыкание и размыкание контактов. Эта мощность определяется как произведение напряжения питания коммутируемой цепи наток, проходящий по контактам при условии, что напряжение и ток не превышают допустимых значений [69,70]. 3.2. Электромеханические реле, реагирующие на одну электрическую величину На вход большого числа реле подается только одна электрическая величина—напряжение или ток. Эта величина сравнивается, как пра- вило, с некоторым эталоном, на- пример, механическим моментом пружины или стабилизированным напряжением. Для этого подводи- мая электрическая величина дол- жна быть предварительно преобра- зована в величину, однородную эталону, в данном случае—в ме- ханический момент или напряже- ние постоянного тока. Электромагнитные реле. Среди реле, к которым подводит- ся одна электрическая величина, наибольшее распространение по- лучили электромагнитные (реле тока, напряжения, промежуточные Рис. 3.3. Схема, поясняющая устройство электромагнитного репе 81
реле, реле времени). Они имеют разомкнутый магнитопровод 1 (рис. 3.3), на котором размещена обмотка? с числом витков wp и подвижной стальной якорь 3, удерживаемый в крайнем положении противодейству- ющей пружиной 4. На якоре имеется изоляционная колодка 5. На ней установлены под- вижные контакты 6, которые при перемещении якоря замыкаются с не- подвижными контактами 7. Ток 1р в обмоткереле создает намагничиваю- щую силу Ipwp, под действием которой в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф. Этот магнитный поток создаете зазоре между яко- рем и магнитопроводом электромагнитную силу F, которая стремится притянуть якорь к магнитопроводу. Электромагнитная сила для равномерного поля в зазоре определяет- ся формулой Максвелла, Н: F3 = B2S/(2il0), (3.2) где В — магнитная индукция в зазоре, Тл; S — сечение полюсов, м2; ц0 — магнитная проницаемость воздушного зазора, Гн/м. Учитывая, что магнитный поток Ф=ВЗ, получим вместо выражения (3.2): где к—постоянная. Магнитный поток и ток I связаны соотношением Ф = Ipwp/R}i, где Ru — магнитное сопротивление цепи, по которой за- мыкается магнитный поток. Подставляя это соотношение в выражение (3.3), получаем: KW2 F3=^rl2P = K'l2P- <3’4) При изменении положения якоря изменяется зазор 5, а следователь- но, и магнитное сопротивление Rt(. Поэтому в процессе притяжения якоря электромагнитная cwiaF увеличивается. Вращающий момент, действу- ющий на подвижной якорь от электромагнитной силы: M3=F3£, (3.5) где £ — плечо силы F. Для срабатывания реле необходимо соблюде- ние условия: 82
М>М. э т’ (3.6) или F,OMT. (3.7) где Мг — тормозной момент от сил сопротивления пружины, трения в осях и веса якоря. Знак равенства в выражениях (3.6) и (3.7) соответ- ствует граничному условию срабатывания, т. е. наименьшему момен- ту, а следовательно, и наименьшему значению тока I = 1ср, при кото- ром произойдет срабатывание. Ток срабатывания I найдем из выра- жения (3.4) при граничном условии срабатывания F3 = Л/т /£: Я /^7 °'8’ Регулированиетока срабатывания осуществляют, изменяя момент Мг путем регулировки натяжения пружины и изменения числа витков w с помощью отпаек. В электромагнитных реле, как следует из выражения (3.4), направление силы F3 не зависит от полярности тока, так как вели- чина тока входит в это выражение во второй степени. Поэтому электро- магнитные реле возможно выполнять для цепей как постоянного, так и переменного тока. Если по обмотке реле проходит переменный ток i = 7msincor, то мгно- венное значение электромагнитного момента на основании выражений (3.4) и (3.5): С М , - к'й2 — к'£12 sin2 (О/ =—I2 (1-cos 2(0/) = Л р т 2 V / = к'II2 - к'II2 cos2(0/, (3.9) где/р—действующее значение тока в обмотке реле 1т — у[21р. Из выражения (3.9) следует, что мгновенное значение вращаю- щего момента имеет постоянную составляющую к'U2 и перемен- ную составляющую к'(.12р cos2(o/, изменяющуюся с двойной часто- той. Их сумма образует результирующий вращающий момент, кото- рый является пульсирующим (рис. 3.4). Там же приведен график тормозного момента А/т пружины, который имеет неизменное значе- ние. В моменты, когда M3t > Mv якорь стремится притянуться, а в мо- менты, когдаМ^ < МТ—отпасть. Притянутый якорь непрерывно виб- 83
рирует, вызывая также вибрацию контактов при срабатывании. Вибра- ция контактов приводит к их подгоранию; нечеткое замыкание контак- тов может привести к отказу срабатывания защиты. Рис. 3.4. Изменение электромагнитного момента во времени Для уменьшения вибрации контактов увеличивают момент инерции якоря или осуществля- ют расщепление магнитного по- тока обмотки на две составляю- щих, сдвинутых по фазе [11,16]. Однако эти меры увеличивают время срабатывания и потребле- ние реле. Реле тока. Наиболее распрос- траненным видом электромагнитных релетока являются реле серии РТ-40. Если такое реле выполняется в унифицированной оболочке, то ему присваивается шифр РТ-140. На магнитопроводе 1 (рис. 3.5) серийных реле тока РТ-40 и реле напряжения РН-50 [69] размещены две полуобмотки 2. Стальной якорь 3 укреплен на осях 5и 5'и может поворачиваться вокруг них. В край- нем положении он удерживается спиральной противодействующей пру- жиной 4. На якоре с помощью изоляционной колодки установлены под- Рис. 3.5. Схема, поясняющая устройство релетока РТ-40 вижные контакты 6, которые при повороте якоря замыкается с не- подвижными контактами 7. Устав- ку срабатывания регулируют, со- единяя полуобмотки 2 последова- тельно или параллельно и изменяя натяжение пружины 4 при помощи поводка 5. Коэффициент возврата 0,8-0,85, время срабатывания при токе 31 ср равно 0,03 с, потребляе- мая мощность реле тока 0,5 ВА. Разрывная мощность контактов в цепи постоянного тока 60 Вт, в цепи переменного тока — 300 В А (при напряжении до 220 В и токе не 84
выше 2 А). Увеличение числа и разрывной способности контактов выз- вало бы резкое ухудшение остальных показателей реле и их нельзя было бы использовать в качестве измерительных. Обмотки реле тока рассчитаны надлительное протекание тока вторич- ных цепей трансформаторов тока; эти обмотки выполняют, в основном, изолированным проводом диамегром 2-3 мм со сравнительно небольшим числом витков (от единиц до нескольких десятков). Для разных типов максимальный ток уставки имеет величину от 0,2 А до 200 А. Оно может эксплуатироваться при температурах окружаю- щей среды от минус 10 (минус 20) до плюс 40 °C. Погрешность тока срабатывания по отношению к уставке не превышает ± 5%. Коэффици- ент возврата не ниже 0,85 на первой уставке и 0,8 на остальных за ис- ключением реле РТ-40/50 и РТ-40/100, у которых коэффициент возвра- та не ниже 0,7. Время срабатывания реле не более 0,1 с при токе, рав- ном 1,2 тока срабатывания и не более 0,03 с при токе в три раза боль- шем тока срабатывания (уставки). Время возврата не более 0,035 с. Реле имеет один замыкающий и один размыкающий контакты, рассчитанные на ток до 2 А, способные коммутировать нагрузку переменного тока (250 В, coscp = 0,5) мощностью до 300 В-A и постоянного тока (250 В) до 60 Вт. Коммутационная износостойкость 2000 циклов. На сердечни- ке реле расположены две катушки. Их концы выведены на зажимы цо- коля реле. С помощью металлической перемычки катушки реле можно соединять параллельно или последовательно. Уставка при этом изменя- ется в 2 раза. Диапазон изменения уставок от минимальной до макси- мальной 1 : 4. Схема внутренних соединений показана на рис. 3.6, а. В том случае, когда через катушки может длительно протекать ток, используют реле типа РТ-40/1Д, схема внутренних соединений которо- го показана на рис. 3.6, б. Реле содержит насыщающийся трансформа- тор TL, выпрямительный мост VD и RC-цепочку, защищающую диоды от перенапряжений. При токах, возрастающих свыше значения макси- мальной уставки, указанной на шкале, сердечник трансформатора на- сыщается, благодаря чему среднее значение тока не увеличивается. В цепях с несинусоидальной формой кривой тока, особенно в тех цепях, где существенное значение имеет третья гармоника (150 Гц), при- меняют реле тока РТ-40/Ф, схема внутренних соединений которого по- казана на рис. 3.6, в. Обмотки реле включены во вторичную цепь про- межуточного трансформатора TL, а параллельно им подключены кон- 85
РТ-40 РТ-40/1Д РТ-40/Ф Рис. 3.6. Схемы внутренних соединений реле тока РТ-40 денсаторы С1 и С2. Индуктивность обмоток и емкость конденсаторов настроены в резонанс на третью гармонику (фильтр-пробка). Для тре- тьей гармоники сопротивление контура оказывается весьма высоким, благодаря чему третья и более высокие гармоники замыкаются в ос- новном через конденсаторы. Поэтому уставка срабатывания реле зави- сит, главным образом, от величины первой гармоники тока. 86
Реле тока РТ-40/Р (рис. 3.6, г) содержит суммирующий промежу- точный трансформатор TLстремя первичными 1,2,3 и одной вторич- ной '/обмотками. Оно включается в три фазы электрической сети и ис- пользуется в устройствах резервирования отказов выключателя (УРОВ), атакжевдругих специальных случаях. Если при коротком замыкании одна, две или три фазы выключателя не отключились, то необходимо подать команду на отключение выключателей смежных элементов со стороны питания—это назначение УРОВ. Для контроля за такими ре- жимами в реле РТ-40/Р две первичные обмотки 2-4 пб-8 имеют оди- наковое число витков, а третья 5-7в два раза больше. На рис. 3.6, г приведены два примера включения реле РТ-40/Р в цепи трансформато- ра тока. В остальном конструкция аналогична реле РТ-40/1Д. Электромагнитный момент реле переменного тока MJt (рис. 3.4) в условиях срабатывания в течение одного периода переменного тока дважды превышает и в два раза становится меньше тормозного мо- мента пружины. Для исключения вибрации контактов применяют ме- ханические демпферы (гасители колебаний) в виде пластмассового бара- банчика, разделенного на секции, которые заполнены чистым просеянным песком. Для тех реле, конструкция которых содержит промежуточные на- сыщающиеся трансформаторы, ограничивающие величину тока в обмот- ках реле, применяют выпрямители переменного тока, что также способ- ствует снижению вибраций. Реле напряжения. Конструкции реле напряжения РН-50 и релетока РТ-40 в основном аналогичны. Реле напряжения в унифицированной оболочке имеют марку PH-150. Катушки реле напряжения выполнены проводом диаметром 0,1-0,25 мм с числом витков от 2 до 14 тысяч и рассчитаны на длительное подключение к цепям, напряжение которых соответствует номинальному напряжению репе. Механический гаситель колебаний отсутствует. На рис. 3.7, а приведены схемы внутренних соединений реле максимального напряжения РН-51 д ля цепей постоян- ного тока, а на рис. 3.7, б — схема соединений реле PH-53 (РН-54, РН-53/60Д) для цепей переменного тока. Реле PH-51 и РН-53 реагиру- ют на появление или повышение напряжения. Уставки реле PH-51/М для разных исполнений находятся в диапазоне от 0,7 до 320 В (коэффи- циент возврата не менее 0,5), а у реле РН-53 для разных исполнений от 15 до 400 В (коэффициентвозврата не менее 0,8). Реле минимального напряжения РН-54 реагирует на уменьшение напряжения сдиапазоном 87
в) г) Рис. 3.7. Схемы внутренних соединений реле напряжения РН-50 уставки для разных исполнений от 12 до 320 В (коэффициент возврата не более 1,25). Максимальные реле напряжения РН-53/60Д применяют- ся в устройствах защиты и автоматики в тех случаях, когда в цепи мо- жет возникать напряжение, значительно превышающее напряжение сра- батывания. Реле напряжения РНН-57 (рис. 3.7, в) содержит фильтр, настроен- ный на частоту 150 Гц, снижающий чувствительность к высшим гармо- никам. Реле применяют в цепях с искаженной формой кривой напряже- ния при малых значениях напряжения срабатывания. Термическая стой- кость при напряжении 115В составляет всего 6 с, поэтому реле нельзя применять в устройствах, где на него может длительно подаваться на- пряжение, превышающее уставку срабатывания в 2-3 раза. Реле максимального напряжения РН-58 (рис. 3.7, г) предназначе- но для применения в тех устройствах защиты и автоматики, где тре- буется повышенный коэффициент возврата. Это обеспечивается вклю- 88
Рис. 3.8. Промежуточное реле РП-23 чением обмоток К последова- тельно с цепочкой стабилитронов VD2 (через выпрямитель VD1), крутизна вольт-амперной харак- теристики которых в конечном счете и определяет коэффициент возврата, равный примерно 0,95. Промежуточные реле. Если требуется коммутировать несколь- ко цепей контактами с большой разрывной способностью, то при- меняют промежуточные реле, об- мотка которых получает питание через маломощные контакты изме- рительных реле. В качестве примера рассмотрим конструкцию проме- жуточного реле РП-23 (рис. 3.8), выполняемого д ля работы на постоян- ном токе. Обмотка реле 1 размещается на сердечнике магнитопровода 2 с шарнирно закрепленным якорем 3. Хвостовик 4 якоря механически связан с подвижной контактной системой 7. Реле имеет неподвижные контактыЗГвозвратную пружину 8, упор 5, регулировочные пластины 10. Основанием служит цоколь^закрывается реле кожухом И. При подаче на обмотку реле напряжения якорь опускается и хвостовиком 4 перемещает контактную систему. Промежуточныереле должны надежно срабатывать при снижении напряжения питания до 0,7 номинального. У них низкий коэффициент возврата: 0,1 —0,4. Потребляемая мощность при номинальном напря- жении 6—8 Вт, время срабатывания 0,06 с. Имеются и более быстро- действующие промежуточные реле со временем действия до 0,01 с, например серии РП-220, а также реле с замедлением на срабатывание или возврат до 0,12 с, например серии РП-250 [69]. У промежуточных реле, например типа РП-25, РП-311, предназначенных д ля работы в цепях переменного оперативного тока, магнитопровод выпол- няется шихтованным. Однако более совершенными, с меньшим собствен- ным потреблением, промежуточныереле переменного тока получаются при использовании электромагнитных реле постоянного тока, включенных через полупроводниковые выпрямители, например типа РП-321Т, РП-341 [69]. Схема внутренних соединений реле РП-341 приведена нарис. 3.9. 89
В устройствах релейной защи- ты и автоматики в качестве изме- рительных и, особенно, логичес- ких начинают применять реле с магнитоуправляемыми контак- тами (герконами). Геркон состо- ит из стеклянной колбочки 2 (рис. 3.10), внутрь которой впаяны кон- такты 3 из пружинящего ферро- магнитного материала. В колбе со- здается разрежение. Геркон поме- щается в катушку 1. Если пропу- стить по ней ток, то под дейстаи- ем магнитного поля контакты 3 замкнутся. Герконы обладают вы- соким быстродействием (0,5- 2 мс), малым собственным по- треблением (20-100 мВт) и высо- кой надежностью (10^-1^1пере- ключений). Коммутируемый ток 0^2-1 А при напряжении jo-110 В, ко- эффициент возврата 0,3-0,6 [70]. Для цепей постоянного тока применяют промежуточные герконо- вые реле РПГ-4 с числом замыкающих контактов от 2 до би РПГ-14, содержащем до трех замыкающих Рис. 3.11. Схема соединений промежуточного реле РПГ-202-60 и трех переключающих контактов. Коммутационная способность на постоянном токе при напряжении 24 В — 1 А, при напряжении 220 В —0,15 А. При переменном токе напряжением 110 В коммути- руется ток 0,4 А, а при напряже- нии 220 В — 0,2 A (cosq> = 0,4). Промежуточные реле РПГ-16 имеют более мощные контакты и снабжены светодиодным указате- лем срабатывания. При напряже- нии 220 В контакты этих реле спо- 90
собны коммутировать токи о/р 10-6 до 2,5 А^а при редких коммутаци- ях и больше. На рис. 3.11 приведена схема внутренних соединений реле РПГ-16 для одной из модификаций. Разработаны силовые герконы (герсиконы) на ток до 6,3 А при напряжении до 380 В с коммутируемой мощностью 2400 ВА [71], а также высоковольтные герконы на напряжение 5 и 10 кВ с комму- тируемой мощностью 50 Вт [72]. На основе герсиконов выпускают- ся контакторы типа КМГ13-19, КМГ14-19 и др. [71]. Миниатюрные герконовые реле серии РЭС-42 ... РЭС-46, РЭС-55 и др. предназначены для впаивания в платы и модули совмест- но с электронными и микроэлектронными схемами [70]. Реле времени. Для создания регулируемой выдержки времени при- меняют реле времени. В электромагнитном реле времени ЭВ-100 или ЭВ-200 на катушку 1 (рис. 3.12) подается напряжение. При этом якорь 2 втягивается и сжимает возвратную пружину 3, освобождая палец 4, который упирался в верхнюю часть якоря 2. Под воздействием ведущей пружины 5 начинает вращаться зубчатый сектор 6, укрепленный на оси 7. Сектор 6 находится в зацеплении с шестерней 8- На одном валу с шестерней £ расположена контактная траверса 9. Таким образом, вра- щение зубчатого сектора 6 вызывает вращение траверсы 9. Для того, чтобы она вращалась с постоянной угловой частотой, используется ча- совой механизм с храповой пружиной. При вращении шестерни 8 Рис. 3.12. Схема, поясняющая устройство электромагнитного реле времени 91
происходит сцепление ее вала с ведущей щестерней Юс помощью фрик- ционного устройства 11, расположенного на оси 12. Часовой механизм (детали 13, 14, 15) связан с ведущей шестерней 10 через трибку 16 и промежуточные шестерни 17,18. Поскольку движение траверсы 9 осуществляется с постоянной уг- ловой частотой, то выдержка времени от момента подачи напряжения на катушку 1 до замыкания подвижного контакта 19(находящегося на траверсе 9) с неподвижными контактами 20 или проскальзывающими контактами 21 зависит от пути, который проходит траверса 9. Изменение уставки осуществляют, перемещая траверсу по шкале реле. Реле имеет и контакты мгновенного действия 22, переключающиеся при втягива- нии якоря 2. Реле времени ЭВ-1 ОО^ршускают для работы на постоянном опеоа- тивном токе, реле времени ЭВ-200 - на переменном. Различные моди- фикации реле времени позволяют устанавливать выдержку времени от 0,1 до 20 с. Мощность, потребляемая обмотками реле времени, равна 15-30 Вт. Контакты реле имеют примерно такую же разрывную мощ- ность, как у реле тока и напряжен и я. Реле времени серии ЭЪ-20ЩТ?редназначенное для работы на пере- менном оперативном токе и выполненное аналогично релеЭВ-100, име- етзначительную потребляемую мощность и может отказать при глубо- ком снижении напряжения в цепях оперативного тока, получающих пи- тание от трансформатора собственных нужд при внешних коротких за- мыканиях. В других модификациях часовой механизм заводится при наличии напряжения в цепи оперативного питания и приходите дей- ствие с замыканием соответствующих контактов при снижении или ис- чезновении этого напряжения. При колебаниях напряжения оператив- ной цепи возможен ложный пуск реле. Более надежным для цепей спере^щным оперативным током явля- ется реле времени серии PgM с синхронным микродвигателем, схема и конструкция которого показаны на рис. 3.13. Реле содержит насыщаю- щиеся трансформаторы ТЫ и TL2 (рис. 3.13, а), каждый из которых содержит по две секции первичной обмотки (клеммы 1-5,3-7 и 2-6,4-8). Эти секции могут включаться последовательно или параллельно для регулировки тока срабатывания. Первичные обмотки насыщающихся трансформаторов ТЫ и TL2 включаются в разные фазы вторичных це- пей трансформаторов тока трехфазного защищаемого объекта. В широ- 92
ком диапазоне изменения тока в первичных обмотках на вторичных об- мотках этих трансформаторов поддерживается примерно одинаковое действующее значение напряжения. Пики напряжения и высшие гармо- ники во вторичном напряжении подавляются RC-цепочками, включае- мыми параллельно вторичным обмоткам трансформаторов ТЫ и TL2. Запуск реле времени осуществляется замыканием выводов 9-11 или 11—13,причем с помощью контактов пусковых реле обеспечивается замыканиетолько одной пары выводов. В этом случае обмотка статора it подключается ко вторичной обмотке трансформатора ТЫ или TL2 и по ней протекает ток. При этом ротор 2 (рис. 3.13, б) втягивается в межполосное расстояние статора микродвигателя и начинает вращаться с частотой, определяемой частотой тока. Трибка 3 на оси ротора входит в зацепление с трехступенчатым редуктором, ее вращение передается рамке 4, на которой закреплены подвижные контакты. Выдержка време- ни зависит от того пути, который требуется пройти каждому из них до замыкания с проскальзывающими 5 и упорными (конечными) ^непод- вижными контактами. При исчезновении тока в первичных обмотках ТЫ и TL2 вращение ротора прекращается и он выходит из межполос- ного пространства. Трибка 3 расцепляется с редуктором и пружина воз- вращает рамку 4 в первоначальное положение. Рис. 3.13. Схема и конструкция реле времени РВМ 93
Указательные реле. Указательные реле служат для индикации о сраба- тывании, возврате или несрабатывании отдельных устройств релейной защиты и автоматики. Чаще всего применяются указательные реле, об- мотки которых включаются последовательно с обмотками того аппара- та, действие которого контролируется. При протекании тока по обмот- кам этого аппарата, напри мер, электромагнита отключения УАТ высоко- вольтного выключателя, он протекает также и по обмотке указанного реле, которое при этом срабатывает. В реле типа РУ-21 пластмассовый барабан с диском, на котором имеется три сектора светлого цвета, закрыт скобой черного цвета. При срабатывании реле втягивается якорь электромагнита, под действием груза на диске барабан вместе с диском поворачивается, а в вырезах скобы появляются светлые секторы диска, которые видны в специаль- ном окне корпуса реле. В исходное положение реле возвращается вруч- ную при надавливании на специальный рычаг. Более новые конструкции указательных реле типа РЭУ11 пп^дстав- ляют собой реле блинкерного типа с электромагнитным приводом и ручным возвратом. Оно состоит из размещенных в пластмассовом кор- пусе двухобмоточного П-образного электромагнита с поворотным яко- рем, узла индикации и контактного блока. При срабатывании релев специальном окне корпуса появляется пластина красного цвета. Крас- ный цвет является индикатором срабатывания. В реле имеются замыка- ющий и размыкающий контакты. При срабатывании реле замыкающие контакты замыкаются, аразмыкающие —размыкаются. При снятии пи- тания с обмотки реле указатель срабатывания (красная пластина) и кон- такты без самовозврата остаются в том же положении, как при сраба- тывании. Они возвращаются в исходное положение нажатием специ- альной кнопки. Дополнительный контактреле—повторитель входного сигнала (ссамовозвратом) —замыкается при наличии питания на об- мотке управления и размыкается при его отсутствии. Индукционные реле. К обмоткам такого реле подводится перемен- ная электрическая величина (ток, напряжение). Конструкция индукци- онных реле не проще, а время действия существенно больше, чем у реле электромагнитных. Поэтому применение индукционных реле с од- ной подведенной величиной целесообразно только в том случае, если время срабатывания должно зависеть от кратности превышения током в обмотке величины уставки срабатывания. 94
Рис. 3.14. Схема, поясняющая устройство индукционного реле тока Индукционное реле тока (рис. 3.14) состоит из электромагнита 1, на верхнем и нижнем полюсах которого имеются короткозамкнутые витки 3. На сердечнике электромагнита расположена обмотка 2 с ответвлени- ями для регулирования тока срабатывания. Алюминиевый диск 4 сво- бодно входит в зазор между полюсами электромагнита 1. Ось этого диска укреплена в подшипниках. При токе в обмотке 2, равном 0,1—0,2 оттока срабатывания индукционного элемента, диск 4 приходит во вра- щение. Вращающий момент создается благодаря взаимодействию из- меняющихся во времени магнитных потоков в зазоре между полюсами стоками в диске. Известно, что для получения вращающего момента надиске необходимо иметь по крайней мере два магнитных потока, смещенных в пространстве и сдвинутых по фазе. Эти условия создают- ся благодаря тому, что часть сечения верхнего и нижнего полюсов маг- нитопровода 1 охвачена короткозамкнутыми витками 3. Поэтому сум- марный магнитный поток Фр, созданный током 1_р в обмотке2, делит- ся в полюсах на два потока Фр| и Ф₽2, смещенных в пространстве. Поток Фр| проходит через часть полюсов, охваченную короткозамкну- тыми витками 3, поток Фр2 проходит через остальную часть полюсов. Под влиянием магнитного потока, пронизывающего короткозамкнутый виток, в нем возникает ток Д. Этот ток создает магнитный поток Фк ।. Из-под сечения полюса, охваченного витком, выходит результирующий магнитный поток ф, = фр] + Фх1. Из-под остальной части полюса вы- ходит поток Фп =Фр2 ~ФК2 (Фк2 меньше Фи вследствие полей рас- сеивания). Оба потока пронизывают диск 4 и индуктируют в нем вихре- выетоки. 95
Рис. 3.15. Векторная диаграмма индукционного реле тока Э. д. с. Ек, индуктированная в короткозамкнутом витке потоком Ф|, отстает от него на угол 90° (рис. 3.15). Ток 1К в витке отстает от Ек на небольшой угол, так как индук- тивность витка невелика. Пренебре- гая потерями на намагничивание, вектор магнитного потока Фк1 при- нимаем совпадающим свектором тока 1_к. Вектор Фр] находим из условия Фр1 =Ф, -Ф,:1. Вектор Фр2 совпадает по направлению с вектором Фр1 .Вектор Ф|( находит- ся из условия Фп = Фр2 - Фк2, Из векторной диаграммы видно, что магнитные потоки Ф( и Фн , пронизывающие диск, сдвинуты на угол . Кроме того, эти потоки разнесены и в пространстве. Каждый из них наводите диске вихревые токи. Взаимодействие между магнитным пото- ком Ф( и вихревым током, наведенным в диске магнитным потоком Фп, а также взаимодействие между магнитным потоком Фв и вихревым то- ком в диске, наведенным магнитным потоком Ф,, создает электромаг- нитную силу действующую надиск: F3 = к'/Ф1Фп sin у, (3.10) гдеf — частота; к' — постоянный коэффициент. Электромагнитный момент, действующий на диск, равен про- изведению электромагнитной силы на расстояние от точки ее при- ложения до оси диска. Полагая это расстояние, а также частоту неизменными, получаем: Мэ =кФ]Фп sin у. (3.11) Поскольку оба магнитных потока пропорциональны току в обмотке 2 реле, то выражение (3.11) можно представить в виде: (3-12) Навращающий диск действуеттакжетормозной момент Мг кото- рый складывается из момента трения в подшипниках, противодей- ствующего момента спиральной пружины 8 (см. рис. 3.14Л тор- 96
мозных моментов от э. д. с. резания и от успокоительного магнита 5, момента инерции диска. Э. д. с. резания появляются в диске при его вращении, когда элементарные проводники пересекают магнитные поля > Фц >и успокоительного магнита. Эти э. д. с. наводят в диске токи, взаимодействие которых с вызвавшими их магнитными потоками со- здает моменты резания, направленные против направления вращения диска. Вращение диска происходит под влиянием избыточного вращающе- го момента Миз = Мэ- Мг. На оси диска укреплен подвижной кон- такт 6. Поворачиваясь под воздействием MUJ диск замыкает подвиж- ной контакт 6с неподвижным 7. Чем больше Мт, тем больше частота вращения диска и тем меньше время действия реле. Регулирование тока срабатывания осуществляется изменением чис- ла витков в обмотке с помощью отпаек. Укрепляя подвижной контакт 7 в различных точках неподвижной шкалы 9, при одном и том же токе срабатывания можно получить различное время действия реле. Промышленность выпускает индукционные реле тока типа РТ-80 и РТ-90 (рис. 3.16). Такое реле является комбинированным, оно имеет индукционный и электромагнитный элементы с общей магнитной сис- темой [69]. Индукционный элемент состоит из магнитопровода /, на верхнем и нижнем полюсах которого расположены короткозамкнутые витки 2 (рис. 3.16, а). На магнитопроводе находится обмотка 3 с ответ- влениями для регулирования тока срабатывания. Эти ответвления под- ведены к штепсельному блоку 4 и переключаются с помощью винтов 5. Алюминиевый диск 16 свободно входит в зазор между полюсами маг- Рис. 3.16. Схема, поясняющая устройство реле РТ-80 4 Релейная защита 97
нитопровода 1. Ось этого диска укреплена в подшипниках подвиж- ной рамки 13, а сама рамка может вращаться вокруг оси 14-17. Пружина 18 оттягивает рамку 13 в одно из крайних положений до упора. На оси диска 16 имеется червяк 11. При повороте рамки 13 против усилия пружины червяк входит в зацепление с зубчатым сегментом 12, который может свободно перемещаться вверх и вниз. Когда ток в катушке 3 достигнет 0,1-0,2 тока срабатывания реле, диск 16 начнет вращаться под действием силы F3. Однако реле еще не срабатывает, так как сегмент 12 не входит в зацепление с червяком И. Диск проходит в зазоре между полюсами постоянного магнита 15. Его магнитный поток наводит в диске вихревые токи и создает противодей- ствующую силу FT (рис. 3.16, 6). Чем больше ток в обмотке реле, тем больше сила F3 и выше частота вращения диска, тем больше и сила Fr Равенство сил F3 и FT наступает при установившейся частоте вращения диска. Равнодействующая сил F3 и FT стремится повернуть диск с рам- кой 13 вокруг оси. При определенном значении тока (токе срабатыва- ния) эта равнодействующая преодолеет силу FT пружины 18 и рамка 13 повернется вокруг своей оси. Сегмент 12 войдет в зацепление с червя- ком 11. Рычаг сегмента начнет подниматься, упрется в коромысло 10 и поднимет его. Коромысло жестко связано с якорем 6, поэтому после- дний повернется так, что воздушный зазор между его правым краем и магнитопроводом 1 уменьшится. Якорь притянется к электромагниту и коромыслом 10 замкнет контак- ты 9. Время между началом зацепле- ния сегмента 12 с червяком 11 и за- мыканием контактов определяется скоростью подъема рычага сегмен- та и длиной пути, которую после- дний проходит. Скорость подъема зависит от частоты вращения дис- ка, т. е. от тока 1р. Длина пути зави- сит от начального положения сег- мента. Его можно регулировать пе- ремещением движка 19 по винту 8. Поэтому при одном и том же токе срабатывания можно получить 98
различные выдержки времени. На рис. 3.17 приведена серия характе- ристик 1-5 реле, т. е. зависимостей выдержки времени t от отношения (кратности) тока в реле 1р к току срабатывания 1ср. Если ток в катушке реле достигнет значения (2 -ь 8) I , то якорь 6 мгновенно повернется и замкнет контакты 9. В этом случае реле дей- ствует без выдержки времени. Уставку срабатывания индукционной системы регулируют изменением числа витков обмотки 3. При данном числе витков регулировку уставки электромагнитной системы осуще- ствляют, изменяя воздушный зазор между правым краем якоря 6 и маг- нитопроводом / с помощью винта 7. Контакты реле имеют два исполнения: нормальное и усиленное. Кон- такты нормального исполнения являются замыкающими. Однако, при необходимости простой перестановкой подвижного и неподвижного контактов можно их переделать на размыкающие. Усиленные контак- ты выполнены переключающими. Размыкающие и замыкающие кон- такты кинематически связаны таким образом, что сначала происходит замыкание замыкающего контакта и лишь после этого—размыкание размыкающего контакта. Замыкающий контактреле предназначен для за- мыкания цепи катушки отключения YA /"высоковольтного выключателя, размыкающий—для дешунтирования этой катушки в схемах с питанием ее оперативным переменным током от трансформатора тока (см. п. 2.8). Реле PT-81 ...РТ-84 предназначены для объектов, имеющих источ- ник постоянного или выпрямленного оперативного напряжения в виде аккумуляторной батареи или блока питания. Замыкающие контакты этих реле рассчитаны на включение цепи с током до 5 А при напряжении до 250 В. Этого может хватить для включения катушки привода механизма отключения выключателя, однако отключение цепи этой катушки долж- но производиться не контактами реле, а вспомогательными контактами выключателя. Реле PT-85, РТ-86 применяются в устройствах, где в качестве опера- тивного используется переменный ток. У этих реле контакты способны шунтировать и дешунтировать цепь отключающей катушки привода вык- лючателя при токах до 150 А при условии, что полное сопротивление этой катушки не превышает 4 Ом при токе 4 А и 1,5 Ом при токе 50 А. В обозначении релетипаРТ-80 за дробной чертой (например, РТ-80/1) циф- ра 1 соответствует диапазону уставок 4-10 А со ступенью 1 А, а цифра 2—диапазону 2—5 А со ступенью 0,5 А. 99
Реле серии РТ-90 предназначены для защиты асинхронных двигате- лей большой мощности с «тяжелым» пуском (значительные кратности пускового тока, длительный пуск). У них времятоковая характеристика переходите независимую оттока часть при кратности тока почти вдвое меньшей, чем у реле РТ-80. Реле типа РТ-91 имеют контакты нормаль- ного исполнения, а реле типа РТ-95 — усиленные контакты для дешун- тирования катушки отключения выключателя (см. рис. 2.29). Использование индукционной и электромагнитной систем в реле РТ-80 и РТ-90 позволяет выполнить с помощью одного реле и токовую отсечку от коротких замыканий, и максимальную токовую защиту с выдержкой времени от перегрузки. Коэффициент возврата индукцион- ного элемента 0,8. Недостатком реле является сложность конструкции и большое собственное потребление при срабатывании (10-30 В-А). 3.3. Полупроводниковые реле, реагирующие на одну электрическую величину Реле тока и напряжения. Схема простейшего универсального реле тока (напряжения) приведена на рис. 3.18. Такое реле является состав- ной частью модуля ДТС защиты тяговой сети переменного тока [27]. Реле присоединяют к трансформатору тока или напряжения через про- межуточный трансформатор, как показано нарис. 3.18. При отсутствии сигнала на входе транзистор VT1 открыт отрицательным смещением, которое подается на базу через резистор R1. Напряжение смещения базы стабилизировано стабилитроном VD1 и диодами VD2, VD3, осуществ- ляющими температурную компенсацию. Транзисторы К72и VT3 зак- рыты, транзистор VT4 открыт. Последние два транзистора выполняют роль промежуточного реле. Входное напряжение через малогабаритный трансформатор TL по- ступает на выпрямитель VD4 и сглаживается конденсатором С. Ток, протекающий по резистору R2, пропорционален входному сигналу. Если этот ток станет примерно равным току смещения в сопротивле- нии RJ или превысит его, транзистор VT1 закроется, транзисторы VT2 и VT3 откроются, a VT4 закроется. Это соответствует срабатыванию реле. Для более четкого действия реле на границе срабатывания при- меняется положительная обратная связь через резистор R3. Уставка 100
Рис. 3.18. Схема полупроводникового реле тока (напряжения) срабатывания регулируется потенциометром. Коэффициент возврата реле 0,9, время срабатывания 0,02-0,06 с. Все большее применение в защитах находят интегральные микро- схемы [21,22,73]. В комплект многих типовых устройств релейной защиты входит измерительный орган тока (напряжения), выполненный в виде времяимпульсной схемы с операционными усилителями, при- веденный на рис. 3.19, о [19,21]. Входной сигнал поступает на пер- вичную обмотку согласующего трансформатора TL, которая для реле тока и реле напряжения имеет разное число витков разного сечения. В узлерелетока первичная обмотка трансформатора TL (TLA) включа- ется во вторичную цепь трансформатора тока, в узле реле напряжения первичная обмотка трансформатора TL (TL V) включается во вторич- ную обмотку трансформатора напряжения. Входной сигнал выпрямля- ется двухполупериодным выпрямителем VD1, но не сглаживается. Поэтому напряжение Ц на выходе выпрямителя VD1 имеет вид полу- волн (рис. 3.19, б). В схеме, приведенной на рис. 3.19, о, потенциалы всех точек отсчи- тываются от потенциала шинки 0, который принимается равным нулю. Напряжение равно разности потенциалов между положительным выводом выпрямителя VD1 и шинкой 0. Оно подается на инвертирую- щий вход (-) операционного усилителя А1, на неинвертирующем входе (+) которого установлено опорное напряжение (7Я. Потенциал неинвер- тирующего входа относительно шинки 0 положителен, а его величина 101
Рис. 3.19. Времяимпульсный узел (измерительный орган) для одной электрической величины устанавливается путем регулировки резисторов RluR2. Если напря- жение Uх отсутствует или соблюдается соотношение Uini < U()l, где Uini — амплитудное значение напряжения Ц, то на выходе операцион- ного усилителя А] напряжение U2 положительно и по величине практи- 102
чески равно +ЕП. При возрастании Ut, как только начинает соблюдаться условие UXm Ug}, операционный усилитель А1 переключается и на его выходе напряжение U2 изменяет свой знак (рис. 3.19, в). Положительное значение напряжения U2 заряжает конденсатор С че- рез резистор R3. При отрицательном значении напряжения (^конден- сатор перезаряжается через параллельно включенные сопротивления R3 и R4 (диод VD2 при отрицательном значении напряжения U2 от- крывается). Поскольку параллельно конденсатору Свключен двусто- ронний стабилитрон VD3, то положительное напряжение на конденса- торе не может превысить значения +Ucm, а отрицательное не может быть больше-Um, где (ДП|—напряжение стабилизации стабилитрона (рис. 3.19, г). Интервал времени а (рис. 3.19, б) соответствует дли- тельности соблюдения условия (7lm UoV В течение этого времени напряжение (73 на конденсаторе С снижается, а в остальное время — возрастает. Напряжение (73 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя А2. При условии (71ш < Uoi напряжение (73 имеет положи- тельный знак, следовательно, напряжение (7выл. на выходе операционно- го усилителя А2 имеет отрицательную величину почти равную -Еп (рис. 3.19, д). При этом опорное напряжение (Д2 также отрицательное. Такое положение соответствует исходному (несработавшему) состоя- нию измерительного органа. При условии (71т (7н1 напряжение (73 (из-за пилообразного напряжения) в момент времени /0 станет более отрицательным, чем опорное напряжение-(/о2. Это вызывает переклю- чение операционного усилителя А2 и изменение знака выходного на- пряжения (7^. (рис. ЗЛ9,д).Положительное значение соответствует сработавшему состоянию измерительного органа. Положительному значению соответствует и положительное зна- чение опорного напряжения + (Д2(рис. 3.19, г). До тех пор, пока со- блюдается (7|т (7н|, положительные значения напряжения (Доказы- ваются меньше опорного напряжения + Uo2 и операционный усилитель А2 обратно не переключается, сохраняя на выходе положительное зна- чение (7выу (рис. 3.19, д). Возврат измерительного органа в исходное положение произойдет при условии Uim< (7о|. Напряжение (/^ управляет транзистором ИГ. При отрицательном значении этого напряжения транзистор VTзакрыт. При положительном значении (/^ транзистор VTоткрывается и срабатывает промежуточ- на
ное миниатюрное реле KL. Одновременно загорается светодиод VD6, сигнализируя о срабатывании измерительного органа. Этот светодиод выполняет роль указательного реле с самовозвратом. Измерительный орган, упрощенная схема которого приведена нарис. 3.19, а, лежите основерелетока серии РСТ-11...РСТ-14 и реле напряже- ния серии РСН-14...РСН-17 [22], он используется также в комплексном устройстве защиты типа ЯРЭ-2201 в составе модулей тока и напряжения. Другие виды измерительных органов с одной подведенной электричес- кой величиной описаны в [ 27,28,58,60]. Применение статическихрелетока РСТ-11...РСТ-14возможново всех случаях, когда не требуется принимать меры по отстройке от апе- риодических составляющих высших гармоник в токе защищаемого объекта. Реле РСТ-11 и РСТ-12 рассчитаны на источник оперативного питания 220 В переменного тока, а реле PCT-13 и РСТ-14—на источ- ник оперативного питания 220 В постоянного тока. Имеется семь вари- антов исполнения по величине максимальной уставки в диапазоне от 0,2 до 120 А. Коэффициент возврата не менее 0,9, время действия при 1,2I составляет не более 60 мс, а при 31ср — не более 35 мс. Контакты реле способны коммутировать постоянный ток до 1А и переменный ток —до 2 А. Потребляемая мощность из сети оперативного питания 7 Вт в нормальном режиме и 8,5 Вт в режиме срабатывания. Схема статического реле тока приведена на рис. 3.20. В промежу- точном трансформаторе TLA между первичной и вторичной обмотками помещена еще одна обмотка, конец которой соединен с корпусом. Эта обмотка ундяется экраном и защищает схему от высокочастотных им- пульсов, которы^йогут проникнуть из вторичных цепей трансформато- ратока. Регулировка тока срабатывания I (уставки) осуществляется ступенчато ключами SBJ...SB5 и плавно потенциометром R3. Измерительный времяимпульсный орган реле на двух операционных уси- лителях А1 и А2 выполнен аналогично приведенному нарис. 3.19. Питание реле от источника оперативного переменного тока осуществляется через выпрямительный мост V2. С помощью стабилитронов VD4 и VD5 полу- чают напряжение ± 15 В для питания операционных усилителей. Максимальные реле напряжения РСН-14, РСН-15 и минимальные реле напряжения РСН-16, РСН-17 выполняются в основном по схеме, по- добной реле тока РСТ. Отличием является использование вместо про- межуточного трансформатора тока TLA промежуточного трансформа- 104
R19 Рис. 3.20. Релетока PCT-13
тора напряжения TLV с двумя резисторами, включенными последова- тельно в цепь первичной обмотки. Реле максимального напряжения ре- агируют на понижение напряжения в этой цепи. Реле РСН-14, РСН-16 используются при оперативном постоянном токе (220В),релеРСН-15,РСН-17 — при оперативном переменном токе (220 В). Имеется пять модификаций по напряжению уставок от 12 до 400 В. Реле времени. Полупроводниковые (электронные) реле времени де- лятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых реле задатчиком време- ни служит интегрирующая RC-цепочка, в цифровом реле—генератор импульсов стабильной частоты и счетчик числа импульсов. Аналого- вые реле выполняют с выдержкой времени до 10-20 с. С увеличением предельного значения выдержки времени возрастают габариты конден- сатора, что мешает его размещению на стандартной плате вместе с дру- «) Рис. 3.21. Узел выдержки времени с зарядом конденсатора 106
гими элементами схемы, и снижается точность работы. Цифровые реле времени таких ограничений в схемах защиты и автоматики практически не имеют и могут по принципу действия выполняться на выдержки вре- мени, измеряемые не только секундами, но и минутами, часами, сутка- ми. В устройствах релейной защиты, выполняемых в виде отдельных реле или модулей, составляющих комплект защиты, чаще исподьз^ааь ся аналоговые реле. В цифровых и микропроцессорных защитах—циф- ровые элементы выдержки времени. Резисторно-конденсаторную RC-цепочку для формирования выдер- жки времени можно использовать в режимах заряда, разряда и переза- ряда конденсатора. Наибольшее распространение получили первый и последний режимы. Простейший узел выдержки времени с зарядом конденсатора С через резистор Я показан нарис. 3.21, а. В режиме ожидания контакт Кзамкнут и конденсатор С разряжен. При срабатыва- нии пусковых измерительных органов релейной защиты контакт раз- мыкается и конденсатор начинает заряжаться. При бесконечно большом сопротивлении реле KVнапряжение ис на конденсаторе изменяется по закону: uc=En(l-e~l/RC), (3.13) где Еп — напряжение питания, t—текущее время, начиная с момента размыкания контакта К. График изменения напряжения ис показан нарис. 3.21, б. Когда на- пряжение на конденсаторе достигнет уставки срабатывания U реле KV, оно сработает и замкнет свои контакты. Величина выдержки времени г = te соответствует условию ис = U . Подставив это условие в (3.13), получим: te = RC\n—(3.14) Еп В действительности закон изменения ис отвремени имеет более сложный вид из-за наличия сопротивлений утечки конденсатора С и резистора R, а также из-за того, что сопротивление реле КУне равно бесконечности. Эти сопротивления определяют нестабильность выдержки времени. Чем меньше значения R к С, тем выше при прочих равных условиях стабильность, однако при малых значениях Я и Снельзя получить больших выдержек времени. При 107
Ucl]En — 0,632 обеспечивается наилучшая стабильность реле Р4]. В этом слу- чае te = RC. Так, например, при R = 1 МОм, С — 10 мкФ получаем zg= 1-Ю6 • 1010-6 = 10 с. При замыкании контакта К конденсатор С быстро разряжается че- рез малое сопротивление/?/ и реле АТ возвращается в исходное со- стояние. В качестве KVвыгодно использовать операционный усилитель с большим входным сопротивлением, включенный по схеме порогово- го элемента (триггер Шмитта). В реальных схемах часто используется модификация, показанная нарис. 3.21, в, в которой вместо порогового элемента КУ использованы делитель напряжения нарезисторах R2, R3, нуль-орган ЕА и диод VD. В этой схеме конденсатор С начинает заря- жаться также после размыкания контактов К, при этом диод VD заперт, поскольку^ < t/0. Когда напряжение на конденсаторе превысит зна- чение U — Uo + UD,vae UD—падение напряжения надиоде ИО,диод откроется и через нуль-индикатор ЕА будет протекать ток в направле- нии, показанном стрелкой. Нуль-индикатор сработает и замкнет кон- такты ЕА. Выдержка времени также определяется формулой (3.14). Нестабильность этой^схемы несколько ниже из-за наличия диода VD. Некоторое увеличение предельного значения выдержки времени при той же емкости конденсатора С можно получить, если заряд конденса- тора осуществлять неизменным по величине током. Такой узел показан на рис. 3.22, а. Его отличие от предыдущего заключается в использо- вании стабилизатора тока, выполненного на транзисторе VT, включен- ного по схеме с общей базой, и резисторов R4, R5, R6. Величина тока а) б) Рис. 3.22. Узел выдержки времени с линейным зарядом конденсатора 108
I коллектора транзистора в процессе заряда остается неизменной. Она может регулироваться изменением сопротивлений R4 и R6. Напряже- ние на конденсаторе изменяется по закону: It График этого изменения показан на рис. 3.22, б. Когда напряжение ис достигает величины U — Uo+ UD,rne UD—падение напряжения на диоде VD, нуль-индикатор сработает. Выдержка времени t — te равна: CU (3-16) В остальном работа этого узла не отличается от предыдущего. На рис. 3.23, а приведена простейшая схема узла с перезарядом конденсатора С. В исходном состоянии (ждущем режиме) контакт К. 1 разомкнут, контакт К.2 замкнут, конденсатор С заряжен. В про- цессе заряда ток протекает от шинки +ЕП, конденсатор С и резистор R1 небольшого сопротивления к шинке -Еп. Полярность обкладок конденсатора указана на рис. 3.23, а (без скобок). Потенциал пра- вой обкладки конденсатора равен примерно +ЕП, потенциал левой обкладки конденсатора равен -Еп. Диод VD закрыт. Запуск узла выдержки времени осуществляется путем замыка- ния контакта К.1 и размыкания контакта К.2. При этом диод VD остается заперт, поскольку к его аноду приложен потенциал +2^ правой обкладки конденсатора С, а к катоду Рис. 3.23. Узел выдержки времени с перезарядом конденсатора 109
(через нуль-индикатор ЕА ) потенциал -Еп левой обкладки этого кон- денсатора. В этот момент начинается перезаряд конденсатора С то- ком, протекающим по цепи от шинки +Еп, замкнутый контакт К.1, конденсатор С, резистор R к шинке -Еа. Если бы диод VD был все время заперт, то потенциал обкладок конденсатора изменился бы на обратный, указанный на рис. 3.18, а в скобках. Напряжение ис на обкладках конденсатора при перезаряде меняется по закону: uc=U}+(U2-U})(l-e-‘/RC), (3.17) где (71 — начальное напряжение на конденсаторе; U2 — конечное напряжение на конденсаторе в случае, если бы диод VD в процес- се перезаряда был все время заперт. Для схемы, приведенной на рис. 3.23, а, имеем Ux = +ЕП, U2 = -Еп. График процесса перезаряда конденсатора показан на рис. 3.23, б. Крг- да напряжение на конденсаторе перейдет через нуль (ис — 0) и изменит свой знак, откроется диод VD и через нуль-орган ЕА потечет ток в направлении, указанном стрелкой. Нуль-орган сработает и замкнет свои контакты ЕА. Выдержка времени определяется интервалом времени от момента замыкания контакта К .1 до момента замыкания контакта ЕА. Подставив в (3.17) значения ис= 0, Ц = +ЕП, U2 = -Еп, получаем: te = 7?С1п 2 = 0,693ЯС. (3.18) При размыкании контакта К.1 и замыкании контакта К.2 (воз- врат защиты в исходное состояние — ждущий режим) происходит быстрый заряд конденсатора С через резистор R1 с небольшим сопротивлением и схема приходит в первоначальное состояние. Принцип выполнения цифровых реле времени рассмотрим примени- тельно к схеме, показанной на рис. 3.24. Она содержит генератор не- прерывной последовательности импульсов GN, счетчик числа импуль- сов СТ, дешифратор DC, исполнительный орган SQ и контакт запуска К. Генератор GN вырабатывает импульсы постоянной длительности и формы, чаще всего—прямоугольной или треугольной, следующих друг за другом с неизменной частотой f и периодом т = 1 / f. В режиме ожи- дания контакты К находятся в верхнем положении и импульсы генера- тора GN поступают на входы сброса SR счетчика СТ и дешифратора DC. При этом на выходе дешифратора DC сигнал равен логическому 0 и исполнительный орган SQ также находится в режиме ожидания. НО
Запуск реле времени происходит в момент переключения контакта К в нижнее положение. В этом случае импульсы генератора GN поступают на счетный вход счетчика СТ и он начинает заполняться. Дешифратор DC фиксирует заполнение счетчика СТ до заданного заранее числа им- пульсов N, при котором на выходе дешифратора появляется сигнал, рав- ный логической 1, приводящий в действие исполнительный орган SQ. Рис. 3.24. Схема цифрового реле времени Выдержка времени от момента переключения контакта К до момента срабатывания исполнительного органа SQ равна te = tN . Однако это равенство выполняется только в том случае, если момент замыкания контакта К совпадает с генерацией импульса. Если же замыкание кон- такта К совпадает с паузой между импульсами, то /в = t(jV -1). В об- щем случае выдержка времени равна: (2ЛГ-1) L т 2ЛГ-1 , 1 t =т ----- ± — =-----± . в 1 1 2 2/ 2/ (3.19) 2 Последний член выражения (3.19) определяет погрешность выдерж- ки времени. Так, например, при частоте импульсов генератора GN 1 Гц погрешность выдержки времени составит 0,5 с. Выдержку времени можно регулировать изменением частоты импульсов генератора GN или фиксируемым числом импульсов N, на которое настраивается дешиф- ратор PC. Если в качестве выходного использовать сигнал на том из выходов счетчика СТ, на котором появляется логическая 1 при его полном заполнении, то дешифратор DC из схемы можно исключить. При этом выдержка времени будет зависеть от частоты генератора GN и емкости счетчика СТ. Если используется «-разрядный двоичный счетчик с ко- эффициентом деления (системой счисления) т, то максимальная вы- держка времени устройства будет определяться выражением: 1в = т(т"-1). (3.20) 111
Так, например, для 5-разрядного (п = 5) двоичного (т = 2) счетчика te = 31т. С учетом того, что момент переключения контакта К может не совпасть с моментом генерации импульса, выдержка времени будет определяться выражением: На рис. 3.25, а приведена схема модуля одной из самых первых конструкций реле времени с перезарядом конденсатора, в которой роль нуль-органа ЕА выполняет блокинг-генератор [27]. Это реле времени управляется предшествующими каскадами релейной защиты, его вход может подключаться, в частности, к выходу 0 реле тока, схема которо- го изображена на рис. 3.18. Выдержка времени определяется временем перезаряда конденсатора С через резисторы R1 и R2. На транзисторе VT1 собран блокинг-генератор, а транзисторы VT2 и VT3 образуют триггер, используемый в качестве выходного органа реле. В ждущем режиме на входе реле времени имеется отрицательный потенциал. Диод VD1 заперт. Через переход эмиттер—база транзистора VT1 и диод VD конденсатор Сзаряжается так, что потенциал его левой обкладки равен-UK, а правой — нулю. В триггере диод VD2 закрыт, транзистор VT2 открыт отрицательным смещением через резистор R3, транзистор VT3 закрыт. Если на вход реле подать нулевой потенциал, то диоды VD1 и VD2 откроются. Диод VD4 при этом закрывается, но триггер еще не изменит своего состояния, так как отрицательное смещение на базу VT2 продол- жает поступать через диод VD6 и резисторы R4 и R5. Через диод VD1 на левую обкладку конденсатора С подается нулевой потенциал, потен- циал правой обкладки становится равным +U*, диод VDзапирается, а конденсатор начинает перезаряжаться по закону (3.17), где R = Rl + R2. Когда потенциал правой обкладки конденсатора станет равным примерно ис = 0, диод VD откроется и введет в работу цепь обрат- ной связи блокинг-генератора. В результате развития регенератив- ного процесса ток в цепи коллектора транзистора VT1 резко возра- стает. Открывается диод VD3, а диод VD6запирается. В результате триггер переключается (открывается VT3 и закрывается VT2)—реле сработало. Выдержку времени можно регулировать переменным ре- зистором R1. Реле предназначено для создания выдержек времени 112
до 2 с. Максимальная выдержка времени с дополнительным вне- шним конденсатором может быть увеличена до 20 с. Реле времени, которые выполнены только на полупроводниковых эле- ментах.без трансформаторов (рис, 3.25, б) [28], являются более ком^ паюгными и технологичными. В исходном состоянии транзисторы VT1, VT3^VT4,'VT5идиодьП^Щ VD3 открыты,а И72и VT6закрыты. На выходе потенциал отрицательный. Конденсатор Сразряжен. Реле времени запускается положительным потенциалом, подаваемым на его вход. Этот потенциал закрывает транзистор VT1, при этом закры- 113
вается диод VD2. Начинается заряд конденсатора С через резистор R. Когда потенциал точки п превысит потенциал точки т, транзистор VT2 откроется, a VT3 закроется. Закрываются при этом транзисторы VT4 и VT5, а транзистор VT6 открывается. На выходе реле отрицательный по- тенциал меняется на положительный, что и является признаком сраба- тывания реле. Дифференциальный усилитель на транзисторах И72и VT3 является пороговым элементом. Напряжение, при котором он переключается, зависит от потенциала точки т. Этот потенциал определяется делителем напряжения на резисторах Rl, R2: VWW (3.22) Потенциал точки п (после запирания транзистора VT1), равный на- пряжению на обкладках конденсатора С, изменяется по закону (3.13) приЕп=^. Выдержка времени t = te определяется условием ип = Unf при кото- ром дифференциальный усилитель переключается. Логарифмируя пос- леднее выражение, получаем с учетом выражения (3.22): te=RC\n(l + R2/Ri). (3.23) Обычно принимают R1 = (0,6-г 1,0)Я2. Выдержку времени регули- руют, изменяя сопротивление резистора R (до 5 МОм) или емкость кон- денсатора С. На рис. 3.26 приведена упрощенная схема промежуточного реле РП-18 сэлектронным блоком замедления при включении [21]. При отключен- Рис. 3.26. Схема реле РП-18 114
ном напряжении питания, т. е. в ждущем режиме, транзисторы VT1, VT2, тиристор К5 закрыты, конденсаторы разряжены. В момент подачи питания стабилитрон VD1 входит в режим стабилизации и на базе тран- зистора VT1 устанавливается опорное напряжение Uo, снимаемое с ча- сти резистораR5. Транзистор VT1 остается закрытым,т. к. приразря- женном конденсаторе С/ напряжение Ц близко к напряжению на ста- билитроне VD1 и эмиттер транзистора VT1 находится под более отри- цательным потенциалом, чем его база. Конденсатор С1 начинает заря- жаться, а напряжение Ц уменьшаться. В тот момент, когда напряжение Ux станет меньше ий на 0,3-0,5 В, транзисторы VT1 и И72 лавинооб- разно открываются и конденсатор С1 разряжается через резистор R4 на управляющий электрод тиристора VS. Открытиетиристора вызывает срабатывание реле KL, которое удерживается в этом состоянии свои- ми контактами KL. 1. Другие контакты этого реле (на схеме не показа- ны) используются в схеме управления и автоматики, составной частью которой является реле РП-18. Конденсаторы С2, СЗ и С4 используются для повышения помехоустойчивости реле, Упрощенная схема органа выдержки времени устройства за- щиты типа ЯРЭ-2201 приведена на рис. 3.27 [19]. В этой схеме транзистор VT1 включен по схеме стабилизатора тока. Времязада- ющим элементом является конденсатор СЗ. В качестве нуль-органа Рис. 3.27. Схема органа выдержки времени до 20 с устройства защиты ЯРЭ-2201 115
использован операционный усилитель А. Принцип действия со- ответствует схеме, приведенной на рис. 3.22. В ждущем режиметранзистор VT2 открыт, а конденсатор СЗ разря- жен. Транзистор VT3 закрыт. Начало работы схемы соответствует мо- менту подачи на вход 1/0 (базу транзистора VT2 ) потенциала шинки 0. Транзистор VT2 закрывается и конденсатор С? начинает заряжаться и тем быстрее, чем меньше сопротивление R4. Когда напряжение на кон- денсаторе СЗ достигнет величины опорного напряжения, определяемо- го резисторами R6, R7, R8 nRll, напряжение на выходе операцион- ного усилителя А скачком изменяется от уровня, близкого к нулю, до уровня примерно+15 В. Открывается транзистор VT3 и срабатывает выходное герконовое реле KL. Резистор R11 осуществляет положи- тельную обратную связь, способствующую лавинообразному измене- нию выходного напряжения усилителя Л. Конденсаторы Cl, С2 повы- шают помехоустойчивость схемы. Сочетание аналогового и цифрового способов формирования вы- держки претим i^rrnghTnaaHO в органе выдержки времени до 20.0 с, которое также используется в устройстве защиты ЯРЭ-2201. Упрощен- * ная схема такого органа приведена на рис. 3.28 [21]. Она содержит генератор импульсов, выполненный на транзисторах VT1, VT2 и опе- рационном усилителей свремязадающимиконденсаторами СЗ, С4и двоичный счетчик числа импульсов СТ2. Генератор импульсов выпол- нен практически по той же схеме, что и орган выдержки времени, при- веденный на рис. 3.27. При подаче на клемму «Вход» сигнала 0 транзи- стор К72 запирается и конденсатор СЗ заряжается неизменным во вре- мени током, величина которого определяется транзистором VT1, вклю- ченным по схеме стабилизатора тока. Опорное напряжение задается резисторами R8, R9, R10. Выходное напряжение операционного уси- лителя А скачком переключается от уровня 0 до уровня примерно +15 В в тот момент, когда напряжение на неинверсном входе (напряжение на конденсаторах СЗ, С4) станет равным напряжению на инверсном входе (опорному напряжению) операционного усилителя А. Переключившее- ся на выходе Л напряжение через резисторы R12, R13, конденсатор С6, стабилитрон VD7 и диод VD8 открывает транзистор VT2 и кон- денсаторы СЗ, С4 разряжаются. Операционный усилитель переключа- ется и весь процесс заряда начинает повторяться. Длительность заряда регулируется резистором R5, а также подключением конденсатора СЗ. 116
Рис. 3.28. Схема органа выдержки времени до 200 с устройства защиты ЯРЭ-2201
При подаче на клемму «Вход» сигнала 0 нетолько запускается генера- тор импульсов, но и снимается сигнал сброса со входа SR счетчика СТ2. Импульсы счета поступают на вход /Осчетчика каждый раз, когда опера- ционный усилитель переключается в положение, соответствующее разря- женным конденсаторам СЗ, С4, т. е. при напряжении на его выходе близ- ком к нулю. Когда на выходах 14 и 15 счетчика СТ2 одновременно появятся логические сигналы 1, открывается транзистор VT3 и срабатыва- ет реле KL1. Открытие этого транзистора соответствует также подаче на вход 10 счетчика СТ2 логического сигнала 0, который останавливает счет- чик вне зависимости оттого, переключается генератор импульсов или нет. При снятии напряжения со входа схемы транзистор VT2 открывает- ся, конденсаторы СЗ, С4 разряжаются, на вход SR счетчика подается сигнал сброса, транзистор VT3закрывается. Если на клемму «Запрет» подать сигнал+15 В, то транзистор VT2 откроется независимо от нали- чия пускового сигнала на клемме «Вход» и реле остановится. Серийное реле времени РВ-01 запускается при подаче на его вход на- пряжения питания. Выдержка времени определяется зарядом конденсато- ра по схеме, аналогичной показанной на рис. 3.26. Реле выпускаются на диапазоны выдержек времени 0,1-1; 0,3-3; 0,1-10; 0,3-30 с. Коммутаци- онная способность контактов 30 Вт для постоянного и 250 В-А для пере- Рис. 3.29. Схема реле времени ВЛ-64, ВЛ-66, ВЛ-69 118
менного тока. Реле времени РВ-03 действует с замедлением при снятии напряжения. Схемы релеРВ-01 и РВ-03 приведены в [19]. Реле времени ВЛ-63...ВЛ-69 содержат генератор импульсов и счет- чик. Выдержка времени регулируется путем изменения частоты зада- ющего генератора G1 и коэффициента пересчета счетчика импульсов СТ (рис. 3.29). Реле состоит из выпрямителя (диоды VD1 ...VD4), сглаживающего фильтра (резистор R1 и конденсатор С Г), стабили- затора напряжения (резистор R3 и стабилитрон VD5 ), схемы уста- новки счетчика в исходное состояние (транзистор VT1) и выходного усилителя (транзистор VT2 ) с электромагнитным реле К. Работа реле начинается после подачи на входные клеммы /-^напряже- ния питания. Транзистор VT1 открывается, разрешая работу счетчика СТ. Генератор G1 запускается и начинает заполнять импульсами счетчик СТ. При заполнении счетчика на его выходе появляется положительный сиг- нал, который через резистор./? 7 открывает транзистор VT2, что вызывает срабатывание реле К. Транзистор Р72 закрывается только при исчезнове- нии напряжения на клеммах/-2. При этом закрывается и транзистор И77, после чего конденсатор С2 разряжается, устанавливая счетчик СТ в ис- ходное состояние. Реле выполняются на номинальные напряжения постоянного и пере- менного тока 24,110,220 В. Выдержка времени для реле ВЛ-64, ВЛ-65 имеет у разных модификаций диапазоны 0,1-1; 0,3-3; 0,1-10; 0,3-30 с. Реле ВЛ-66, ВЛ-67 и ВЛ-69 имеют диапазоны выдержки времени 0,1-9,9 и 1-99 с, а реле ВЛ-68—0,1-99,9 и 1-999 с. Потребляемая мощность 4,5 В А. Коммутационная способность контактов при напряжениях 24,110, 220 в переменного тока составляет, соответственно, д ля процесса вклю- чения 8; 6; 5 А и для процесса отключения 0,8; 0,6; 0,5 А (нагрузка ин- дуктивная). При постоянном токе для включения и отключения токи, со- ответственно, равны 0,8; 0,16; 0,08 А. Время повторной готовности со- ставляет около 0,3 с. По выполняемым функциям реле ВЛ-63 является однокомандным с выдержкой времени на включение, отключение или циклическим (вклю- чение—отключение). Реле ВЛ-64, ВЛ-66, ВЛ-68, ВЛ-69 являются одно- командными с выдержкой времени на включение, а реле ВЛ-67 на от- ключение. Реле ВЛ-65 является циклическим, оно производит пооче- редное включение и отключение нагрузки через заданное время. 119
3.4. Схемы сравнения двух и более электрических величин К входу реле могут быть подведены два тока или два напряжения. Наиболее распространенными реле такого типа являются реле сопро- тивления (KZ) и реле направления мощности (KW), измерительные цепи которых присоединяют ко вторичным обмоткам трансформаторов на- пряжения и тока защищаемой линии (рис. 3.30, а). Структурная схема подобных реле содержит измерительную схему ИС, к которой подво- дятся величины^ и I?, схему сравнения СС и логическую часть ЛЧ (рис. 3.30, б). Измерительная схема ЯСвыполняется в виде двух транс- форматоров так, как это показано на рис. 2.15, а. На два входа схемы сравнения поступают синусоидальные напряжения и tZ2, сформиро- ванныев ИСв соответствии с выражениями (2.19) и (2.21). Два входных сигнала (два тока) подводят также к дифференциаль- ным релетока с торможением (KAZ). Один из этих сигналов (1р) явля- ется рабочим, другой—тормозным (7Т). Реле срабатывает, если рабо- чий сигнал превышает величину уставки срабатывания {1р~^1у). Тор- мозной сигнал воздействует на уставку I. С увеличением /т, как прави- ло, возрастает I. Такие реле используются в защитах трансформаторов и могут применяться в защитах контактных сетей переменного тока. Рис. 3.30. Схема подключения к сети с двухсторонним питанием реле сопротивления (а) и структурная схема этого реле (б) Реле направления мощности и реле сопротивления широко использу- ются в защитах электрических сетей высокого напряжения и контактных сетей. Ко входам этих релеоттрансформаторов напряжения и тока подво- дятся две электрические величины — соответственно^, и./,. В зависи- мости от их соотношения реле KW hKZ срабатывают или не срабаты- вают. Условия срабатывания этих реле удобно и наглядно представлять 120
графически. Для этой цели вводят условную величину_Zp, опреде- ляемую как отношение сигналов U и I: U U ZD= — = —ej4> = Ze* = Rn+ jX„, n —p j j p p J p’ -p p Рис. 3.31. Комплексная плоскость сопротивлений где Zp — модуль отношения Up к Ip (сопротивление, измеряемое реле); Rp, Хр—соответственно активная и индуктивная составляющие отноше- ния входных сигналов и_/; фр — угол между векторами LJp и I. Анализ характеристик Z (фр) на комплексной плоскости. Ха- рактеристики и свойства подобного рода реле удобно рассматри- вать в комплексной плоскости сопротив- лений Z (рис. 3.31). По действительной оси этой плоскости откладывают актив- ные, а по мнимой — реактивные состав- ляющие. Положение вектора Zp на комп- лексной плоскости зависит от величин U, 1р, фр и определяется, следовательно, ре- жимом работы электрической системы. Рассмотрим некоторую линию с двусто- ронним питанием, изображенную на рис. 3.30, а. На подстанции П2 имеется реле KZ, к которому через трансформаторы напряжения TV и тока ТА подводятся Цри 1_р. Пусть в нормальном режиме мощность в линии направлена от шин П2 к ши- нам ПЗ. Примем это направление мощности за положительное (сплош- ная стрелка на рис. 3.30, а). Совместим начало координат комплексной плоскости с местом установки реле KZ и изобразим на ней вектор сопро- тивления на зажимах реле в нормальном режиме Z (рис. 3.32). При активно-индуктивной нагрузке угол typil не превышает, как правило, 20- 40°, однако в некоторых режимах, например, при пусках мощных дви- гателей, он может быть и больше. Вектор Z располагается в квадранте /комплексной плоскости Z. В зависимости от значения и характера на- грузки конец вектора Zpil может оказаться в любой точке области Н. При активно-емкостной нагрузке вектор Z^ может смещаться в квадрант IV. Для режима короткого замыкания в линии характерно увеличение угла ФрА. до 50-80°. Сопротивление на зажимах реле в этом режиме обозна- 121
ложное (штриховая стрелка на рис. 3.30, а). Рис. 3.32. К анализу сопротивлений, измеряемых защитой чим Zpk. Если к.з. происходит, например, в точке к! (см. рис. 3.30, а), то направление мощности по условию положительно, поэтому вектор Zpk = _Z будет находиться в квадранте/комплексной плоскости (см. рис. 3.32). В зависимости от места замыкания на участке П2—ПЗ конец вектора Zpk{ может оказаться в любой точке области К1. Если же к.з. произойдет на участке П1—П2, например, в точке к2, то направление мощности на участке, где установлена защита, изменится на противопо- В этом случае век- тор Zpk2 переместится в область К2, располо- женную в квадранте III комплексной плоско- сти (см. рис. 3.32). Очевидно, что, ког- да конец вектора Z = Z находится в области Я (нормаль- ный режим работы), реле не должно сраба- тывать. Если же конец вектора Zp = Zpk по- падет в область К1 или К2 (режим короткого замыкания), реле дол- жно сработать. В ряде случаев для обеспечения селективности требуется, чтобы реле срабаты- вало только тогда, когда конец вектораZp = Zpk попадет в область К1, и не срабатывало, если он попадете область К2. Совокупность точек комплексной плоскости, соответствующих дей- ствию реле, называется областью срабатывания, а совокупность ос- тальных точек—областью несрабатывания. Зоны срабатывания и не- срабатывания разделяет гран ичная линия, которая называется характе- ристикой срабатывания реле в комплексной плоскости или угловой характеристикой. Пусть, например, характеристика реле имеет вид окружности 1. Если конец вектора сопротивления Zp попадет внутрь окружности, реле сработает, а если он окажется вне окружности, реле 122
не сработает. В том случае, когда необходимо, чтобы реле срабатывало при попадании конца вектора.2^ только в область К1, выбирают для реле такую форму характеристики, чтобы область К1 оказалась внутри зоны срабатывания, а области Н и К2—вне ее. Характеристика 1 удовлетворяет этим требованиям для тех условий, когда область Я ограничена слева сплошной линией, приведенной нарис. 3.32. Однако, если нагрузка линии в нормальном режиме увеличится, то граница зоны Я сместится влево (штриховая линия 2) и характеристика 1 уже не будет удовлетворять поставленным условиям. В этом случае придется применять реле с более сложной формой характеристики. Рис. 3.33. Характеристики срабатывания реле сопротивлений на комплексной плоскости Математическое описание характеристик. Общая теория анали- тического описания характеристик реле, сравнивающих две подведен- ные электрические величины, основана на дробно-линейном преобра- зовании конформных отображений [60,75]. Для описания вида и фор- мы наиболее распространенных характеристик используются также урав- нения, записанные в комплексной форме, в прямоугольной или поляр- ной системе координат [12,16]. 123
Большое распространение получили реле с характеристиками в виде окружностей и прямых линий (рис. 3.33). Такие характеристики реали- зуются наиболее простыми техническими средствами. На рис.3.33, а изображена характеристика в виде окружности, центр которой Ot не совпадает с началом координат О комплексной плоскости Z. Окруж- ность радиуса R с центром О{, отстоящим от начала координат О на расстоянии р, описывается уравнением: zcp - 2ZC/,Pcos(<P/> - а) + р2 - R1 = о, (3.25) гдеа — угол между осью действительных чисел и диаметром окруж- ности Нт, проходящим через начало координат (угол максимальной чувствительности); Zcp—расстояние от начала координат О до окруж- ности при данном значении ср^; р = ОО] —расстояние от начала коор- динат до центра окружности; R = Ojn —радиус окружности. Обозначим Z' = R + р = От, Z" = R-p = От, тогда вместо выра- жения (3.25) получим: ZCP - zcp(z' - z")^p -«)- z'z" = 0- (3.26) Уравнение той же окружности в комплексной форме имеет вид: Zcp -0,5(Z' + z") =0,5 Z -Z" . (3.27) Изменяя параметры Z', Z", а, можно менять диаметр окружности и перемещать ее центр в различныеточки комплексной плоскости. Так, при Z' — Z" из выражения (3.25) получаем характеристику реле пол- ного сопротивления (рис. 3.33, б), которая не зависит от угла между подведенными электрическими величинами: Zcp-Z' = b (3.28) или ы= z' (3.29) Реле срабатывает при Zp Zcp. Приняв в выражениях (3.26)и (3.27) Z" = 0, получим характеристику направленного реле сопротивления (рис. 3.33, в): Zc/)-Z'cos((p/,-a) = 0 (3.30) 124
или Zcp-0,5Z =0,5 Z . (3.31) Реле с такой характеристикой не реагирует на короткие замыкания, при которых вектор сопротивления располагается в квадранте IIIкомп- лексной плоскости. При использовании направленных реле сопротив- ления отпадает необходимость применять реле направления мощности. Само же реле направления мощности, характеристика которого приве- дена на рис. 3.33, г, можно рассматривать как частный случай направ- ленного реле сопротивления при Z, равном бесконечности: cos(<pp-a) = 0 (3.32) или \Z^P+Z\ = Q,S\Z^P-Z'\. (3.33) В уравнении (3.33) под Z'следует понимать произвольный вектор, прове- денный под углом 90 градусов к прямолинейной характеристике этого реле. Реле направления мощности реагирует на угол между подведенны- ми величинами. Область срабатывания -<р, Фр ^л-ф| заштрихова- на. Зона изменения углов фр, при которых срабатывает реле направле- ния мощности, определяется углом между лучами граничной линии, выходящими из начала координат (в данном случае он равен 180°). Зону срабатывания можно сузить, если уменьшить угол между лучами до л - Р (рис. 3.33, д). Характеристика в виде прямой линии (рис. 3.33, е) описывается уравнением: Z£.pcos(9/>-a)-Z' = 0 (3.34) или \zcp\=2Z'-Zcp, (3.35) где Z' = От —длина перпендикуляра, опущенного из центра коорди- нат 0 на прямую. Если принять Z' = 0, то граничная линия пройдет че- рез начало координат, что соответствует характеристике срабатывания реле направления мощности (3.32) и (3.33). Схемы сравнения двух входных электрических величин. В схе- мах сравнения могут сравниваться абсолютные значения подведенных величин, их фазы или те и другие одновременно. При сравнении абсо- лютных значений условие срабатывания имеет вид: 125
|t/.|-|c2>o, (3.36) где U}, U2—напряжения на выходе входного блока защиты, приведен- ного нарис. 2.15,а. Схема сравнения входных величин Ц и U2 по фазе применяется для периодических сигналов, имеющих одинаковую частоту. Условие сра- батывания имеет вид: (pi < Xj + Х2 < <р2, (3.37) гдеф],(р2—заданные постоянные углы;Х] + А-2 —фазовый угол меж- ду входными сигналами Ц и U2 (см. рис. 2.15, б). Дифференциально-выпрямительные схемы сравнения. Эти схе- мы носят название также схем сравнения абсолютных значений сигна- лов. Схема сравнения абсолютных значений входных величин опериру- ет постоянными напряжениями (или токами). Поэтому, чтобы осуще- ствить сравнение периодических величин (сигналов), их необходимо предварительно выпрямить и сгладить. Структурная схема подобного устройства (рис. 3.34, а) содержит измерительную схему ИС, выпря- мители VD1 и VD2, сглаживающие устройства Z77 и 712, нуль-орган ЕА и выходной орган ВО. Выпрямители, сглаживающие устройства и нуль- орган образуют схему сравнения СС абсолютных значений входных сигналов и |С2|. Схема сравнения СС срабатывает (переключает- ся) при условии |С, | > |С21 ине срабатывает, если это условие не вы- полняется. Рис. 3.34. Схемы сравнения абсолютных значений входных величин 126
Поскольку входные сигналы, поступающие на нуль-орган, предва- рительно выпрямляются и сглаживаются, то очевидно, что сравнивае- мые периодические сигналы могут иметь как одинаковую, так и раз- личные частоты. Возможно также сравнение периодического сигнала с постоянным или двух постоянных сигналов. Имеются две разновидности рассматриваемой схемы сравнения: с циркуляцией токов (рис. 3.34, б) и реагирующая на равновесие напря- жений (рис. 3.34, в). При |t/| | = |J72| ток в нуль-органе первой из них равен 0, если |Z]+/?|| = |Z2+7?2|, а во второй — если : |Z| + /?] | = : |Z2 + 2^|. При |(7| | > |С/21 ток в нуль-органе протека- ет в направлении, соответствующем срабатыванию, а при |C7t | < |t/21 — в обратном направлении. Конденсаторы С, CI и С2 служат для сглажи- вания выпрямленных токов и напряжений. Если условие |(Zi | < |^г| соответствует области несрабатывания, а условие |^/] | > |t/21—области срабатывания, то уравнение граничной линии характеристики реле на комплексной плоскости соответствует зна- ку равенства в выражении (3.36). Подключим схему сравнения СС абсо- лютных значений входных величин через со- гласующие трансформаторы TLA иТЬУво вторичные цепи измерительных трансформа- торов тока и напряжения (рис. 3.35). В каче- стве схемы сравнения может быть исполь- зована любая из показанных на рис. 3.34. Для схемы, приведенной на рис. 3.35, име- ем £7, = кнIp, U2 = книр, где Lp, Up — ток и напряжение, подводимые к реле; кт, кц—коэффициенты преобразования соот- Рис. 3.35. Схема реле сопротивления ветсгвенно тока и напряжения в напряжение с учетом коэффициентов передачи схемы. Величина коэффициента кт регулируется числом вит- ков вторичной обмотки согласующего трансформатора TLA и пере- менным резистором R1. Величина коэффициента кц регулируется чис- лом витков трансформатора TL V и потенциометром R2. Для схемы, приведенной на рис. 3.35, граничное условие срабаты- вания (3.36) принимает вид 127
к. или ь-=4=о, КН где LcpiU-cp —соответственно ток 1_р и напряжение U_ на границе срабатывания. Обозначим: КН 1^-, Тогда условие срабатывания принимает вид Z' -Zcp=Q или Zcp — Z' = 0, что совпадает с выражением (3.28). Отсюда следует, что схе- ма, приведенная на рис. 3.35, является схемой реле полного сопротивления с угловой характеристикой, показанной на рис. 3.33, б. Если же какую- либо из схем сравнения абсолютных значений (рис. 3.34) подключить ко вторичным цепям трансформаторов тока и напряжения соответственно с током I и напряжением Д, через входной блок, приведенный на рис. 2.15, то можно получить и другие угловые характеристики в виде прямых и ок- ружностей, показанных на рис. 3.33 (кроме рис. 3.33, б). Нуль-органы. Для того, чтобы граничная линия была стабильной, необходимо применять нуль-орган с очень высокой чувствительностью: его мощность срабатывания не должна превышать, как правило, 10*4 -г КГ6 Вт. Нуль-орган должен обладать направленностью действия, т. е. срабатывать только при одном направлении тока в нем (или одной полярности приложенного к его зажимам напряжения), быть достаточ- но быстродействующим (собственное время срабатывания не более 5-10 мс), простым и надежным. Большой чувствительностью обладают нуль-органы на основе маг- нитоэлектрических герметизированных реле. Мощность срабатывания таких нул ь-органов достигает 10-6 -т-10-9 Вт и для их работы не требует- ся дополнительного источника питания. В то же время магнитоэлектри- ческая система не развивает опрокидывающего момента, поэтому за- мыкание контактов может быть недостаточно надежным; контактная си- стема не позволяет коммутировать токи выше нескольких десятков мил- лиампер. Для возврата в исходное положение через реле надо пропус- кать ток, направление которого противоположно определяемому усло- вием срабатывания (это усложняет схему защиты); реле имеет время срабатывания, исчисляемое десятками миллисекунд [60]. 128
Для транзисторных нуль-органов требуется дополнительный источник питания. Однако они проще, дешевле и надежнее магнитоэлектрических реле, могут выполняться сдостаточно мощным контактным (герконы) или бесконтактным (тиристоры) выходом, при отсутствии сигнала на входе са- мостоятельно переключаются в исходное состояние, имеют на порядок мень- шее время срабатывания. Применениевнуль-органах операционных уси- лителей,выполненных на основе интегральной микроэлектроники, по- зволяет получить мощность срабатывания до 10-6 4-10~7 Вт. В установ- ках со значительным объемом автоматизации производственных про- цессов, в частности на тяговых подстанциях электрического транспор- та, релейная защита использует те же источники оперативного постоян- ного тока, что и другие устройства автоматики. Кроме того, наличие дополнительного источника питания позволяет широко применять в ре- лейной защите типовые логические и функциональные элементы, вы- полненные на транзисторах или интегральных микросхемах, что суще- ственно расширяет ее возможности и улучшает свойства. Поэтому в устройствах электроснабжения железнодорожного транспорта электрон- ная релейная защита выполняется в основном с применением полупро- водниковых нуль-органов. Схема транзисторного нуль-органа приведена на рис. 3.36. При отсут- ствии входного сигнала/sv транзистор VT1 открыт и насыщен, транзистор VT2 закрыт, потенциал выхода отрицателен. Для надежного закрытия тран- зистора VT2 потенциал его эмиттера смещен за счет падения напряжения на диоде VD2. Транзистор VT1 открыттоком базы, который от плюсовой шины протекает по сопротивлениям R2 wR5. Изменением сопротивления резистора/?/ подбираетсятакаявеличинатока через диод VD1, чтобы по- Рис. 3.36. Схема транзисторного нуль-органа 5 Релейная защита 129
тенциалы точек т ип были одинаковыми. В этом случаетемпературные изменения величины падения напряжения в цепи эмиттер—база транзистора VT1 компенсируются практически таким же падением напряжения на диоде VD1 и чувствительность нуль-органа значительно изменяться небудет. При наличии входного сигнала определенной величины (10-50 мкА) транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2—открывается, при этом потенциал выхода становится положительным. Для обеспечения скачко- образного изменения потенциала (релейного эффекта) в схеме исполь- зуется положительная обратная связь, реализуемая резистором R5. Значительно лучшие и более стабильные параметры имеют нуль-орга- ны на операционных усилителях [21,22]. На рис. 3.37 приведены схе- мы использования операционных усилителей в качестве нуль-органов для сравнения двух сигналов. В схеме, приведенной на рис. 3.37, а, осуществляется сравнение двух выпрямленных сигналов UAxi и 17ву2оди- наковой полярности. Если сигнал Uexi меньше сигнала 17sv2, то напря- жение на выходе равно наибольшему положительному значению +J7max вых. Если же сигнал t7evl превышает величину U&x2 хотя бы на несколько милливольт (3-4 мВ), то из-за большого коэффициента уси- ления происходит скачкообразное переключение выходного сигнала, который становится равным наибольшему отрицательному значению- C7max ,(ЫЛ.. Для согласования операционного усилителя с последующими каскадами в ряде случаев требуется ограничить величину 17eMV. Это осу- ществляется с помощью двухполярного стабилитрона VD3, в цепи об- ратной связи. Без него выходное напряжение равно напряжению пита- ния схемы +Еп или -Еп. Диоды VD1 и VD2 защищаютвход операцион- ного усилителя от больших уровней входных сигналов. Схема нуль-органа, приведенная на рис. 3.37, б, сравнивает два вып- рямленных напряжения 17rv1 и 17rv2 разной полярности. Если в этой схеме убрать сигнал Uax2 и резистор R2, то она будет реагировать на изменение полярности входного сигнала Uaxl. Такой нуль-орган можно подключить к точкам пг и п схем сравнения, показанных на рис. 3.34, бив, заменив в них предварительно блок ЕА на резистор. Нуль-органы, приведенные на рис. 3.37, а и б, требуют, чтобы вход- ные сигналы 17rv1, Uax2 были хорошо сглажены фильтрами. Это приво- дит к замедлению действия реле, что может быть нежелательно. В пане- лях защит ЭПЗ-1636м используется нуль-орган с двумя операционны- ми усилителями А1 иА2, схема которого показана на рис. 3.37, в [76]. 130
При отсутствии входного сигнала Ugx напряжение Ц на выходе усилителя АI положительно и конденсатор С заряжен до напряже- ния, определяемого падением напряжения на открытом диоде VD1. Если напряжение Uex превысит порог срабатывания усилителя А1 (около 60 мВ), то последний переключается и напряжение 17( стано- вится отрицательным, что ведет к перезаряду конденсатора. Когда 131
напряжение на конденсаторе станет отрицательным и равным па- дению напряжения на открывающемся диоде VD2, операционный усилитель А2 переключается и открывает транзистор VT. При этом срабатывает выходное реле KL. Положительная обратная связь через резистор R7 удерживает А1 в сработанном состоянии. Схема работает следующим образом. Входное напряжение Uex явля- ется разностью выпрямленных напряжений схемы сравнения, приведен- ной на рис. 3.34, в. При слабом сглаживании этих напряжений в сигна- ле Uex имеется как постоянная, так и переменная составляющие. Вблизи границы срабатывания постоянная составляющая может быть меньше амплитуды переменной составляющей. На рис. 3.37, г приведена диаграмма напряжений схемы. Как только входное напряжение U&x превысит порог срабатывания усилителя Al Uo, он переключается в положение, при котором напряжение отрицатель- но. Пока постоянная составляющая в сигнале Uax мала (левее точки а), длительность отрицательного значения напряжения мала и конденса- тор С не успевает перезарядиться до напряжения срабатывания усилите- ля А2. С увеличением постоянной составляющей в сигнале t7ftV (правее точки а), длительность интервала, при котором напряжение Ux отрица- тельно, увеличивается и конденсатор С успевает перезарядиться до на- пряжения срабатывания усилителя А2. В этой схеме пульсации входно- го напряжения и&х не влияют на ее работу и не вызывают вибрации кон- тактов реле KL. Длительность отрицательного значения сигнала U\ для обеспечения срабатывания А2 принята 15 мс для отстройки от переход- ных процессов, в том числе при насыщении трансформаторов тока. По сравнению с транзисторными нуль-органы на операцион- ных усилителях имеют на несколько порядков большее входное сопротивление и, по крайней мере, на порядок меньшее входное напряжение переключения, а также более высокую температур- ную стабильность. Демодуляторные схемы сравнения. Такие схемы реагируют на фазу и предполагают использование так называемых фазочувствитель- ных выпрямителей. Нарис. 3.38 приведены схемы диодного фазочув- ствительного выпрямителя (симметричного кольцевого модулятора) и волновые диаграммы токов и напряжений [19,75]. Клеммы входных напряжений и U2 (рис. 3.38, а) в общем случае подключаются к выходным зажимам входного блока, приведенного нарис. 2.15. Для 132
реле направления мощности, а также в ряде других случаев эти клеммы через согласующие трансформаторы подключаются непосредственно во вторичные цепи измерительных трансформаторов тока и напряжения. Для более точной работы стремятся выполнить условия Z( = Z2 = Z, R1 = R2 = R3 = R4= R6,R5 = R6 = R7=R8 = R(). Вместо делителей R5, R6mR7, R8 можно использовать согласующие трансформаторы с нулевой точкой на вторичных обмотках (рис. 3.38, б). То из выходных напряжений Ul hjihU2, которое имеет большее зна- чение, является управляющим, а то из них, которое имеет меньшую ве- личину—управляемым. Управляющее напряжение переключает диоды из открытого состояния в закрытое, а ток в нагрузке i определяется управляемым напряжением. Если, например, |с/( | > |С/21,то управляю- щим является напряжение Uv Его положительная полуволна открывает диоды VD3 и VD4, а диоды VD1 и VD2 закрывает. Отрицательная полуволна напряжения Ux открывает диоды VD1 и Р7)2,адиоды VD3 и VD4 закрывает. Под влиянием управляемого напряжения U_2 через от- крытые диоды и сопротивление нагрузки Rn протекает ток zH0. Форма Рис. 3.38. Диодный фазочувствительный выпрямитель (кольцевой модулятор) 133
тока в нагрузке (при отсутствии сглаживающего фильтра) показана на рис. 3.38, в для случая, когда напряжения U] и U2 совпадают по фазе (у = 0) и когда фазовый угол ц/ между ними равен 90° (ц/ = л/2). Напряжение на нагрузке UIIO — ill(lRllo носит пульсирующий харак- тер и содержит существенную гармонику двойной частоты. Она осо- бенно сказывается вблизи границы срабатывания, поэтому выходное напряжение необходимо сглаживать. С этой целью может быть ис- пользован, например, Я^Ссглаживающий фильтр (показан пункти- ром на рис. 3.38, а). Для получения высокой чувствительности ди- одный мост должен выполняться с большой степенью симметрии и поэтому хотя бы один из резисторов, включенных последовательно с диодами, должен быть регулируемым. Среднее значение напряжения на нагрузке при условии |t/i|>|CZ2| равно: 2л/2 Uho=— U2ncxco^, (3.38) где псх—коэффициент передачи напряжения схемы. В том случае, если |С£] | < |^2| >то вместо (3.38) имеем: 7 F) UHO=—-Uxncxco^. (3.39) л Коэффициент передачи напряжения псх при условии Z, = Z2 = Z, Rl = R2 = R3 = R4 — R6, R5 — R6 — R7 = R8 = Rd равен [77]: 2R,. п 2Rl *т|2| + 2Яа (3.40) + R +2 Я + :------г + Z Кл + |2+2Я„ ' ( - Для той же схемы, если вместо резисторов R5, R6 и R7, R8 исполь- зуются согласующие трансформаторы ТЫ и TL2 (рис. 3.38, б), этот коэффициент равен: (3.41) где и —коэффициент трансформации согласующих трансформаторов. 134
Рис. 3.39. Транзисторный фазочувствительный выпрямитель Аналогом кольцевого модулятора, выполненного на бескорпусных транзисторах в диодном включении, является микросхема 435МА1. Значительно более высокими значениями стабильности и коэффици- ента передачи напряжения обладают фазочувствительные выпрямители на транзисторах. Одна из таких двухполупериодных схем приведена на рис. 3.39, а. Транзисторы в ней выполняют роль ключей. Напряжение U2 является управляющим. Его положительная полуволна открывает транзисторы VT3 и VT4 и закрывает транзисторы VT1 и VT2. Под влиянием напряжения Ц через сопротивление RH нагрузки (показана на рис. 3.39, а пунктиром) протекает ток illo. Форма тока в нагрузке (при отсутствии сглаживающего фильтра) показана на рис. 3.39, б для слу- чая, когда между напряжениями и U2 фазовый угол равен ц/. Для сглаживания пульсаций необходим фильтр (сглаживающий R^Cфильтр показан на рис. 3.39, а пунктиром). Среднее напряжение на нагрузке вычисляют по формуле (3.39) при (3.42) где Z — предвключенное сопротивление (например, выходное со- противление фазоповоротной схемы). В том случае, если вместо делителя из двух сопротивлений /?() ис- пользуется согласующий трансформатор TL2 с коэффициентом транс- формации п и с выведенной средней точкой во вторичной обмотке (см. рис. 3.38, б), то коэффициент передачи напряжения схемы будет равен: 135
п (3.43) й.п + R ~^ + Кф+Кн Схемы фазочувствительных выпрямителей на операционных усили- телях можно реализовать также на типовых интегральных микросхемах синхронных детекторов, в частности К174ХАУ идр. а) б) в) Рис. 3.40. Фазоповоротные схемы При необходимости искусственно сдвинуть фазовый угол между напряжениями_J7| и_С72 используют конденсаторы С1 и С2 во вход- ном блоке (рис. 2.15, а). Если же входной блок выполнен иначе, на- пример в виде трансформаторов ТЫ и TL2, вторичные обмотки которых не связаны между собой, а сердечники не имеют воздушных зазоров, то можно применить фазоповоротные схемы (устройства) ФПУ, две из которых показаны на рис. 3.40, а, б [60]. Фазовый угол а между выходным U и входным U напряжениями изменяется при регулировании переменными резисторами R в диапазоне 0 а я, причем в схеме, приведенной на рис. 3.40, а, сопротивления обоих резисторов всегда должны быть одинаковыми. В режимах, близких к холостому входу, для схемы, показанной на рис. 3.40, а, имеем: (/==<?>“, (3.44) п а для схемы, приведенной на рис. 3.44,6: (3.44') 2п где и —коэффициент трансформации промежуточного трансформа- тора TL. В этих режимах угол а равен: 136
(3.45) . Хс о 1 а = 2arctg—- = zarctg--, 6 R (OCR авеличинасопротивления/? призаданныхвеличинахаиСопределя- ется соотношением: R=^c4=ic,4 <3-46) Выходное сопротивление фазоповоротного устройства, приведенно- го на рис. 3.40, а, равно: 2ФПу =2XcosO,5a, (3.47) а для устройства, показанного на рис. 3.40, б, оно равно: zony=Xccos0’5a’ (3.47') Простейшее фазоповоротное устройство на операционном усилите- ле показано на рис. 3.40, в. Изменение угла а в пределах от 0 до 120° осуществляется резистором R. Другие схемы и их расчет приведены в [23, 73]. Среднее напряжение на нагрузке в схеме, состоящей из фазопово- ротного устройства ФПУ и фазочувствительного выпрямителя, зависит от места включения ФПУ. С его помощью можно поворачивать либо вектор , либо вектор U2. Кроме того, величина напряжения зависит от схемы фазочувствительного выпрямителя. Структурная схема реле с фазочувствительным выпрямителем UR, содержащая фазоповоротное устройство С7<р, сглаживающий фильтр ZZ и нуль-орган ЕА, показана на рис. 3.41. Для диодного фазочувствительного выпрямителя (рис. 3.38, а), вклю- ченного по схеме, приведенной на рис. 3.41,а, при |t7^|>|t72| имеем: UHO = — U2ncx C0S(V + a), (3.48) к апри |tC||<|t/2|: Сно = —С,псх cos(y + a). (3.49) 7Г Если этот же фазочувствительный выпрямитель включен по схеме, при- веденной на рис. 3.41,6, то при [£/,[ >|(/'2| имеем на нагрузке: 137
(3.50) (3.51) а при p,|<|C/\|: и»о=—-f/^cosCv-a), я f/HO=——Цп^соЧу-а). я Напряжение навыходетранзисгорногофазочувсгвительного выпрями- теля (рис. 3.39, а), включенного по схеме, приведенной на рис. 3.41, а, определяется по формуле (3.49), а включенного по схеме, приведенной на рис. 3.41,6, — по формуле (3.51). В приведенных формулах коэф- фициент схемы пех вычисляют по выражениям (3.40), (3.41), (3.42), (3.43), в которых принимают Z = 2фПу. Сопротивление фазоповоротно- го устройства находят по формулам (3.47) или (3.47'). Рис. 3.41. Структурные схемы реле с фазочувствительным выпрямителем и фазоповоротным устройством На выход устройства, схемы которого приведены на рис. 3.41, вклю- чают нуль-орган, срабатывание которого происходит при условии UHO 0. Подключив входы £7, и U2 во вторичные цепи трансформато- ров тока и напряжения так, как показано на рис 3.35, получим реле направления мощности, что следует из сравнения формулы (3.32) с выражениями (3.50) и (3.51) при UIIO = 0. Если же фазочувствитель- ный выпрямитель подключить к цепям с током 1р и напряжением Up через входной блок, приведенный на рис. 2.15, то можно получить реле сопротивления с угловыми характеристиками в виде прямых или ок- ружностей, показанных на рис. 3.33 (кроме рис. 3.33, д). Недостатком реле со схемой, приведенной на рис. 3.41, является наличие сглаживающего фильтра ZI, из-за которого собственное время срабатывания реле может возрасти в некоторых случаях до 30-40 мс. 138
Этот недостаток является общим как для реле на основе использования фазочувствительных выпрямителей, так и для реле дифференциально- выпрямительной системы. Однако быстродействие реле с фазочувстви- тельным выпрямителем можно значительно (по крайней мере — вдвое) увеличить. Для этого из схемы, приведенной на рис. 3.41, исключается сглаживающий фильтр ZI, а нуль-орган ЕА вместо контроля за посто- янной составляющей напряжения Ulm должен контролировать длитель- ность t положительных (или отрицательных) полуволн выходного сигнала или Ull0 (см. рис. 3.38, б и рис. 3.39, 6). Срабатывание нуль- органа может происходить, если соблюдается условие 0^см;(о . В этом случае, очевидно, происходит не'контроль абсолютного значения выходного сигнала фазочувствительного выпрямителя, а контроль фа- зового сдвига между напряжениями [7, и U2. Если на входы реле пода- ются сигналы Ux = кт1р и U2 = кн7р, то приведенное условие соответ- ствует характеристике реле направления мощности (рис. 3.33, г). Мож- но выполнить нуль-орган так, чтобы он срабатывал при условии (3.37), т. е. Ф1 ^(^11О ^Фз> причем <Pj > 0, а<р2 < п. Тогда угловая характерис- тика реле примет вид, показанный на рис. 3.33, а. Использование фазо- чувствительного выпрямителя с таким нуль-органом при подведенных величинах и U2, сформированных из 1р и Up входным блоком (рис. 2.15) в соответствии с формулой (2.20), позволяет получить угловые характеристики, отличающиеся от окружности и прямой, например в виде эллипса, гиперболы, кардиоиды и др. Дифференциально-демодуляторные схемы сравнения. В этих схе- мах один из выпрямителей VD1 или VD2, показанных на рис. 3.34,6 ив, заменяется на фазочувствительный выпрямитель. Струк- турные схемы таких устройств приведены на рис. 3.42. В схеме, приве- денной нарис. 3.42, а, на выходе фазочувствительного выпрямителя UR имеем Ц = к^1р С08(фр - а), а на выходе выпрямителя UZ t/2 = кн1^,гдект,к(/—коэффициенты пропорциональности,учитываю- щие коэффициенты трансформации промежуточных трансформаторов TLA, TLV и коэффициенты передачи схем выпрямления^—фазовый угол между подведенными к реле входными величинами Jp и Цр, а — фазовый сдвиг, определяемый фазоповоротным устройством СЛр. Гра- ничное условие срабатывания нуль-органа ЕА имеет вид (3.36) при знаке равенства, или к/р cos(<pp - а) - книр = 0. (3.52) 139
а) б) Рис. 3.42. Структурные схемы дифференциально-демодуляторных реле сопротивления Разделим правую и левую части этого выражения на к! и примем во внимание, что = Z, а при граничных условиях срабатывания Up/Ip = Z Тогда вместо (3.52) получим выражение (3.30), что соот- ветствует угловой характеристике направленного реле сопротивления (рис. 3.33, в). В схеме, приведенной на рис. 3.42, б, изменены места подключе- ния выпрямителя UZ и фазочувствительного выпрямителя UR к транс- форматорам TLA и TLV. Для этой схемы U\ = к^1р, С/2 = кн~^р СО8(ФР “а)- Для условий срабатывания l/( - U2 = 0 полу- чаем: к^р ~ книР C0S(<Pp - а) = 0. (3.53) Также, как выражение (3.52), это уравнение преобразуется к виду, совпадающему с формулой (3.34), что соответствует угловой характе- ристике в виде прямой линии (рис. 3.33, е). При сравнении не двух, а трех электрических величин, сформиро- ванных из I и Цр, можно получить угловые характеристики в виде кри- вых второго порядка. На рис. 3.43, а приведена структурная схема реле сопротивления с угловой характеристикой в виде эллипса. Она содер- жит два выпрямителя UZ1 и UZ2, фазочувствительный выпрямитель UR с фазоповоротным устройством Ц>, сумматор А1 и нуль-орган ЕА. Для выпрямленных напряжений имеют место соотношения: Ц = Мр’ U2 = KH\Up С05(фр - «)> из = Кн2ир- В сумматоре Л 7 осуществляется операция Uz = UX +U2 -Щ. Гра- ничное условие срабатывания имеет вид UZ=Q или 140
Рис. 3.43. Реле сопротивления с эллиптической угловой характеристикой К^Р + К«1 иР cos(4>p " а> - кн2 иР = °- (3.54) Разделим левую и правую части этого уравнения на кп11р и обозна- чим для граничных условий срабатывания UpIIp = Zcp. Тогда из выра- жения (3.54) получим: 7 К"2 ,_s.c0S(4> _„) <3-55> ».2 К_ К„1 Обозначим —— = р,-----= е. Кн2 Ки2 Тогда выражение (3.55) примет вид: \ Z_=---------(3.56) р l-ecos^-а) что соответствует уравнению эллипса в полярной системе координат с одним из фокусов , расположенным в начале координат (рис. 3.43, б). Расстояние между фокусами и F2 обозначено 2с. Большая ось эл- липса имеет длину 2а, а малая ось — ширину 2Ь. Эксцентриситетэл- липсае = с/а (е < 1). Фокальный параметр равенр = Ьг/а, крометого, 141
имеет место соотношение Ь2 = а1 - с2. Для длин отрезков F{n и F{m введем обозначения foi^Z' и J^/n^Z". Очевидно: Z' = a+c = a(l + s), Z" = a-c = a(l-£). Кроме того, обозначим q = Ыа, где q — степень сплющенности эллипса. Заданными являются Z, q и а. Угол а устанавливается фазоповорот- ным устройством t/ср, а из приведенных соотношений следует: Коэффициент ки1 задается обычно из условий обеспечения точной работы реле, поэтому из первых двух равенств (3.57) можно найти зна- чения кц] и кт для получения заданной характеристики, которая кроме выражения (3.56) может быть представлена в виде: qy[z^ Zcp=г/ ;• <3-56) i-jV1-? jc°s((pp-a) Дифференциально-демодуляторные схемы сравнения можно выпол- нить на интегральных микросхемах. Наиболее громоздким в защите и наименее технологичным является входной блок (рис. 2.15). Замена его на согласующие трансформаторы с магнитопроводом без зазора значи- тельно упрощает устройство, однако ограничивает возможность полу- чения разнообразных угловых характеристик. Наиболее просто полу- чить угловую характеристику в виде окружности с центром в начале координат (рис. 3.33, б) с помощью дифференциально-выпрямительной схемы сравнения (схемы сравнения абсолютных значений входных ве- личин), приведенной на рис. 3.34. Угловую характеристику реле на- правления мощности, показанную нарис. 3.33,г, проще получить с помощью демодуляторной схемы, а угловые характеристики, приведен- ные нарис. 3.33, в не, проще выполнить с помощью дифференциаль- но-демодуляторной схемы. Время-импульсные схемы сравнения. На вход этих схем подают переменные электрические сигналы, подлежащие оценке или сравне- нию. Если на вход подается только один сигнал, то критерием его оцен- ки является продолжительность полуволны одного знака. Например, для 142
фазочувствительных выпрямителей, изображенных на рис. 3.38 и 3.39, условие срабатывания UH0 ^0 соответствует условию, при котором положительные значения тока ilt в нагрузке длятся более одной четверти периода ((Мно я/ 2 ). При использовании этого критерия не нужны сглаживающие фильтры R^C на входе таких выпрямителей, что увели- чивает быстродействие схем сравнения. Если же сравниваются несколько сигналов, то критерием оценки слу- жит время совпадения знаков мгновенных значений входных величин. Используются две разновидности этого способа. В одной из них время совпадения одинаковых знаков входных сигналов сравнивается с некото- рым заданным значением (эталоном). В другой—время совпадения зна- ков мгновенных значений этих сигналов сопоставляется со временем, когда знаки этих же величин не совпадают. Таким образом, эти схемы сравнения реагируют на фазовые углы. Одна из возможных схем, оценивающих время совпадения мгно- венных значений входных сигналов, приведена на рис. 3.44, а. Она со- держит два согласующих трансформатора ТЫ и TL2, входные цепи ко- торых подключаются к выходам входного блока (рис. 2.15) или непос- редственно во вторичные цепи трансформаторов тока и напряжения. По- ложительные полуволны токов Z) и 12 запирают соответственно транзи- сторы VT1 и VT2 за счет падения напряжения на диодах VD5 и VD6, отрицательные полуволны их отпирают. Если оба транзистора запира- ются, диод VD7закрывается и происходит заряд конденсатора С1 с по- стоянной времени т = RC. Через время tg после начала процесса заряда потенциал точки а станет более отрицательным, чем потенциал точки b на величину 1/ди диод VD7 откроется. Через нуль-орган ЕА потечет ток, который заставит его сработать. Промежуток времени tg от начала заряда конденсатора С1 до момента срабатывания нуль-органа опреде- ляется по формуле (3.14), где Ucp = Uo + 1/д. Таким образом, если транзисторы VT1 и К72 одновременно закрыты в течение времени tg или дольше, то нуль-орган ЕА срабатывает. Однако, если до истечения времени один из транзисторов откроется,то конденсатор С1 через него мгновенно разряжается и нуль-орган не сработает. Следователь- но, схема, приведенная нарис. 3.34, а, контролирует время совпадения оди- наковых знаков мгновенных величин входных сигналов: если это время мень- ше значения tg—нуль-орган не срабатывает, если это время равно или боль- ше tg—нуль-орган срабатывает. Диоды VD1- VD4 ограничивают напряже- 143
Рис. 3.44. Время-импульсная схема сравнения двух входных сигналов ние на обмотках трансформаторов TL1 и TL2 при значительных изменениях токов во входных цепях, защищая тем самым базовые цепи транзисторов VTI и VT2. Конденсатор С служит д ля обеспечения фазового сдвига (если он необходим) между токами и 12. Нарис. 3.44, б приведены волновые диаграммы токов, в которых учтено, что напряжение U2 отстает от напряжения на угол ср. Если бы в схеме отсутствовал конденсатор С, то ток 12 (с мгновенными значени- ями Z2) во вторичной обмотке трансформатора TL2 отставал бы от тока (с мгновенными значениями i{) во вторичной обмотке трансформато- ра ТЫ на угол ср. При наличии конденсатора Сток 72 во вторичной обмотке трансформатора TL2 (с мгновенными значениями f2) опережа- ет ток/2 на угол а. 144
Совпадение положительных знаков мгновенных значений токов i(и ?2 нарис. 3.44, б имеет место в пределах угла у = л - <р + а. При изме- нении угласр в сторону отставания или опережения, совпадение поло- жительных знаков токов и f2 будет иметь место в интервале от значе- ния ср = -(л - а) до значения ф = л + а. Отсюда следует, что при усло- вии ф-а|^л имеет место совпадение знаков мгновенных значений токов i। и i2. В общем виде, поскольку л = а>Т / 2, это условие можно записать следующим образом: |<p-a| = cozc, [tc^T/2\, (3.58) где Т — период частоты входных сигналов; te—время совпадения оди- наковых знаков входных сигналов. Срабатывание нуль-органа ЕА (рис. 3.44, а) происходит при где te—фиксированное значение, определяемое параметрами зарядной цепочки RC1 и делителя напряжения R1—R2. Поэтому условие сраба- тывания нуль-органа принимает вид |ф - а| со/„ или -(co/e-a)^<p^(coze+a). (3.59) Принимают, как правило, te=5-10-3 с, тогда = 1,57 = л/2 . В этом случае, если напряжения L?t и IZ2 подключаются непосредственно во вторичные цепи тока и напряжения, то схема, приведенная нарис. 3.44, а, приобретает свойства реле направления мощности с угловой характе- ристикой на комплексной плоскости, показанной нарис. 3.44, в. Если принять te меньше указанной величины, то угловая характеристика при- обретет вид, приведенный на рис. 3.44, г. В том случае, когда первичные обмотки трансформаторов ТЫ и TL2 этой схемы подключаются к вы- ходам входного блока, приведенного нарис. 2.15, угловые характерис- тики на комплексной плоскости могут иметь более сложный вид. В ча- стности при te = 5 103 с получают прямые и окружности, расположе- ние которых на комплексной плоскости зависит от величины коэффици- ентов трансформации согласующих трансформаторов входного блока. Принцип сопоставления времени совпадения знаков мгновенных зна- чений входных величин с временем, когда знаки мгновенных значений этих же величин не совпадают, рассмотрен на примере схемы, приве- денной нарис. 3.45. Входные сигналы 17], U2, U3 (их число практически не ограничено) с мгновенными значениями, соответственно, и{, и2, и3 подаются на симметричный двухполупериодный формирователь импуль- 145
Рис. 3.45. Схема сравнения времен совпадения и несовпадения знаков мгновенных величин сов несовпадения (ФИН) их знаков. Если все напряжения на входе от- сутствуют, то диоды VD1-VD6открыты током источника питания, про- ходящим через резисторы R1-R4 (Rl = R2, R3 = R4). В этом случае к диодам VD7h VD8 приложено обратное напряжение, равное при мерно падению напряжения на резисторах/?/ и R2, и они закрыты. Полярность и величина напряжения на входе операционного усилителя А1 такова, что он насыщен и на выходе имеется напряжение UA (с отрицательной полярностью. Полярность напряжения UAX не меняется, если на входе имеется только один из сравниваемых сигналов, например Uv Его по- ложительная полуволна проходит через диод VD1 и открывшийся диод VD7 (диод VD2 закрывается). Однако это не приведет к переключению усилителя А /, поскольку обратное напряжение Uii6 на запертом диоде пре- вышает падение напряжения U(> на открытом д иоде. Такой режим достигает- ся выбором сопротивления резисторов: Uo6= Ultum R1/(R2 + R3) = = UiiuniR2/(R2 + R4) > Uo. Положение усилителя Al не изменится, если отсутствует только одно из напряжений на входе, поскольку источник с 146
нулевым напряжением может быть представлен закороткой. Не изме- нится положение усилителя АI и в том случае, если все входные напря- жения £7], U2, U3 совпадают по фазе. Только в том случае, когда на всех входах ФИН имеются напряже- ния, но их мгновенные значения по крайней мере на двух входах име- ют разные знаки, диоды VD7h KD5 одновременно открываются. Диод VD/открывается положительной полярностью одного из входныхсиг- налов, адиод VD8 открывается отрицательной полярностью другого сигнала. При одновременно открытых диодах VD7n VD8 полярность на входе операционного усилителя изменяется на противоположную и напряжение UAl становится положительным. На рис. 3.45, б приведена волновая диаграмма входных сигналов , и2, и3 и соответствующая им диаграмма напряжений UA! на выходе уси- лителя А1. В интервале времени 0 - tl мгновенное значение напряжений щ и «2 положительно, а напряжения и3—отрицательно. Так как наэтом интервале знаки мгновенных величин всех входных напряжений не со- впадают, то напряжение UAi положительно. В интервале времени г, -t2 мгновенные значения всех входных величин положительны. Поскольку знаки всех сигналов совпадают, то напряжение UA (— отрицательно. В интервале t2 -l3 для каждого из моментов времени знаки входных сигна- лов не совпадают, поэтому UA, положительно. В интервале t3 -14 знаки всех входных сигналов отрицательны, т. е. снова знаки совпадают, сле- довательно, наэтом интервале UAi —отрицательно. Положительные и отрицательные значения UAl поступают в остальную часть схемы (рис. 3.45, а), где производится сопоставление длительностей совпадения мгновенных величин входных сигналов и их несовпадения&tllc. Сопоставление этих длительностей осуществляется переключающим диодным мостом VD и интегратором на операционном усилителе Л 2. Для положительных значений напряжения UA1 цепь интегрирования об- разуется через диод VD11 и резистор R 7, а для отрицательных—через диод VD10 и резистор R6. Стабилитрон ИО9 ограничивает и обеспечи- вает равенство положительных и отрицательных значений уровней на- пряжения, поступающих на интегратор. Диод VD12 предотвращает по- явление на выходе А2 напряжения положительной полярности. При отсутствии сигналов.^ ,_£/2,1/з на входе напряжение UAX — отрицательно. Оно поступает на инвертирующий вход усилителя Л 2 че- рез мост VD и диод VD10, однако конденсатор С при этом не заряжает- 147
ся, поскольку он зашунтирован диодом VD12. На выходе логической ячейки DD сигнал равен 0. При наличии на входах сигналов I/,, U2, U3 в моменты несовпадения их мгновенных значений на выходе усилителя А1 сигнал UA , приобрета- ет положительную полярность. Он поступает на инвертирующий вход усилителя А2 через мост VD и диод VD11. Конденсатор С начинает за- ряжаться. Если интервал времени AZ)zc несовпадения мгновенных вели- чин входных сигналов невелик (рис. 3.45, в), то напряжение U2 на кон- денсаторе С и на выходе усилителя А2 не достигает порогового значе- ния Un, при котором ячейка DD переключается. По истечении времени М11С напряжение UA , меняет знак и конденсатор Сразряжается до нуля. Если же продолжительность интервалов Afw достаточно велика, то конденсатор С заряжается до большего значения напряжения (рис. 3.45, г). В период совпадения A/f мгновенных значений входных величин конденсатор будет разряжаться, но поскольку длительность этого периода мала, то разряд будет лишь частичным и в течение следующего интервала AfZZ{. напряжение на конденсаторе превысит порог срабатывания Un ячейки DD. На ее выходе появится выход- ной сигнал 1, что соответствует срабатыванию схемы сравнения. Если выполнить схему сравнения (рис. 3.45, а) на два входных сигнала^/, и U2, которые поступают с выхода входного блока, приве- денного на рис. 2.15, а, и в качестве условия срабатывания принять условие Д/нс Д/с, то угловая характеристика в комплексной плоско- сти для этой схемы будет иметь вид прямой линии или окружности. Условие срабатывания Д/нс = Д/с обеспечивается при R6 = R7. Если эти сопротивления не одинаковы, то скорости заряда и разряда кон- денсатора Сбудутразными. При этом вместо окружности характерис- тика примет вид эллипса. Для получения многоугольных характеристик на входы схемы срав- нения, приведенной нарис. 3.45, а, необходимо подавать столько вход- ных сигналов, сколько имеется сторон в многоугольнике. Импульсные схемы сравнения. Схемы сравнения импульсного типа фиксируют моменты прохождения мгновенных значений входных сигналов через нулевые значения. Они относятся к схемам сравнения по фазе. Структурная схема такого метода сравнения приведена на рис. 3.46, а. Она содержит измерительную схему ИС, фазовращатель 17ср, нуль-органы ЕА 1, ЕА2, одновибраторы DD1, DD2, логические ячейки 148
Рис. 3.46. Структурная схема реле с импульсной схемой сравнения совпадения (И) DD3, DD4 и 2?5-триггер DD5. Элементы, относящиеся собственно к схеме сравнения СС, размещены внутри рамки. Измерительная схема ИС может быть выполнена в виде входного блока, показанного на рис. 2.15, а. В этом случае отдельный фазовра- щатель 17ср не нужен. Он необходим в том случае, если в измерительной схеме ИС напряжения вторичных обмоток согласующих трансформа- торов TL1 и TL2 не суммируются. В этом случае имеют место равен- 149
ства: U{ = ,1L2 = к^, где ки, кг—коэффициенты преобразования соответственно первичных значений входных сигналов X/, и 7^ в напря- жения-Г/! nU2 вторичных обмоток согласующих трансформаторов ТЫ и TL2 (рис. 2.15, а). Волновые диаграммы напряжений (7( (с мгновенными значениями Н|) и U2 (с мгновенными значениями w2) при фазовом сдвиге между ними срр1 приведены на рис. 3.46, б. С помощью фазоповоротного уст- ройства (7<р напряжение Ц сдвигается на угол ф,, в данном случае в сторону опережения. Полученное таким образом напряжение (с мгно- венным значением ), а также напряжение!^ подаются на вход схемы сравнения СС. Нуль-органы ЕА1 иЕА2 переключаются при переходе синусоиды соответствующего напряжения и w2 через нуль от положительных значений к отрицательным. Нуль-орган ЕА1 срабатывает в точке b и воз- вращается в исходное положение в точке d (рис. 3.46, бив). Нуль- орган ЕА2 срабатывает в точке а и возвращается в исходное положение в точке с. Срабатывание нуль-органов запускает, соответственно, одно- вибраторы DDI и DD2. Одновибратор DD1 формирует на выходе пря- моугольный сигнал А1 длительностью^! = ф2/ш. Одновибратор DD2 формирует на выходе прямоугольный сигнал А2 с очень короткой дли- тельностью. Сигналы А1 и А2 поступают на входы ячеек совпадения DD3 и DD4. Поскольку один из входов ячейки 334 является инверсным,то сигнал на ее выходе В2 появляется в тот промежуток времени, когда сигналы А1 и А2 во времени не совпадают. Такое положение соответствует фа- зовому углу фр1 (рис. 3.46, б). Сигнал В2 поступает на К-вход триггера DD5, удерживая триггер в состоянии логического 0, что соответствует выходному сигналу Fсхемы сравнения СС, равном нулю. Реле при этом находится в несработанном состоянии (режим ожидания). В этом режиме сигнал В1 на выходе ячейки совпадения DD3 отсутствует, по- скольку входные сигналы А1 и А2 во времени не совпадают. При изменении фазового угла (фр2 на рис. 3.46, в) появляются проме- жутки времени, когда сигналы А1 и А2 во времени совпадают. В этом случае на выходе ячейки DD4 сигнал В2 не появляется, а на выходе ячей- ки DD3 каждый период будет появляться сигнал В1. Этот сигнал посту- пает на S вход триггера, переключая его в режим логической 1, что соот- ветствует появлению навыходесхемы сравнения сигнала^. Сигнал F 150
далее поступает в исполнительные цепи защиты. Появление сигнала соот- ветствует режиму срабатывания реле. Для ускорения действия за- щиты такое сравнение сигналов u'l = U2sin(at + ф() и и2 = = U2sin(®z - фр) может осуще- ствляться в течение каждого полупериода. В общем случае, при подключении реле со структурной схемой, приведен- ной на рис. 3.46, к входному блоку, показанному на рис. 2.15, а, схема сравнения СС сравнивает напряжения = = L7jSin(a>t + и и2 = = Cr2sin(co/ — X, — Х2). Если вы- полнить одновибраторы DD1 и DD2 так, чтобы суммарная ши- рина импульсов Л / и сравня- лась л (или 180°), что составля- ет при частоте 50 Гц 0,01с = 10 мс, то угловая характеристика реле может быть выполнена в виде прямых линий или окруж- ностей. При суммарной ширине импульсов АI и А2 меньшей л угловые характеристики могут принимать вид ломаной линии (рис. 3.44, г ) или эллипса. Индукционные системы. Реле индукционной системы содержит неподвижный магни- топровод 1 с обмотками 2 и 5 и подвижной алюминиевый ро- тор 8 (рис, 3.47, а). Между по- люсами 3, 4, 6 и 9 магнитопро- вода 1 расположен стальной Рис. 3.47. Структурная схема индукционного реле направления мощности (а) и его векторная диаграмма (6) 151
цилиндрический сердечник 7, который служит для уменьшения сопро- тивления магнитной цепи. В зазор между полюсами и сердечником по- мещен алюминиевый ротор 8, имеющий форму стакана. Ротор такой формы обладает меньшим моментом инерции, чем, например, диск, что обеспечивает более высокое быстродействие. Стакан снабжен осью 10, концы 13 которой вращаются в верхнем 14 и нижнем 17 подпятниках. На оси 10 жестко крепится подвижной контакт 11. При повороте ротора 8 этот контакт замыкает неподвижные контакты 12и16. Возвратрелев исходное положение осуществляется спиральной пружиной 15. Рассмотрим случай, когда к обмоткам 2 подводится ток 1, а к об- моткам 5—напряжение!^ (см. рис. 3.47, б). Подведенный к оомотке2 ток I тсгает от напряжения U на угол <рр. Магнитный поток Фт, совпа- дает по фазе стоком 1р (потерями в стали и размагничивающим дей- ствием ротора пренебрегаем). Под действием напряжения Up по обмот- кам напряжения 5 протекает ток 1и, угол сдвига которого у определяется характером сопротивления обмотки (примерно 65°). Угол 8 равен 90° -у. Магнитный поток Ф„ совпадает по фазе с током Д. Магнитные потоки Фт и Фя сдвинуты в пространстве на 90° и по фазе на угол V = Y “ — 90° - 5 - фр. Они пересекают алюминиевый ро- тор и наводят в нем вихревыетоки. Взаимодействие магнитных потоков и вихревыхтоков создает вращающий момент, действующий на ротор: Мвр = кфнфт sin ф = кфнфу [sin 90° “ (фр + 8)] = (3.60) = с17р/рСО5(фр-а), где к и с— постоянные; а = - 8. При cos (<р/; - а) > 0 момент, действующий на ротор, имеет поло- жительный знак и ротор повернется в сторону замыкания контак- тов. Если же cos(<p/J — а)< 0 , то ротор повернется в сторону раз- мыкания контактов (до упора). Условие срабатывания cos(<pp -а)>0 тождественно выражению -(90° - а) < фр < (90° + а). Полагая Л Л л л I = Up U =ит и (У,; U2 =1р-ир =Фр = А1 +Л2, получаем, что в условии срабатывания (3.37) для данной системы ф1=-(90°-а) и ф2 =(90° + а). Угол а называется углом максималь- ной чувствительности. При фр = а имеем со8(фр - а) = 1, что соот- ветствует наибольшему значению Мвр. 152
Чувствительность реле. Характеристики реле Zcp = f (ф/?), приве- денные на рис. 3.33, соответствуют идеальным условиям, которые не учитывают механические тормозные моменты электромеханических систем, ненулевой уровень срабатывания электронных схем сравнения ит.д. В реальных условиях по указанным причинам |С7] | -1U_21 # 0, а схемы сравнения по фазе срабатывают в диапазоне углов, отличающемся от определяемого условием (3.37). Это приводит к искажению формы характеристик и их смещению на комплексной плоскости. Такие изме- нения отражаются на свойствах реле и зонах их действия, а поэтому их необходимо учитывать. Зависимость сопротивления срабатывания реле полного сопро- тивления от тока 1р носит нелиней- ный характер (рис. 3.48). Действи- тельное сопротивление срабатыва- ния Z равно уставке срабатыва- ния Z (т. е. заданному значению, при котором должно наступить сра- батывание реле) только при доста- точно больших значениях тока I. -р Эту часть характеристики Z = f (I) используют для ка- либровки шкалы уставок реле. При снижении тока I уменьшается и значение Zcp, при котором насту- пает срабатывание реле: Z становится меньше заданного Zy и зона за- щиты сокращается. Одним из показателей качества реле и его чувстви- тельности служит ток точной работы [тр, при котором отклонение со- противления Z от уставки Zy составляет 10%: Z — Z ^—^100 = 10%, [zp = zTp], у Чувствительность релетем выше, чем меньше ток точной работы I . Для его уменьшения применяют высокочувствительные реагирующие органы в схемах сравнения. У современных реле сопротивления ток точ- ной работы равен 1-2 А. Для третьих ступеней защит тяговой сети эту величину желательно иметь не более 0,5-0,7 А. (3.61) 153
Угловой характеристикой реле направления мощности называется зависимость U = f(typ) (рис. 3.49, а). Идеальным условиям срабаты- вания, т. е. cos (фр - а) = 0 соответствует зона между двумя прямыми линиями 1-1отстоящими друг от друга на угол 180°. В действитель- ности cos (фр - а) 0 и угловая характеристика превращается в кри- вую 2. Из рис. 3.49, а следует, что для срабатывания реле необходимо, чтобы подведенное к нему напряжение U имело конечное значение, минимальная величина которого зависит от угла фр. Если угол фр равен углу максимальной чувствительности а, то напряжение срабатывания Рис. 3.49. Угловая (а) и вольт-амперная (6) характеристики реле направления мощности Вольт-амперная характеристика (рис. 3.49, б) показывает, как из- меняется минимальное напряжение срабатывания при увеличении тока реле. Начиная с некоторого значения тока, напряжение U min практичес- ки перестает уменьшаться. У современных реле U mjn 1 В. Так как для срабатывания реле требуется определенное значение Up, неизбежно наличие «мертвой зоны», т. е. зоны ложного действия или отказа сраба- тывания реле, если подводимоек нему напряжение окажется меньше не- обходимого. Приданном значении U = срабатывание произойдет в том случае, если Iр 1ср. Для того, чтобы обеспечить заданные значения тока точной работы Ipj., наименьшего значения напряжения срабатывания U min, наимень- шего значения тока I min, при котором реле еще способно выполнять заданные функции, необходимо должным образом выбрать значения 154
Таблица 3.1 Вид характе- ристики рис. 3.33 Схема сравне- НИЯ Формулы для вычисления коэффициентов КтРКт2’К„1’К„2 Кт1 *т2 Кп\ Ки2 а) ДВ N to Г N К) Z + Z 2 кп2 0 1<ЧО Z"»D/OT ДМ з(/с рт > 5Ц,О '^4 *Т| Z" *.2 Z' ВИ, и >10(4 135(4 11* *т! Z" Кт2 Z' б) ДВ >10*4 ' nDl„ 0 0 к,. Z' дм Кт2 >0,5*4, Кп2 К,2 Z' ВИ, и \оис 1 рт 41 *.1 Z' К„1 в) ДВ Кт2 > 5*4, 0 2-12- Z' ДМ 0 >10*4, " nDI РТ б(/с ''и ср,min *Т2 Z' ВИ, и 0 >135(4 20(4 ^cp.m'm к.г Z’ г) ДВ Кт2 К„2 1<Ч., " nDVq,,^ дм 0 >20*7,,,, 6UC ^cp.min 0 ВИ, и 0 20(7с 4 > 20(7с Uср,min 0 е) ДВ 0 > ю*4, К„2 *т2 2Z' дм ср,min > ю*4, рт 0 Кт2 Z' ВИ, и >20(4 4 135(/с 1 0 *т2 Z' 155
коэффициентов кт1, кт2, к;(), кн2, входящих в формулы (2.20') и (2.21). Эти коэффициенты определяют уровень напряжений 17т|, U12, Uul, Uli2, на вторичных обмотках входного блока, приведенного на рис. 2.15, а, при данных значениях входных сигналов 1р и Up. Чем выше напряжения С/т„ Ц-2» Ц/2’т-е-чем больше величина коэффициентов кт|,кт2,к;Н, кн2, тем лучше характеристика реле: меньше величины I , Ucp min, I min. Однако при этом возрастают мощность и габариты трансформаторов TL1 и TL2 входного блока, собственное потребление, появляется необ- ходимость защиты электронных компонентов от высоких уровней на- пряжения. В таблице 3.1 приведены формулы для выбора рассматриваемых ко- эффициентов, при которых обеспечивается наименьшее допустимое зна- чение напряжений С7Т|, 1/т2, Ull}, Uil2. Один или два коэффициента выби- раются из условий обеспечения заданных минимальных значений / , Ucp min, Ip mjn, а остальные — исходя из вида характеристики на комп- лексной плоскости и ее параметров, а также вида используемой схемы сравнения [78]. В этой таблице для схем сравнения приняты обозначе- ния: ДВ—дифференциально-выпрямительная; ДМ—демодуляторная; ВИ — время-импульсная; И — импульсная системы. Напряжение сра- батывания нуль-органа обозначено UIIO, а напряжение переключения тран- зисторов или микросхем, фиксирующих моменты перехода перемен- ного напряжения через нулевое значение, обозначено Uc. Для схем с выпрямителями коэффициент!) вычисляют по формуле: „ гтт . л г D = yj2—sin—, |m^2| л т где т — число пульсаций выпрямленного напряжения. При однопульсовом выпрямлении, когда в течение периода пере- менного тока выпрямляется только одна полуволна, D = 0,45. Реле со сложными характеристиками. В длинных, сильно загру- женных линиях электропередачи максимальные токи нагрузки ока- зываются соизмеримыми с минимальными токами удаленных к.з. В этих условиях область Н на комплексной плоскости сопротивлений (см. рис. 3.32) смещается влево (кривая 2) и реле сопротивления с про- стыми характеристиками в виде окружности уже не в состоянии отли- чить нормальный режим от режима к.з. Для того, чтобы понизить чувствительность реле к нормальному режиму (в области малых зна- 156
чений фр//) при сохранении требуемой чувствительности к режимам повреждений (в области больших значений <ррЛ), необходимо приме- нять реле сопротивления со сложными характеристиками Z Некоторые из таких характеристик на комплексной плоскости Z при- ведены на рис. 3.50 (область срабатывания заштрихована). Рис. 3.50. Сложные характеристики срабатывания реле сопротивления В общем случае, для получения сложных характеристик необ- ходимо к схеме сравнения подвести напряжения Ц, U2, U3,... (бо- лее двух), сформированные из тока 1р и напряжения Up [см. выра- жение (2.19)]. Эллиптическая характеристика, приведенная на рис. 3.50, а кроме того, может быть получена путем деформации окруж- ности токами высших гармоник схемы сравнения. В этом случае требуется сравнить только два напряжения [см. выражение (2.20)]. Остальные характеристики, приведенные на рис. 3.50, относятся к типу составных. Они составлены из двух или нескольких простых характеристик, имеющих вид окружностей или прямых линий. Составные Характеристики могут быть получены различными спосо- бами (рис. 3.51). В одном из них (рис. 3.51, а) на входы схем сравнения СС1, СС2, ССЗ поступают по два напряжения, сформированных из Рис. 3.51. Схемы, позволяющие получить составные характеристики 157
Ip и Hp tCM- выражение (2.20)]. Выходы схем сравнения присоединены ко входу логической ячейки DD, осуществляющей логическое умно- жение (операция И) или логическое сложение (операция ИЛИ). В за- висимости от числа схем сравнения и типа элемента DD получают ту или иную характеристику. Так, при использовании четырех схем срав- нения и логической ячейки И может быть получена характеристика, приведенная на рис. 3.50, б. Если применить логическую ячейку ИЛИ, можно получить характеристику, изображенную на рис. 3.50, в. Другой способ (рис. 3.51, б) основан на применении макси- и миниселекторов в схемах сравнения абсолютных значений вход- ных сигналов с применением логических ячеек И и ИЛИ. Схема максиселектора для трех сигналов Ц, (72,173 приведена на рис. 3.52, а. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки Ru в этой схеме равно тому из напряжений Uv U2, Uy которое является наиболь- шим (за вычетом падения напряжения на диоде). Из трех диодов VD1, VD2, VD3 будет открыт тот, который находится в цепи с наибольшим напряжением, остальные два будут закрыты. Рис. 3.52. Схемы макси- и миниселекторов Если пренебречь обратными токами закрытых диодов, то на- пряжение U на выходе схемы максиселектора равно: _(^ах-^)ДН вых Лв„+Л„ ’ где (7тах — наибольшее из напряжений на входе максиселектора; U— прямое падение напряжения на диоде; Reil — внутреннее сопротивление источников напряжения Ц, CZ2, Uy... (рис. 3.52, а). Схема миниселектора для трех сигналов Ц, U2, U3 приведена на рис. 3.52, б. Дополнительно в этой схеме должен присутствовать ис- 158
точник опорного напряжения Uo. Если величина (70 меньше любого из сигналов Ц, U2, Uy то диоды VD1, VD2, VD3 будут закрыты и ток в резисторе R отсутствует. Если же величина 170 больше любого из сиг- налов 17], U2, U3, то откроется тот из диодов VD1, VD2, VD3, который соединен с сигналом, имеющим наименьшую величину напряжения. Ток в резисторе Rit, а следовательно, и выходное напряжение U^. ока- зываются крайне малыми, т.к. RH « R. Если, например, из трех сигна- лов 17], U2, U3 величина напряжения U2 меньше чем Ц и Uy то откро- ется диод VD2. Остальные два будут закрыты. Напряжение на выходе примерно будет равно напряжению того из сигналов, который является наименьшим (в данном случае 172). Для того, чтобы схема, приведенная на рис. 3.52, б, выполняла функции миниселектора необходимо условие: ( R^\ Un> 1+— U'- О n min > \ н J где I7'mjn — максимальная величина наименьшего из сигналов Ц, U2, Uy... на входе миниселектора. Если при этом обеспечить соотношения: = ^in R = R ReH ' вн 7?н+/?’ где U'min — минимальная величина наименьшего из сигналов (7,, U2, Uy... на входе миниселектора, то напряжение на его выходе будет рав- но: = ^in + Ullp. Для правильной работы схем, приведенных на рис. 3.52, необходи- мо хорошее сглаживание напряжений сигналов С7(, U2, Uy На рис. 3.53 приведены схемы, в которых свойства макси- и минисе- лекторов соединены со свойствами логических элементов И и ИЛИ. Источники сигналов Ц, 173, 175 в обоих схемах включены по схеме максиселектора, что соответствует на рис. 3.51, б логическим ячейкам DD1 и DD2 ИЛИ. Источники сигналов U2, U4, U6 на схеме, приведен- ной на рис. 3.53, а, включены по схеме максиселектора (логическая ячейка DD1 ИЛИ), а на схеме, показанной на рис. 3.53, б, — по схеме мини- селектора (логическая ячейка DD2 И). Схема сравнения, приведенная на рис. 5.53, а, сравнивает максимальный сигнал из группы Ц, Uy U5 с максимальным сигналом из группы U2, U4, U6. Она срабатывает, если любой из сигналов группы 17|5 Uy U5 станет больше любого из 159
а) б) Рис. 3.53. Схемы сравнения с логическими элементами сигналов группы С72,Ц, Ub. Схема сравнения, показанная на рис. 3.53, б, сравнивает максимальный сигнал из группы Ц, Uy Us с минимальным сигналом из группы U2, U4, U6. Нуль-орган ЕА срабатывает при на- правлении тока, указанном стрелкой. Несрабатывание нуль-органа со- ответствует условию, когда наибольший сигнал из группы Ц, U3, U5 будет меньше всех сигналов группы U2, U4, U6. При использовании четырех пар напряжений, сформированных из 7 и и логических элементов DDJ и DD2 в виде максиселектора, мож- но получить характеристику, приведенную на рис. 3.50, б. Если же при- менить DD1 в виде миниселектора, a DD2 в виде максиселектора, то можно получить характеристику, изображенную на рис. 3.50, в. Схема сравнения, приведенная на рис. 3.51, в, сравнивает по фазе несколько входных величин, сформированных таким же образом, как и в предыдущих случаях, из I и Up. Таким способом можно, напри- мер, получить характеристику, приведенную на рис. 3.50, г, при мень- шем числе входных сигналов, чем при использовании других схем ". Ег <4 Рис. 3.54. Структурная схема реле сопротивления с характеристикой «замочная скважина» (рис. 3.51). С помощью трех схем сравне- ния СС1, СС2, ССЗ и двух логи- ческих ячеек И и ИЛИ (рис. 3.54) можно получить составную харак- теристику, изображенную на рис. 3.50, д. Эта характеристика состо- ит из двух окружностей разного диаметра с центрами в начале ко- ординат и двух прямых, выходя- 160
щих из начала координат. Схемы сравнения СС1 и ССЗ формируют окружности. Схема сравнения СС2 формирует прямые. Более подробно ос- новы получения составных характеристик с помощью схем срав- нения с логическими ячейками изложены в [14, 16, 17, 18, 60, 63, 75, 79]. 3.5. Реле направления мощности и реле сопротивления Индукционное реле направления мощности. Токовая обмотка 2 реле направления мощности типа РБМ (см. рис. 3.47, а) включается во вторичную цепь трансформатора тока, а обмотка 5—трансформатора напряжения. Уравнение граничной линии характеристики срабатывания соответ- ствует условию М = 0. Подставляя в него значение Мвр, определяе- мое выражением (3.60), получаем уравнение и соответствующую ему характеристику срабатывания (см. рис. 3.33, г). Угол максимальной чувствительности а можно регулировать, включая последовательно с обмоткой напряжения 5 реле направления мощности (см. рис. 3.47, а) добавочный резистор или конденсатор, или и то и другое. Переключе- нием полярности одной из обмоток реле угол изменяется на 180°. Реле направления мощности, у которого угол максимальной чувствительно- стиа неравен 0 (180°) и не равен 90° (270°), называется реле смешан- ного типа. Имеются такжереле с углами максимальной чувствительно- сти-30°,-45°, 70° [69]. У реле активной мощности а = 0, у реле реак- тивной мощности а = -90°. Индукционные реле направления мощности имеют сравнительно большое время действия (30—120 мс) и значительное потребление мощ- ности в цепях тока (10 ВА) и напряжения (40 В-А). Габариты их значи- тельны. Возможна вибрация контактов реле при насыщении трансфор- маторов тока. Угловая и вольт-амперная характеристики реле направления мощно- сти имеют вид, приведенный на рис. 3.49. У реле серии РБМ напряже- ние U mjn составляет около 0,25 В при токе 101Ц, где 7(—номиналь- ный ток реле. Индукционные реле направления мощности все более ин- тенсивно заменяются на полупроводниковые. 6 Релейная защита 161
Полупроводниковые реле направления мощности. Реле направ- ления мощности, выполненные на основе схемы кольцевого диодного модулятора (рис. 3.38), используются в панелях дистанционной защиты линий электропередачи 35 кВ типов ПЗ-З и ПЗ-4 с нуль-органом в виде магнитоэлектрического реле М237/054 (мощность срабатывания такого нуль-органа около 0,2 мкВт). Минимальное напряжение срабатывания L7 in ПРИ Угле максимальной чувствительности не более 0,6 В при Рис. 3.55. Схема полупроводникового реле направления мощности (а) и временные диаграммы его работы (б и в) 162
номинальном токе, минимальный ток срабатывания Zmin при номиналь- ном напряжении неболее0,25//(. Применение диодного кольцевого мо- дулятора не улучшило заметным образом свойства реле по сравнению с индукционной системой. Использование транзисторов и интеграль- ных микросхем открыло возможность существенного улучшения всех свойств реле направления мощности. Реле направления мощности, применяемое в электронном комплексе «Сейма» [27], выполнено в соответствии со структурной схемой, приве- денной на рис. 3.46, а. В реле производится сравнение Up и 1р по фазе в соответствии с выражением (3.37). Схема реле, показанная на рис. 3.55, а, содержит узел формирования импульса, фиксирующего моментперехо- да кривой тока через нуль (транзисторы VTlw VT2), узел формирования опорного импульса, определяющего зону срабатывания (транзисторы VT3— VT5), логические схемы совпадения И1 и И2 и выходной триггер (транзисторы КТби VTT). Ток i во вторичной обмоткетрансформатора ТЫ пропорционален току 1^ и совпадает с ним по фазе. Ток itl во вторичной обмоткетранс- форматора TL2 пропорционален напряжению Up и опережает его на угол а, определяемый емкостью конденсатора Су, выполняющего роль фа- зовращателя. Первичные и вторичные обмотки трансформаторов шун- тируются диодами для ликвидации опасных перенапряжений. Транзис- торы VTlw VT3 открываются в момент перехода синусоид токов соот- ветственно i и iH через нуль к отрицательному значению и закрываются в момент перехода их через нуль к положительному значению. Таким образом, эти транзисторы половину периода открыты, а половину — закрыты. В последнем случае на их коллекторах формируются прямоу- гольные импульсы UKi и Uk3 отрицательной полярности с длительнос- тью в половину периода токов соответственно i и itl (рис. 3.55, б и в). Импульс [7к1 дифференцируется конденсатором Спо заднему фронту и поступаегнабазутранзистора П2.Навремяразрвдаконденсатора(0Д-03 мс) этот транзистор закрывается и на его коллекторе образуется кратковремен- ный импульсотрицательного напряжения UkT Эготимпульссовпадаетсмо- ментом перехода синусоиды тока i через нуль. Транзисторы РТ4и КГ5 игра- ют роль усилителей-инверторов. Напряжение UKi на коллекторе транзистора ИТ^находится в противофазе, а напряжение Uk5 на коллекторетранзистора VT5 совпадает по фазе с напряжением Uk3. На схему совпадения И1 посту- паютимпульсы 17к2и UK^ а на схему совпадения И2—импульсы Uk1y< Uk4. 163
Реле срабатывает при таком направлении мощности, т. е. при таком углеср^, при котором отрицательные импульсы UK1 и Uk4 совпадают во времени на входах схемы совпадения И2 (см. рис. 3.55, б). Транзистор VT7открывается, и триггер перебрасывается в положение 1. Релесрабо- тало. Импульсы на перебрасывание триггера поступают через схему И2 в каждом из периодов, и он надежно удерживается в этом положении. При изменении направления мощности угол ф^ изменяется на 180° (см. рис. 3.55, б). Отрицательные импульсы Uk2 и Uk5 совпадают при этом во времени на входах схемы совпадения И1. Транзистор VT6 от- крывается и триггер сбрасывается в положение 0, что соответствует со- стоянию реле в режиме несрабатывания. Характеристика срабатывания описывается уравнением со8(фр - а) — 0. Угол максимальной чувстви- тельности равен а = 90° — Ф) (см. рис. 3.33,г). Минимальное произведение I U' , при котором релесрабатывает(мощ- ность срабатывания), составляет 0,4-0,6 В-A. Минимальное напряжение, срабатывания 1,2 В, угловая погрешность не более 3°. Серийные реле направления мощности PM 11,РМ 12 со держат полу- проводниковые элементы и операционный усилитель, они призваны за- менить релетипа РБМ индукционного типа [19,21,22,73]. Принципиаль- ная схема реле РМ приведена на рис. 3.56. Реле подключается ко вторич- ным цепям трансформаторов напряжения и тока через согласующие транс- форматоры TLA и Несоответственно. Изменение угла максимальной чувствительности а(ф^ мч) осуществляется резистором R1 и конденсато- рами Cl, С2 в цепи напряжения и цепочкой R4, С4—в цепи тока. Клю- чами SB1-SB4 можно изменять величину этого угла (-30° или -45°). Стабилитрон VD1 предотвращает насыщение трансформатора TLA при больших токах, а для компенсации изменения угла максимальной чувствительности, возникающей из-за того, что при этом форма кривой напряжения на резисторе R2 становится несинусоидальной, служит цепь фазовой коррекции R3, СЗ. В реле использован принцип сравнения времени совпадения по зна- ку мгновенного значения выходных величин с временем несовпадения, один из вариантов которого описан в п. 3.4 (рис. 3.45). Схема совпаде- ния на рис. 3.56 содержит диоды VD3-VD6, транзисторы VT1, УТ2и резисторы R5-R10, а также два интегратора, один из которых содержит резисторы R13, R15, диод VD9 и конденсатор С5, а второй — резисто- ры R14, R16, диод VD10 и конденсатор С6. Операционный усилитель 164
о> ми \R12 R13 R15 C5± TLV SB1 rj SB3 VT2 C4 VD2 RIO TLA R2 VD1 M ил ±C6 7 7VD13 R22 VD16 R26 R27\ KL i , VD15 -----0 +220 В Al RI6 R18 '7j VD11 X" H- »П/ 20 VD12 I ” ” —К—H Л2/ VD17 VD18 2 J. 0 VD19 C7 C8 R23 Рис. 3.56. Принципиальная схема реле направления мощности
A1 выполнен по схеме порогового элемента (триггера Шмитта) с поло- жительной обратной связью. К его выходу подключен транзистор VT3. При закрытии этого транзистора дешунтируется обмотка промежуточ- ного реле KL и реле срабатывает. Если на входах реле (первичные обмотки трансформаторов TL Ки TLA) сигналов Up и I нет, либо нет какого-либо одного из этих сигна- лов,то транзисторы VT1 и VT2 открыты токами базы, протекающими соответственно через резисторы R5 и R6. Конденсаторы С5 и С6 при этом разряжаются через резисторы R13 и R14. Потенциал инверсного входа операционного усилителя А1 при этом отрицателен, потенциал его выхода положителен. Поэтому транзистор VT3 открыт базовым током через резисторы R17vi R24,uiy\mvpyn обмотку реле KL. Транзистор VT4 закрыт и в таком режиме реле KL находится в несработанном со- стоянии. Если на обоих входах реле имеются сигналы U nlp и в схему совпа- дения по знаку поступают напряжения и, и иг разной полярности, то один из каждой пары диодов VD3, VD5 и VD4, VD6 открыт и полярность тока в базе транзисторов остается такой же, как при отсутствии сигна- лов на входе. Поэтому транзисторы при этом остаются открытыми. В том же случае, когда полярности сигналов и, и w2 (рис. 3.56) совпадают, то при положительных полуволнахзакрываютсядиоды VD4n VD6, а при от- рицательных—диоды VD4n ИОб.Закрьпиеэтихдиодовприводиткзапира- нию соответствующих транзисторов VTlw VT2. При запертых транзисторах начинается заряд конденсатора С5 через резистор R13 и диод VD9, и конденсатора С6 через резистор R14 и диод VD10. На инверсный вход операционного усилителя А1 через сумматор на резисторах R15 и R16 поступает полусумма напряжений конденсато- ров С5и С6. Если это напряжение больше величины порога триггера Шмитта, то операционный усилитель опрокинется и полярность на его входе изменится на противоположную. Однако, если интервал времени, когда транзисторы VTlvi VT2 одновременно закрыты, невелик, то при открытии одного из них или обоих начинается разряд конденсаторов и напряжение на входе А1 не достигает порога срабатывания. Напряжения заряда и разряда конденсаторов С5 и С6 имеют пило- образную форму, причем скорость заряда примерно в 3 раза больше скорости разряда. Это обеспечивает возврат конденсаторов к началь- ным условиям при времени совпадения, соответствующем фазовому 166
углу между Wj и м2 около 90°, т. е. вблизи границы срабатывания. Уровни напряжения при заряде и разряде конденсаторов ограничены диодным мостом VD и делителем на резисторах R22, R23. При нали- чии на входах сигналов Up иI период изменения напряжения UC5 и Ua на соответствующих конденсаторах С5 и С6 равен периоду вход- ных сигналов, причем максимумы (минимумы) этих напряжений сдви- нуты. На границе срабатывания этот сдвиг составляет половину пери- ода (90°). Напряжение Uo на инверсном входе операционного усили- теля Л 7 равно Uo — (77С5 + [7С6) и при времени совпадения запертого состояния транзисторов VT1 и VT2 равном или больше л/2со (при ча- стоте 50 Гц это составляет 5 мс) оно становится больше порога пере- ключения усилителя Л 7. Этот порог устанавливается потенциометром R20 и за счет диода VD11 действует только при непереключившемся усилителе Л 7. Полярность напряжения на выходе Л 7 меняется с поло- жительной на отрицательную, транзистор VT3 закрывается, а транзис- тор VT4 открывается, что вызывает срабатывание выходного реле KL. После переключения операционного усилителя автоматически изме- няется его порог возврата, определяемый теперь потенциометром R21 и диодом VD12. Это обеспечивает устойчивое состояние переключения Л 7 при пилообразном напряжении на входе. Реле PM 12 предназначено для защит, действующих при коротких за- мыканиях на землю. Оно включается на напряжения и токи нулевой пос- ледовательности и отличается схемой и параметрами входных и фазосд- вигающих цепей. Угол максимальной чувствительности у него равен 70°. Время срабатывания этих реле 25-45 мс, время возврата 30-50 мс. Напряжение срабатывания U = 0,19 В. Потребляемая мощность реле РМ11 в цепяхтока0,15 В-А,в цепях напряжения 1 В-A, от источника постоянного оперативного напряжения 7,5 Вт. Эти показатели значительно лучше, чем у реле индукционного типа, уменьшены и массо-габарит- ные показатели. Индукционное реле сопротивления. Реле сопротивления типа КРС имеет примерно такую же конструкцию, как реле направления мощнос- ти. Однако, если у реле направления мощности токовые обмотки и об- мотки напряжения присоединяются к измерительным трансформаторам непосредственно, то у реле сопротивления они подключаются к этим трансформаторам через входной орган, аналогичный приведенному на рис. 2.15, а. В этом случаев соответствии с выражением (2.20) ток Д в 167
Рис. 3.57. Схема полупроводникового реле сопротивления (а) и его характеристики (6) правленного реле сопротивления, показанную на рис. 3.33, в. Схема сравнения реле КРС-1 приредена на рис. 3.57, а. В этой схеме предус- мотрена возможность преобразования характеристики в виде окружно- сти в эллиптическую характеристику (рис. 3.57, б). Такое преобразова- ние осуществляется за счет выделения из разности выпрямленных сиг- налов второй гармоники частотой 100 Гц, ее выпрямления и создания таким образом дополнительного тормозного сигнала. Первичная обмотка трансформатора с воздушным зазором TL и конденсатор С1 представляют собой фильтр, настроенный на час- тоту 100 Гц. Резистор R4, включенный параллельно нуль-органу ЕА в виде магнитоэлектрического реле, образует вместе с его рам- кой успокоительный контур, предотвращающий колебания рамки и связанной с ней контактной системы при изменениях тока. Дрос- сель L и конденсатор С2 также настраиваются на частоту 100 Гц. Они образуют для переменной составляющей тока цепь с малым сопротивлением, шунтирующую рамку ЕА. Это уменьшает вибра- ции последнего при работе с характеристикой в виде эллипса. Для создания характеристики в виде эллипса к тормозному сигналу |(72| добавляется величина, пропорциональная переменной составляю- щей на выходе схемы сравнения. Выпрямленное напряжение на резис- торе RI пропорционально рабочему сигналу | С711 и содержит постоян- ную и переменную составляющие. Выпрямленное напряжение на резис- торе R2 пропорционально тормозному сигналу |С72| и также содержит постоянную и переменную составляющие. На выходе схемы сравнения 169
на равновесие напряжений (точки 1 и 2 на рис. 3.57, а\ постоянные составляющие выпрямленных напряжений сигналов |С/ J и |(72| вычи- таются. Что же касается переменных составляющих этих сигналов (при двухполупериодном выпрямлении их частота равна 100 Гц), то они, в зависимости от угла между |(7t1 и |21, могут как складываться, так и вычитаться. Если этот угол равен 0 или 180°, то переменные со- ставляющие на выходе схемы сравнения взаимно вычитаются и при граничных условиях срабатывания |(/11 = |(72| переменная составля- ющая в цепи ЕА отсутствует. Если же угол между рабочим и тормоз- ным сигналом равен 90°, то их переменные составляющие складыва- ются и переменная составляющая на выходе схемы сравнения имеет наибольшее значение. Выделение результирующей переменной составляющей на выхо- де схемы сравнения осуществляется вторичной обмоткой трансфор- матора TL. Эта составляющая выпрямляется выпрямителем VD3 и через резистор R3 подается в нуль-орган ЕА с той же полярностью, что и постоянная составляющая тормозного сигнала |(72| • Результи- рующая характеристика изображена на рис. 3.57, б штриховой лини- ей. При увеличении сопротивления резистора R3 малая полуось эл- липса увеличивается. Время срабатывания достигает 150 мс. Схема реле ДЗ-2 отличается отсутствием выпрямителя VD3 и резистора R3, в связи с чем его угловая характеристика в эллипти- ческую не преобразуется. Реле ДЗ-2 и КРС-1 вошли составной частью и в панели защит типа ЭПЗ-1636 для линий 110-220 кВ [76]. Вначале в качестве нуль-органов в них также применялись магнитоэлектрическиерелетипа М237/054 сто- ком срабатывания 6-10 мкА при сопротивлении рамки 1,4-2 кОм. В мо- дернизированных панелях ЭПЗ-1636М магнитоэлектрическиерелезаме- нены на полупроводниковый нуль-орган, приведенный нарис. 3.37, в. В 80-х годах были разработаны шкафы защит ШДЭ-2801 и ШДЭ- 2802, выполненные с применением интегральных микросхем [81]. Реле сопротивления в этих шкафах выполнены по схеме, приведенной нарис. 3.45 стремя входными сигналами Ujt U2m U3, сформированными из подведенных к реле напряжения U и тока7р, в виде аналогичных выра- жениям (2.19). Такое реле имеет характеристику, близкую к окружнос- ти (рис. 3.33, в). Кроме того, в шкафах имеется такое же реле с четырь- мя входными сигналами, реализующее четырехугольную угловую ха- рактеристику (рис. 3.50, г). 170
В ненаправленном реле сопротивления с транзисторным нуль-орга- ном (рис. 3.58), используемом в электронном комплексе «Сейма» (мо- дуль ДС), применена схема сравнения с циркуляцией выпрямленных токов (см. рис. 3.34, б). Характеристика реле имеет вид, изображенный на рис. 3.33,6. Транзистор VT1 нормально открыт, транзисторы VT2n VT3 закрыты, на выходе 2 потенциал равен—UK. Когда рабочий сигнал I^Z/,1 станет больше тормозного сигнала |кн{7/)|, транзистор УТ1зак- роется,а УТ2и VT3 откроются и на выходе 2 появится сигнал + UK. Сигнал + UK приводит в действие логическую часть защиты и ее выход- ной орган. Конденсатор С служит для сглаживания пульсаций выпрям- ленных токов, через резистор R осуществляется положительная обрат- ная связь, обеспечивающая на границе срабатывания устойчивое пере- ключение нуль-органа. Нуль-орган можно блокировать, подав на вход 1 положительный потенциал. Радиус окружности граничной линии (см. рис. 3.33,6) можно регулировать, используя потенциометры, включенныесо стороны первичных обмоток трансформаторов TLlvi TL2, как показано на рис. 2.14. Время срабатывания не превышает 20 мс. В комплексе «Сейма» используется реле сопротивления с характери- стикой, имеющей вид замочной скважины (рис. 3.50, д). Блоки CCI и ССЗ структурной схемы реле (рис. 3.54) выполнены в виде одинаковых модулей ДС (с различными уставками), образующих характеристики в виде двух окружностей разного диаметра. Характеристики в виде двух Рис. 3.58. Схема датчика (реле) полного сопротивления ДС 171
прямых, выходящих из начала координат (см. рис. 3.33, <)), получают с помощью фазоограничивающего органа (модуль ФТН), уравнение сра- батывания которого отвечает выражению (3.37) при <pt = ц/ДО < ц/|< 90°] и <р2 = (р । + ц/2, где ц/2 — п - р [0 < 0 < л]. Транзисторы VT1 и VT2 органа ФТН (рис. 3,59, а), как и в реле направления мощности, формируют узкий импульс напряжения Uk2, совпадающий во времени с моментом перехода сигнала i (рис. 3.59, б) через нуль от положительных значе- ний к отрицательным. Транзистор VT3 закрыт в течение положительно- го полупериода напряжения Up. Как только он откроется, закроется тран- зистор VT4 и будет оставаться закрытым, пока неразрядится конденсатор С2. Его емкость выбранатакой, чтобы время разряда составило пример- но 5,5 мс, что соответствует ширине импульса напряжения 17к4, равной 50°. Этот транзистор формирует угол <р j характеристики (см. рис. 3.33, д). Когда транзистор VT4 откроется, закроется транзистор VT5, формирую- щий зону срабатывания л - 0,также равную примерно 50°. Транзистор VT6 является инвертором, он сдвигает фазу напряжения Uk5 на 180°. Сигналы [Л, и с коллекторов транзисторов РТ2и VT6 через схе- му совпадения И1 поступают на левый вход триггера, образованного тран- зисторами К77и VT8. Эти сигналы совпадают во времени, когда угол <?р находится за пределами зоны срабатывания и удерживает триггер в од- ном из устойчивых состояний. Сигналы Uk2 и Uk5 с коллекторов транзи- сторов К72и VT5 через схему совпадения J72 поступают на правый вход триггера. Они совпадают во времени в том случае, если угол <рр оказыва- ется в зоне срабатывания. В этом случае сигналы Uk2h'U^ во времени уже не совпадают. Триггер переключается в другое устойчивое состоя- ние. При этом меняется напряжение на выходах У и 2, что и используется для приведения в действие логической части реле. При переключении триггера потенциал точки 1 изменяется с положительного на отрицатель- ный, потенциал выхода 2—с отрицательного на положительный. На входы измерительных органов реле сопротивления с характерис- тикой «замочная скважина» (см. рис. 3.50, д) сигналы U? и подаются через согласующие трансформаторы, как показано на рис. 2.14. Гео- метрического сложения или вычитания входных сигналов для получе- ния такой характеристики не требуется. Поэтому входные цепи такого реле оказываются проще, чем у реле, имеющих другой вид сложных и составных характеристик, приведенных на рис. 3.50. Проще и регули- рование уставок срабатывания как по углу, так и по сопротивлению. 172
Рис. 3.59. Схема фазоограничивающего органа ФТН (а) и временные диаграммы его работы (б) 173
3.6. Микропроцессорные защиты Общие сведения. Перспективным направлением в теории и практи- ке релейной защиты является использование микропроцессоров (МП) и микро-ЭВМ, разработка на их основе защит, получивших название микропроцессорных или программных. Микропроцессор — программ- но-управляемое устройство, обрабатывающее цифровую информацию и управляющеев соответствии с хранимой в памяти программой. Мик- ро-ЭВМ — цифровая ЭВМ с интерфейсом ввода-вывода, состоит из микропроцессора, памяти программ, памяти данных, пульта управления и источников питания. Микропроцессоры и микро-ЭВМ составляют ос- нову вычислительных систем (ВС), являющихся центральной частью микропроцессорных релейных защит. В состав вычислительных сис- тем могут входить один или несколько МП или микро-ЭВМ, образуя соответственно однопроцессорную, много- (мульти-) процессорную, од- номашинную или многомашинную вычислительные системы релейной защиты. Обработка информации в многопроцессорных и многомашин- ных вычислительных системах может осуществляться одновременно как по независимым программам, так и по независимым на отдельных уча- стках ветвям программы. Применение МП и микро-ЭВМ для выполнения функций релейной защиты обусловлено их широкими функциональными возможностями, обеспечивающими создание защит нового поколени^раетическилю- бой сдожности ^р&ыеокощнадежнрсти. Обобщенная структурная схема микропроцессорной релейной защиты приведена на рис. 3.60. Информация о параметрах режима работы объекта защиты X выделяется измерительными преобразователями Я77(транс- форматорами тока,трансформаторами напряжения, датчиками положе- ния коммутационных аппаратов и др.), и подается в устройство релей- ной защиты. В устройстве защиты вначале должно быть осуществлено входное согласование ВС1 входных сигналов по уровню и гальваничес- кая развязка. Это согласование осуществляется соответствующими входными согласующими устройствами, например, промежуточными трансформаторами тока и напряжения, образующими входной блок за- щиты. После этого, при необходимости, надо выделить основную гар- монику сигнала, так как входные сигналы кроме основной гармоники могут содержать и другие гармоники, обусловленные наличием апери- 174
одической составляющей и другими причинами. Эти другие гармоники затрудняют достоверное распознавание режима работы объекта защи- ты. Для специальных защит также требуется выделение, например, сим- метричных составляющих, других аварийных слагающих из полной электрической величины. Эго выделение осуществляется частотной фильтрацией Ф входного сигнала А^с применением соответствующих фильтров, которые могут создаваться, в общем случае, как аппарат- ным, так и программным путем в составе вычислительной системы. Прошедший фильтрацию аналоговый сигнал А’1 затем должен быть пре- образован в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе АЦП и после этого подан на вход вычислительной системы защиты. В процессе аналого-цифрового преобразования входной сигнал А7] дискретизируется по времени и по уровню. Шаг дискретизации по вре- мени влияет на быстродействие вычислительной системы и защиты в целом, а шаг дискретизации по уровню определяет точность представ- ления в цифровом виде входной величины Хг]. Сеть передачи данных, УВВ ' Рис. 3.60. Обобщенная структурная схема микропроцессорной релейной защиты Вычислительная система защиты осуществляет переработку поступа- ющей информации в реальном масштабе времени, распознает и иденти- фицирует режим работы объекта защиты. При обнаружении аварийного режима она вырабатывает управляющие решения, которые после выход- ного согласования ВС2 подаются на исполнительные органы ИО объекта защиты, отключающие его с помощью высоковольтных выключателей от источников электроэнергии. Согласование выходных сигналов вычисли- тельной системы с сигналами управления U осуществляется в общем случае с гальваническим разделением цепей. При выполнении релейной 175
защитой еще и функций автоматики, например АПВ, управляющие сиг- налы U могут подключать объект к источникам электроэнергии, осуще- ствлять другие регулирующие управления. Для распознавания режима работы объекта в вычислительной систе- ме релейной защиты создаются виртуальные измерительные органы, которые, как и измерительные органы, выполненные на электромехани- ческой и полупроводниковой элементной базе, формируют и сравнива- ют сформированные величины по алгоритмам конкретных защит—то- ковых, дистанционных и т.д. В общем случае может быть сформирова- но несколько величин, являющихся функциями входных величин тока и напряжения, которые затем попарно сравниваются. Процесс формирования и сравнения имеет свои особенности, обус- ловленные тем, что информация о значениях входных величин по- ступает после АЦП в вычислительную систему в цифровом виде — в виде цифровых сигналов, соответствующих мгновенным значениям входных величин, над которыми затем производятся арифметические цлогические операции по соответствующим алгоритмам. При этом возможно получение характеристик срабатывания практически любой сложности. При создании микропроцессорных защит можно выделить два ос- новных взаимосвязанных направления: разработка структуры вычис- лительной системы, которая позволяла бы оптимально и без ограниче- ний реализовать алгоритмы защит и отвечала бы требованиям, предъяв- ляемым к аппаратуре релейной защиты, в том числе по надежности и быстродействию функционирования, удобству эксплуатации и др.; раз- работка длаорипшод функционирования зашиты, имеющих повышен- ное техническое совершенство и эффективно использующих возмож- ности вычислительной техники. Микропроцессорные защиты выполняются децентрализованнымиин- тегрированными, включающими в себя нетолько функции защиты, но и автоматики АПВ, УРОВ и т.д. одного объекта или узла сети. Они имеют интерфейс связи с другими системами и входят в состав автоматизиро- ванных систем управления электроснабжением. Принципы построения микропроцессорной релейной защиты. Эти принципы должны обеспечить требуемый уровень ее технического совершенства, в том числе чувствительность, селективность, быстро- 176
действием надежность. Современное развитие вычислительной техни- ки и опыт создания микропроцессорных релейных защит позволяет вы- делить следующие основные принципы разработки программно-техни- ческого обеспечения защиты. Иерархичность. Система защиты должна иметь в общем случае несколько иерархических уровней внутреннего управления. Так, напри- мер, для релейной защиты электротяговых сетей достаточно иметь дву- хуровневую структуру —управляющий и управляемые уровни. Управ- ляющий уровень выполняет функции управления программными и тех- ническими элементами системы, расположенными на нижнем уровне, а также функции связи с внешними системами, в том числе оператив- ным и обслуживающим персоналом. На нижнем уровне (управляемом) располагаются программы и технические средства, осуществляющие собственно функции защиты и автоматики. Наличие двух (и более) уров- ней позволяет рассматривать релейную защиту как сложную систему, которая при отказе отдельных ее элементов продолжает выполнять часть своих функций с сохранением полностью или частично показателей эф- фективности функционирования. Мультипроцессорность. Система защиты должна состоять из со- вокупности, в общем случае, однородных (по возможности) независи- мых микропроцессоров. взаимодействующих через поле общей памяти или с помощью специального канала связи. Эго позволяет достигнуть требуемой надежности и быстродействия защиты. При этом целесооб- разно включить в систему избыточные по отношению к минимальному набору микропроцессоры для обеспечения более высокой функциональ- ной надежности и готовности защиты при работе в реальном масштабе времени. Функциональная децентрализация. Совокупность задач защи- ты и автоматики должны распределяться между разными микропро- цессорами для обеспечения одновременности выполнения этих за- дач. Это позволяет обеспечить необходимое быстродействие и на- дежность (живучесть) системы защиты. При этом следует учитывать, что функции несколькихзашит также распределяются между раз- личными микропроцессорами. На каждый микропроцессор возлага- ется одна основная и еще 1-2 защиты по приоритету. Модульность. Система защиты и совокупность ее системообразу- ющих элементов должна выполняться в виде независимых взаимоза- 177
меняемых вычислительных (технических и программных) модулей для обеспечения надежности функционирования и ремонтопригодности. Модульность программного обеспечения позволяет расширять (нара- щивать) функции системы защиты без существенного изменения про- граммного и технического обеспечения. Динамическое перераспределение функций. Система защиты дол- жна обладать способностью перераспределения своих функций меж- ду работоспособными элементами при возникновении отказов в ее элементах путем автоматической реконфигурации системы, т. е. долж- но обеспечиваться программное перераспределение функций защит. Комплексное проектирование. Система защиты в общем случае должна проектироваться как единое устройство, выполняющее все фун- кции релейной защиты и автоматики электрооборудования и являться автономной подсистемой в автоматизированной системе управления электроснабжением, например, тяговой подстанции, имеющей инфор- мационные связи с другими подсистемами. Развитие системы. Система защиты должна строиться как откры- тая система, позволяющая наращивать вычислительные мощности и функции, модификацию программного обеспечения. Использование приведенных принципов определяется конкретным назначением и условиями использования защиты. С развитием средств, вычислительной техники они могут расширяться и дополняться. Напри- мер, уже сейчас релейная защита может быть создана по принципам и методам экспертных систем с интеллектуализаций функций по распоз- наванию и идентификации режима работы защищаемого электрообору- дования. Важнейшей задачей при создании микропроцессорной защиты явля- ется разработка структуры ее вычислительной системы—техническо- го состава, связей, организации внутреннего управления. В качестве примера на рис. 3.61 приведена одна из возможных двухуровневых иерархических структур вычислительной системы. На первом уровне располагаются вычислительные модули BMlt, выполненные на базе одного или нескольких микропроцессоров и, вы- полняющие функции защит и автоматики. Их число, в общем случае, равно числу исполняемых функций. Дополнительно могут устанавли- ваться резервные модули ВМ1Р. Входная информация о токе, напряже- нии и др. поступает в вычислительные модули первого уровня после 178
Сеть передачи данных, УВВ От входных согласующих устройтсв К входным согласующим устройствам Рис. 3.61. Структура вычислительной системы микропроцессорной релейной защиты преобразования в цифровой вид в аналого-цифровых преобразователях АЦП. Эта информация подается в «свой» вычислительный модуль, а также по внутренним линиям связи передается между вычислительны- ми модулями первого уровня под управлением управляющего модуля второго уровня ВМ2. Вычислительный модуль ВМ2 выполняет функ- ции управления системой в соответствии с принятым принципом коор- динации и связи с внешними системами (оператором, обслуживающим персоналом, автоматизированной системой управления). Защиты объекта могут быть распределены между вычислительными 179
модулями ВМ1 так, что каждый из них реализует одну основную (для него) и 1 -2 других защит по приоритету. Это позволяет выполнять сис- теме защиты свои функции при отказе ее элементов, путем реконфигу- рации системы или динамического перераспределения функций. При отказе одного из вычислительных модулей ВМ1 управляющий модуль ВМ2 может вводить в действие один из резервных модулей ВМ1Р. Уп- равляющий модуль также инициализирует самодиагностику системы, выводит информацию на устройства отображения и осуществляет связь с внешними системами. Вывод управляющих сигналов на исполнитель- ные органы объекта защиты (через выходные согласующие устройства), а также сигнализацию осуществляют вычислительные модули первого уровня через свои выходные элементы независимо друг от друга. Программное обеспечение релейной защиты реализует алгоритмы за- щит и автоматики защищаемого объекта и внутреннее управление эле- ментами системы в реальном масштабе времени. Его структура, состав и содержание должны обеспечить выполнение всех функций защиты и ав- томатики с заданным быстродействием и надежностью, и определяются конкретным назначением системы защиты и предъявляемыми к ней тре- бованиями, а также производительностью (объем памяти, быстродействие) и структурой технических средств ее вычислительной системы. Боль- шое значение имеют также опыт и предпочтения разработчиков. Программное обеспечение релейной защиты целесообразно создавать методами структурного программирования. При этом, в большинстве слу- чаев, все программное обеспечение, например, вычислительных моду- лей первого уровня мультипроцессорных защит (рис 3.61) достаточно разделить также на два уровня. Первый уровень составляют программы ввода-вывода информации, программы отдельных измерительных, пус- ковых и логических органов защит, программы предварительной обра- ботки информации — частотная фильтрация, расчет сопротивления петли короткого замыкания и др. Второй уровень—это управляющая програм- ма, организующая очередность выполнения программ первого уровня. Эта программа после выполнения очередной программы первого уров- ня, в зависимости от полученных результатов и текущего времени, запус- кает следующую программу первого уровня. Такой принцип построения программного обеспечения позволит до- статочно просто в последующем изменять состав и содержание про- грамм. 180
Программы первого уровня, осуществляющие распознавание и иден- тификацию режима работы защищаемого объекта, в свою очередь, в общем случае, можно разделить на две группы. Одну группу составля- ют программы фиксации появления короткого замыкания в защищае- мых элементах объекта—программы пусковых органов. Эти програм- мы должны выполняться непрерывно в реальном масштабе времени. Они требуют, обычно, контроля большого числа входных величин с ма- лым шагом дискретизации (по некоторым оценкам 1-3 мс) и несмотря на относительную простоту предъявляют к техническим средствам вы- числительной системы весьма высокие требования по быстродействию. Другую группу представляют программы измерительных и логичес- ких органов, предназначенные для выявления конкретного поврежденно- го элемента, места (зоны) короткого замыкания и принятия решения по локализации аварии. Эти программы могут выполняться эпизодически после обнаружения факта наличия короткого замыкания в защищаемых элементах объекта, т.е. запускаться от программ пусковых органов. Программы измерительных органов целесообразно выполнять из двух последовательно выполняемых этапов. Первый этап — сбор значений входных величин (токов, напряжений), необходимых для выполнения программы. Он выполняется сразу же после сообщения от программ пусковых органов о возникновении короткого замыкания и составляет обычно 10-20 мс (реальный масштаб времени). Второй этап — обра- ботка информации. Время его выполнения определяется только быстро- действием технических средств и для существующих микропроцессор- ных средств может составлять единицы мс. Принципы программного обеспечения достоверности, надежности, помехоустойчивости, самодиагностирования, реконфигурации и дина- мического перераспределения функций и др. принципиально не отлича- ются от соответствующего программного обеспечения вычислительных информационно-управляющих систем реального времени. Ввод аналоговых входных величин в вычислительную систему защиты. От измерительных преобразователей ИПсигналы в виде непре- рывных значений напряжения, тока или омического сопротивления по- ступают на входные согласующие устройства ВС 1 (рис. 3.60), где они преобразуются в пропорциональные или непрерывные значения напряже- ний. Далее, при необходимости, они фильтруются. После этого осуще- ствляется их аналого-цифровое преобразование АЦП в цифровую фор- 181
Рис. 3.62. Дискретизация аналоговой входной величины по времени и уровню му, в которой вычислительная система защиты способна их восприни- мать и обрабатывать. В процессе преобразования эти сигналы дискрети- зируются. Процесс дискретизации включаете себя квантование аналого- вой входной величины по уровню и по времени (рис. 3.62) и заключается в следующем. Используемый диапазон значений входной величины раз- бивается на ряд дискретных значений по уровню и по времени. При этом любому значению входной величины с координатами 1.и х( ставится в соответствие ближайшая пара дискретных значений t* и х*. Расстояние между двумя соседними значениями входных дискретных величин ДгДх называют шагом квантования. Шаг квантования Дг задает темп поступле- ния информации в вычислительную систему и, следовательно, быстро- действие ввода информации и защиты в целом. Его величина может быть определена на основании теоремы Котельникова, согласно которой Дг 1 /(2 fm), гдеfm—значение максимальной частоты гармонической слагающей, учитываемой во входной величине. ’ Шаг квантования по уровню Дх определяет точность представления входной аналоговой величины входной дискретной величиной, выражен- ной обычно в двоично- или в двоично-десятичном коде, и определяется разрядностью АЦП. Так, например, при 16-ти разрядном АЦП весь диа- пазон значений аналоговой входной величины может быть в двоичном коде представлен 216 ее отдельными дискретными значениями. Релейные защиты для распознавания и локализации аварийных ре- жимов используют некоторое множество входных аналоговых вели- чин — токи, напряжения и т.д., число которых определяется конкрет- 182
ним назначением системы защи- ты. При этом важным вопросом является организация структу- ры ввода этих величин. Возмож- ны два варианта структуры вво- да, показанных на рис. 3.63. Первый вариант показан д ля группы аналоговых входных сигналов общим числом А7,, второй—для сигналов группы Хг. В первом варианте исполь- зуется общий для всех входных Рис. 3.63. Структурная схема ввода аналоговых входных величин величин АЦП(1 с установкой мультиплексора М(коммутатора входных сигналов), который по коман- дам вычислительной системы поочередно подключает для преобразо- вания к АЦП каждую входную величину х1(.. При этом время Тввода п всех величин группы А7] составляет: Т = , где Д/;—время преоб- разования и ввода одной х, величины, п—число входных величин А71. Поскольку в каждый момент времени вводится только одна величи- на, то значения других входных величин в этот момент времени могут быть потеряны. В то же время для принятия защитой достоверного ре- шения часто требуется одновременное (синхронное) измерение вход- ных величин. В этом случае применяют специальные блоки одновре- менной выборки и запоминания входных сигналов с последующим поочередным их преобразованием и вводом. Применение мультиплек- сора уменьшает затраты на технические средства ввода. Однако все другие характеристики — точность, быстродействие, помехоустой- чивость, от его применения ухудшаются. Отмеченные недостатки частично могут быть устранены соответству- ющим увеличением быстродействия АЦП вычислительной системы или применением второго варианта — с индивидуальными АЦП21 ...АЦП^ и для каждого преобразования и ввода каждой входной величины х2|...хъе Целесообразность использования этих вариантов (или их ком- бинаций) определяется в каждом конкретном случае. Алгоритмы виртуальных измерительных органов. Вычислитель- ная система защиты способна реализовать алгоритмы работы любого 183
органа и (или) их совокупности с любой характеристикой срабатыва- ния. Алгоритм задается программой, в соответствии с которой прово- дится непосредственный расчет по соотношениям, аналитически опи- сывающим действия защиты по распознаванию и локализации аварии. Существует большое число алгоритмов защиты, определяемое приня- тыми принципами распознавания и идентификации режима работы за- щищаемого объекта. В качестве примера рассмотрим алгоритмы защи- ты с одной и двумя входными величинами. При измерении значений одной входной величины —тока или на- пряжения защищаемого объекта, наиболее простым может быть алго- ритм (рис. 3.64, а), при котором контролируется интервал времени Дгр в течение которого мгновенное значение сравниваемого напряжения и(. (пропорциональное напряжению или току в защищаемом объекте) пре- вышает уставку срабатывания и(* и, если этот интервал больше задан- ного Дг;, формируется команда на отключение. Пример алгоритма дистанционного измерительного органа с двумя входными величинами ut и i. (для случая однофазного ко- роткого замыкания) приведен на рис. 3.64, б. Вычислительная система защиты фиксирует мгновенное значение на- пряжения м11(м'л) в момент прохождения тока i. через нуль. Затем через четверть периода 774 вновь измеряются мгновенные значения напряже- ния и,2(г/,2) и тока гд0’л)- Эта значения могут измеряться непосред- Рис. 3.64. Временные диаграммы 184
ственно или же осуществляется их выборка из серии всех мгновенных значений, измеренных в течение периода Т. Полученные мгновенные значения напряжения иа, мд, ii2 или г/п, i/(.2, t j 2 после вычислений по- зволяют получить активную и реактивную составляющие сопротивле- ния. Выразим напряжение и ток в виде и(0 = Umi sinco/, z(Z) = ZnHsin(coZ- -jp). В.момент прохождения тока через нуль имеем i(t) — Zn||.sin(<BZ - -<р) = 0, откуда следует, что в этот момент времени coZ = ip. Ёсливэтот момент времени измерить величину напряжения и.,, то очевидно wii = ^™sin(P- Далее измеряются ток i(t) = ii2 и напряжениеu(t) = ui2 ровно через четверть периода (774) после первого измерения. Посколь- < ку со = 2л/, а Т= \/f, то этому моменту времени соответствует угол со/ = ср + л/2. Следовательно, для этого момента времени имеем: i(f) = ii2 = Imisin(4> + л/2 - <р) = 7П|;.,. . . . “(О = «,-2 = w„„sin(cp + л/2) = Un „.coscp. * Через полпериода измерения повторяются. На основании полученных значений и(|, и|2, ij2 (или через полперио- да iln, iti2, i’2) вычисляют: ип t7m,cos(p sincp -4 + JTiL = —------- + J—------- = R + jx = z, Z/2 Zz2 Jmi Imi где R, X, Z—активное, индуктивное и полное сопротивление цепи ко- роткого замыкания, измеряемые защитой. Далее полученные значения R и Xсравниваются с заданными значени- ями, что позволяет судить о наличии или отсутствии короткого замыкания. Вычисление и сравнение полученных величин с одной и двумя вход- ными величинами может быть осуществлено в отдельности как при по- ложительной, так и при отрицательной полуволне напряжения и тока, а также в течение всего периода. В последнем случае может быть выяв- лено наличие апериодической составляющей переходного процесса. Цифровые комплексы. Отечественный и зарубежный опыт показы- вает эффективность разработки и использования микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики в электроэнергетике. Их приме- нение позволяет повысить надежность релейной защиты, поскольку мик- ропроцессорные системы в значительной мере являются самоконтро- лирующимися системами; получить характеристики измерительных ор- ганов, труднодостижимые в аналоговых устройствах, причем характе- 185
ристики могут легко видоизменяться в зависимости от задаваемой про- граммы; реализовать принципиально новые возможности построения релейной защиты, обеспечивающие ее правильные действия в условиях неполноты и недостоверности входной информации; использовать для анализа аварийного режима информацию о режиме работы объекта за- щиты передвозникновением аварии, а также информацию от многих датчиков, установленных как на данном объекте защиты, так и на смеж- ных; обеспечивать возможность автоматической самонастройки, адап- тации к объекту защиты. В то же время отсутствует достаточно обоснованная теория микро- процессорных защит, оптимального построения ее технического и про- граммного обеспечения, надежности функционирования, в том числе при наличии сбоев. и др., что в известной степени сдерживает развитие и применение этих защит. Кроме того, их стоимость пока еще значи- тельно выше других видов защит. С развитием и совершенствованием микропроцессорной техники эти недостатки будут преодолены. Особенности цифровой обработки входных сигналов измерительны- ми органами микропроцессорных защит рассмотрены в [18], а исполь- зование микропроцессорной элементной базы — в [17]. Примеры вы- полнения таких защит описаны в [36,37]. Наибольший эффект микропроцессорные (цифровые) системы обес- печивают при комплексном использовании, когда они выполняют фун- кции не только релейной защиты какого-либо присоединения, но и уст- ройства автоматики (АПВ, АВР, УРОВ), диагносгики.(самоконтроль си- стемы, предварительное опробование включаемого объекта для установ- ления его исправности, определение места повреждения объекта при ава- рийных отключениях), анализа характера электрических процессов, вызвавших срабатывание защиты. В этом случае на вход цифрового ус- тройства (рис. 3.65) поступают аналоговые сигналы от трансформаторов тока ТА и напряжения TV и логические сигналы от переключателей SA и контактов SQ схемы защиты, автоматики и управления объекта. Входные преобразователи U1-U4 обеспечивают гальваническую раз- вязку цифровой системы от внешних цепей, защиту от помех и напря- жений, приведение входных сигналов к виду и уровню, удобному для использования в микро-ЭВМ (микропроцессоре). Выходные сигналы также гальванически развязываются от тех цепей, куда они поступают. В качестве выходных преобразователей дискретных сигналов могут 186
выступать промежуточные (как правило, герконовые) реле KL1, KL2, предусматривается и коммуникационный порт XI для дистанционной связи с другими устройствами автоматической системы управления, телемеханикой и т. п. Аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму аналого-циф- ровым преобразователем (АЦП) U6. В целях экономии числа АЦП ана- логовые сигналы подаются на его вход через мультиплексор U5, кото- рый выполняет роль электронного коммутатора. Мультиплексор по- очередно подает аналоговые сигналы разных входов на АЦП, поэтому один АЦП в данном случае используют для нескольких каналов. Входные преобразователи Ul, U2 дискретных сигналов выполняются, как правило, в виде оптронов (светодиод—фотоприемник). Входные пре- образователи U3-U4 аналоговых сигналов должны обеспечить, кроме Рис. 3.65. Функциональная схема цифрового устройства защиты и автоматики 187
всего прочего, линейную передаточную характеристику в заданном диа- пазоне изменения контролируемой величины и температуры окружаю- щей среды. Наибольшее распространение пока имеюттрансформаторы с ферромагнитным сердечником, в котором принимаются специальные меры для снижения межобмоточной емкости, поскольку именно через нее импульсные помехи попадают в микро-ЭВМ. В установках постоянного тока для этой цепи используются шунты, датчики Холла. На дисплей Я выводится служебная информация, необходимая, на- пример, при наладке защиты в соответствии с требуемыми уставками срабатывания. В эксплуатации микро-ЭВМ запоминает и выводит на дис- плей //информацию о характере параметров аварийного режима (ток, напряжение, осциллограммы), имевшие место при нескольких последних отключениях, и др. В простейшем виде дисплей Н может выглядеть как светодиодный индикатор. Применяются такжежидкокристаллические индикаторы, графические дисплеи. Хранениерабочей программы осуществляется в постоянном запомина- ющем устройстве ПЗУ, запись информации в которую вносится однократ- но. Ряд параметров, например, уставки срабатывания в процессе эксплуа- тации необходимо не только хранить, но и по мере надобности изменять. Это осуществляется с помощью перепрограммируемого постоянного за- поминающего устройства ППЗУ. ПЗУ и ППЗУ обязательно должны обла- дать энергонезависимой памятью. Это значит, что при исчезновении напря- жения питания хранимая в них информация разрушаться не должна. Временное хранение результатов промежуточных вычислений в про- цессе функционирования микро-ЭВМ U7 осуществляется в оператив- ном запоминающем устройстве ОЗУ. При отключении питания инфор- мация в ОЗУ, как правило, не сохраняется. Кнопки SBJ, SB2 являются элементами или частью клавиатуры, с по- мощью которой в цифровое устройство вводятся уставки, изменяется режим его работы, вызываются на дисплей требуемые параметры и т. п. Блок питания U8 подключается к цепи оперативного напряжения и обеспечивает стабилизацию и помехоустойчивость выходного напряже- ния, поступающего на все узлы цифрового устройства. Для надежнос- ти к блоку питания могут подводиться две питающие сети: переменного и постоянного тока. Основное питание осуществляется от сети пере- менного тока. При исчезновении в ней напряжения блок питания автома- тически переключается на резервную сеть постоянного тока. 188
Устройство «Сириус» микропроцессорной защиты линий 6-35 кВ, выпускаемое НПФ «Радиус» (г. Москва), предназначено для защиты воздушных или кабельных линий с изолированной или компенсирован- ной нейтралью, а также трансформаторов собственных нужд. Оно со- держит трехступенчатую ненаправленную защиту от многофазных за- мыканий. Осуществляется контроль величины тока обратной после- довательности, что позволяет обеспечить отключение линии или сигна- лизацию при обрыве одного из ее фазных проводов. Имеется защита от замыканий на землю. Предусматривается возможность широкой регулировки уставок сра- батывания и времен задержек (выдержки времени), значения которых хранятся в энергонезависимой памяти. Устройство обеспечивает функ- ции автоматики: программируемое двукратное АПВ, ускорение при вклю- чении, функции УРОВ. Осуществляется постоянное самотестирование с выдачей сигнала неисправности контактами реле «Отказ». При срабаты- вании токовой защиты определяется вид и ориентировочное расстояние до места повреждения. При срабатывании защиты устройство запоминает параметры ава- рийного режима для последующего анализа. Информация фиксируется в памяти в порядке поступления и сохраняется о 9 последних отключе- ниях. В число запоминаемых параметров входят причина о гключения, вид повреждения и расстояние до места металлического к.з., время и дата момента отключения, ток и длительность аварийной ситуации, ток обратной последовательности, векторная диаграмма токов в линии в момент аварии. В устройстве применен алфавитно-цифровой дисплей, отображаю- щий две строки по 16 символов и клавиатура из 4-х кнопок. Габарит- ныеразмеры 335x310x140 мм, масса — 8 кг. Большая серия микропроцессорных реле типов SPA-100, SPA-300 выпускаются ООО «АББРеле-Чебоксары» для защиты различных энер- гетических объектов. Реле выполняют функции ненаправленных и на- правленных защит, измерения, сигнализации и регистрации аварийных параметров. В зависимости от назначения и состава выполняемых фун- кций вместо черточки в обозначении типа реле используются буквы А (комбинированные защиты), D (дифференциальные защиты трансфор- маторов и двигателей), S (защита от однофазных замыканий на землю), U (защита по напряжению). Все реле входят в семейство SPAKOM и 189
Рис. 3.66. Схема подключения микропроцессорного реле защиты SPAM 150 С совместимы с комплексной системой защиты и управления концерна АВВ. Реле этих типов используются для защиты воздушных и кабель- ных линий, трансформаторов малой и средней мощности, синхронных и асинхронных электродвигателей, реакторов, конденсаторных батарей и других присоединений. Реле защиты осуществляют индикацию текущих и аварийных значе- ний токов и напряжений, уставок и сработавших каналов на цифровом дисплее и индикаторах. В памяти сохраняются параметры последних ава- рийных событий, позволяющие анализировать и оценивать место повреж- дения и ресурс оборудования. Все данные аварийного и нормального ре- жима передаются в систему наблюдения и управления верхнего уровня. Потребляемая мощность для реле типа SPA-100 до 6 Вт, для реле типа 190
SPA-ЗОО не более 15 Вт, масса не более 3,5 и 5 кг соответственно. На рис. 3.66 приведен пример схемы подключения реле типа SPAM 150 С. Это реле предназначено для защиты электродвигателя и содержит за- щиту тепловой перегрузки, защиту пусковых режимов, трехфазную то- ковую отсечку, защиту от несимметричной работы, минимальную токо- вую защиту и защиту от однофазных замыканий на землю. Активно ведутся разработки цифровых защит и для тяговых сетей железнодорожного транспорта. На рис. 3.67 приведена в качестве при- мера функциональная схема устройства цифровой защиты и автомати- ки ЦЗАФ-3,3 кВ ячейки фидера контактной сети постоянного тока, раз- работанной МНИТ (г. Москва) и НИИЭФА (г. С.-Петербург) по заданию департамента электрификации и электроснабжения МПС РФ. На этой схеме: БВ1, БВ2—быстродействующие выключатели с реле РДШ; ШР, ЛР, ЛРКС, ЗР—разъединители; ДНш, ДНф—датчики напряжения; ДТ—датчик тока; ДТНВ—датчик температуры наружного воздуха; КТУ—ключ системы телеуправления; АПВ — ключ системы автома- тики повторного включения; БАПВН—датчик устройства быстродей- ствующего АПВ при появлении на отключенном фидере напряжения со стороны тяговой сети. Цифровое представление входных сигналов нормированного уров- ня, реализация заданной программы и выдача выходных сигналов и ко- манд осуществляется в блоках ВБ, БР, НБ микропроцессорного уст- ройства. Программа устройства ЦЗАФ-3,3 кВ реализует следующие виды за- щит: максимальную токовую, по приращению тока, по скорости нарас- тания тока, по сопротивлению, от нагрева проводов контактной сети. Кроме того, предусмотрены двукратное АПВ, опробование контактной сети передвключением,УРОВ. Имеется подпрограмма самодиагности- ки, осуществляется контроль текущих значений тока и напряжения, на- растающим итогом суммируются величины отключаемых токов (для определения остаточного ресурса быстродействующих выключателей). Предусмотрены выводы для связи с телемеханикой и ЭВМ более высо- кого уровня. Для фидеров контактной сети переменного тока находится в разработ- ке микропроцессорный блок релейной защиты БМРЗ-27,5-ФКС, предназначенный для выполнения следующих основных функций: защи- та от к.з., защита от перегрева проводов контактной сети, автоматика 191
ФИДН1\ мл шина ОР \ЛР \ШР — ЗР_\ Б70К УПРАВЛЕНИЯ. ЦИФРОВЫХ ЗАЩИТИ АВТОМАТИКИ ЯЧЕЙКИ ФИДЕРА 3.3 кВ ЦЗАФ-З.З .V.5 ВКЛ. БВ1 +ШУ ОТКЛ. БВ1 +ШУ ВКЛ. БВ2 “ +ШУ ОТКЛ. БВ2 +ШУ УРОВ +ШУ ВКЛ. ЛРКС~ -22ОВ ОТКЛ. ЛРКС -220 В Неиспр. ЦЗАФ +ШУ ХО дт дн Внеш iniii 3 РОВ РКЦ Датчи» лг.мл наружл/иг. 4? 7 БВ2 •24 В +24 В Датчик Б4ПБН 1 Нерж. кат\йики Бяопрол. ПО 1ЯПСОС) РДШ сработало ! а модуле >45 С +ШУ Запирание выпр. 2 +Шу -220 В 7W ДТНБ 2 +5 В | Ключ П7/Т +ШУ +220 В 220 В Б/ок питания Капая телеуправления ! Нерж, катушка НВ Отказ БВ Отказ ЛРКС УРОВ Сигнал /ни шинного датчика напряманиш Сигнал от датчика така Сигна! от фидер- иого даппика напряжения ОРВкз. ОР Откл. &йкл. ~ ЗР Откл. ГР Вкл. ГР Откл. БВ! Вка. БВ1 Откл. "Ж ВкГ ~ БВ2 Откл. ЛРКС Вкл. ЛРКС Откл. 33 py.J.j кВ сработало |Км?ч запрета АПВ\- Откл БВ! н БВ2 Вкл БВ1 к БВ2 Откл ЛРКС Вк i ЛРКС Сброс п 12 И 14 15 16 Запирание выпр. 117 18 19 Питание ЦЗАФ E'lQKiipgeKii АПВ введено 3fMi.3aiH.l3y-3,3 кВ БВ отключен БВ включен ЛРКС отключен ЛРКС включен карий». опвслючение Запрет на включение Канал ПК ПОРТЯБ-232~1^ ДоРтю-мГ" » Рис. 3.67. Функциональная схема устройства ЦЗАФ-З.З кВ и схема его подключения 192
присоединения, управление присоединением, регистрация аварийных режимов, диагностика присоединения, формирование данных для об- наружения места повреждения контактной сети. Функциональная схе- ма блока приведена на рис. 3.68, а схема его подключения — на рис. 3.69. Модификация блока для тяговой подстанции содержит следующие виды защит от токов к.з.: токовую отсечку (ТО), дистанционную че- тырехступенчатую защиту (Д31, Д32, ДЗЗ и Д34), защиту по мини- мальному напряжению (ЗМН). Защиты Д31, Д32 и ДЗЗ имеют харак- теристики, приведенные на рис. 8.14, в, а защита Д34, реагирующая на к.з. через большие переходные сопротивления, выполнена с характеристикой, примерный вид которой показан на рис. 8.13, и. В модификации, предназначенной для установки на постах секциони- рования, предусмотрены защиты: ТО, Д31, Д32, ДЗЗ и ЗМН. В блоках для пунктов параллельного соединения содержится защита по мини- мальному напряжению и дистанционная ненаправленная защита (одна ступень) с характеристикой, вид которой показан на рис. 8.13, а. Все защиты отстраиваются от бросков тока намагничивания транс- форматоров подвижного состава, а параметры их срабатывания учи- тывают, что в токе фидера при нормальной работе (при отсутствии к.з.) содержание высших гармоник достигает 30%. Автоматика присоединения выполняет функции: блокировки вклю- чения высоковольтного выключателя (ВВ) при наличии внешнего сиг- нала «Блокировка ВВ» и внешнего сигнала срабатывания защиты от дуговых замыканий (ЗД31 и ЗД32), реагирующей на световое излуче- ние дуги в распределительном устройстве; блокировки включения ли- нейного (ЛР) и обходного (ОР) разъединителей при включенном поло- жении ВВ или наличии внешних сигналов «Блокировка ЛР (ОР)» и срабатывания защиты от дуговых замыканий; автоматического дву- кратного повторного включения (АПВ) с пуском при срабатывании токовой отсечки или дистанционной защиты и с блокировкой (запре- том срабатывания) при действии защиты по минимальному на- пряжению (ЗМН) и от дуговых замыканий (ЗД). На постах секциони- рования и пунктах параллельного соединения АПВ может произво- диться только в случае восстановления напряжения в контактной сети. К функциям автоматики присоединения относится также устройство резервирования при отказах выключателя (УРОВ). В этом случае, если сработала любая из защит, но выключа- тель ВВ не отключился, устройство УРОВ формирует сигнал на отключение ближайших смежных выключателей, 7 Релейная защита 193
| I. Токовые защиты ч© 4^ к!х______£& Токовая _ отсечка Ту(1у)\ КТЗ 1 от перегрузки 5. Память фазы j Фильтр 50 Гц I 2. Отстройка от токов 1 I иамагиыиыпяииа * I 3. Контроль высших 1 j Есть гармоники I 4-Д31 —•— I 1 4' 1 dZv2 I * Реле полного _____ j • сопротивления | /го Блокировка ________ по току \Uw6_________ Блокировка по напряжению |ф/ |ф-’ Фазовый орган И Направлен шя Ненапрвленная _____ S2 । 6.Д32 --------------- | I 4’ р4; I dZv2 | » Реле полного ____ । * сопротивления | |ф; |—• Фазовый » орган И ТЛ1Т=0 I
Рис. 3.68. Функциональная схема блока БМРЗ- 27,5- ФКС
IUI 1а ТА! h Общ Ш2 | — к ТА Ф2*~~ * 1а 1а общ Ua Uc FV -ИПВ---1 Вкл ВВ Откл ВВ Откл ВВ (резерв) УРОВ Неисправность ОКЦ Авар, откл — Ускор. Д32 и ДЗЗ — ЛЗШ датчик Откл ВВ Ф2 + У -О ШП вФ2 27.5кВ аФ2 QSG1.2 QS2 (ЛР) кКС27.5кВ + У -У Запасная шина 27,5 Кв РПВ РПО Блокировка ВВ Блокировка ЛР Блокировка ОР Откл ВВ 33 ЗД31 ЗД32 Контроль цепей i Усюр. Д32 и ДЗЗ Блокировка АПВ ЛЗШ приемник •220 В (ПО) + U КТУ Вкл ВВ Откл ВВ ВклЛР Откл ЛР Вкл ОР Откл ОР Неисправность цепев управления Питание Блокировка ВВ ВВвкл ВВ откл ЛРвкл ЛР откл ОР вкл ОР откл АПВ УРОВ Авар, откл ВВ Авар, откл ВВ Ф2 ТО Д31 Д32 ДЗЗ Д34 ЗМН здз ЛЗШ ОтклЛР ВклЛР Откл ОР Вкл ОР запасного выключателя — РПВЛР РПОЛР РПВОР РПООР +220 В (ПО) •220 В (ПО) Откл ЛР ВклЛР Откл ОР — ВклОР — Порт RS-232 Порт RS-M5 !□ □ Рис. 3.69. Схема подключения БМРЗ-27,5-ФКС 196
через которые может протекать ток к.з. Предусмотрена возможность блокировки УРОВ отдельно по каждой из запускающих его защит и возможность перевода ее действия на сигнал. В блоке БМРЗ-27,5-ФКС предусматривается возможность управле- ния тремя коммутационными аппаратами присоединения: высоковольт- ным выключателем ВВ, линейным разъединителем ЛРи обходным разъе- динителем ОР. В схеме подключения (рис. 3.69) использованы следую- щие обозначения: КВ—контактор включения ВВ; КО—контактор от- ключения ВВ; РПВ — реле-повторительвкдюченного положения ВВ; ЗДЗ —защита от дуговых замыканий; КТУ — ключ телеуправления; ЛЗШ —логическая защита шин; ОКЦ — оперативный контроль цепей; ±У — шлейф питания схем управления (оперативное напряжение); ША — шлейф аварийной сигнализации; ШП—шлейф предупредитель- ной сигнализации; ШС—шлейф питания схемы сигнализации. Предусмотрены последовательные порты RS-485, RS-232 для соеди- нения блока с системой телеуправления. Регистрация аварийных режимов предусматривает фиксацию теку- щего времени срабатывания любой защиты, регистрацию величин тока, напряжения и фазового угла в момент срабатывания защиты, а также тока и его фазового угла на смежном фидере, регистрацию величины установившегося значения тока к.з. Диагностика присоединения предусматривает контроль цепей управ- ления и сигнализации, измерение действующих значений тока фидера, напряжения и фазового угла, расчет выработанного ресурса высоко- вольтного выключателя. В блоке предусмотрена индикация светодиодами положения контро- лируемых коммутационных аппаратов, атакже срабатывания отдельных ступеней защиты и элементов автоматики. Формируются для общепод- станционной сигнализации предупредительный сигнал при срабатыва- нии ступеней защит, АПВ, УРОВ, неисправности БМРЗ, сигнал аварий- ного отключения выключателя, сигнал целостности цепей питания ком- мутационных аппаратов. 3.7. Выходные органы релейной защиты Выходной орган является связующим звеном между логической ча- стью релейной защиты и катушкой отключения выключателя защищае- мого элемента. Логическая часть этого органа рассчитана на малыетоки 197
и может коммутировать лишь небольшие мощности, а накатушку от- ключения подается напряжение 110 или 220 В и ток в ней равен 5-10 А. В релейной защите, выполненной на контактных элементах, в каче- стве выходных органов используют электромагнитные промежуточные реле РЭН-17, РКС-3, ТКЕ и др. В релейной защите, выполненной на бесконтактных элементах, выходной орган содержит кремниевый уп- равляемый выпрямитель—тиристор. Тиристорный выходной орган имеет более высокое быстродействие, олнако он очень чувствителен к поме- хам, деиствуюшиш<а.у прав ляющий электрод, и к помехЗКГв’цепи пита- ния катушки дтключения. втцёгМхоперативного Питания 110-220 В могут возникать высокоча- стотные коммутационные помехи, огибающая которых имеет вид крат- ковременных выбросов (пиков) напряжения с крутыми фронтами, дос- тигающих нескольких киловольт. Эти выбросы имеют малую длитель- ность (от единиц до нескольких десятков микросекунд). Пачки выбро- сов имеют длительность до 1-2 мс. Электромеханические релереаги- ровать на них не успевают. Однако такие выбросы могут вызвать само- ‘произвольное отпирание тиристоров. Поэтому в тиристорном выходном органе необходимо предусматривать специальные меры по повышению помехоустойчивости. В выходном тиристорном органе (рис. 3.70), применявшемся в аппа- ратуре автоматики и релейной защиты электрифицированных железных дорог [27], транзистор VTявляется оконечным в логической части защи- Рис. 3.70. Схемы выходного органа «Откл» с трансформаторной связью 198
ты. Нормально он заперт, а конденсатор С1 заряжен и напряжение на нем равно напряжению питания Un логической части. При срабатыва- нии логической части защиты транзистор VTоткрывается и конденсатор С1 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора TL. Последний служит для гальванической развязки цепей. Импульс напря- жения, возникающий на вторичных обмотках этого трансформатора, по- ступает на управляющие электроды последовательно включенных тиристо- ров VS1 и VS2, которые открываются и подключают катушку электромаг- нита отключения YA Твыключателя к источнику оперативного питания. Запираниетиристоров производится путем размыкания вспомогательных контактов SQ масляного выключателя после отключения последнего. Последовательное соединение тиристоров принято для повыше- ния надежности, однако опыт эксплуатации показал, что в этом нет необходимости. Конденсаторы С2-С5 служат для повышения устойчивости к крат- ковременным помехам, которые могут поступать через паразитные ем- кости между обмотками трансформатора на управляющие электроды. а) РА Рис. 3.71. Схемы выходного органа «Откл» с герконом (а) и оптронной парой (б) 199
Для защиты тиристоров от помех, возникающих в цепях оперативного питания, служит П-образный фильтр, состоящий из конденсаторов Сб, С7 и дросселя L. Б^еедыдокой помехоустойчивостью обладают выходные органы, в которых гальваническая развязка осуществляется без трансформатора, например, при помощи оптронов или герконов (рис. 3.71) [28]. Транзис- тор VT2 выходного органа с герконом (рис. 3.70, а ) является оконечным выходного усилителя ВУлогической части защиты. Тиристор VS управ- ляется специальным датчиком тока. Транзисторы VT1 и VT2 включены последовательно с катушкой герконового реле KL1. Реле срабатывает только при одновременном открытии транзисторов VT1 и VT2. Эго пре- дотвращает ложную работу выходного органа при токах защищаемого объекта,величины которых мрньшеуставки датчика тока. Контакты^еле XL7 включены в упраЙЛЯКЯЦую цепьтйрйстора KS Ътабилитроны VD2 и VD3 ограничивают напряжение на контактах геркона. Защита от по- мех осуществляется цепочкой R4, С2 и фильтром СЗ, С4, L. В другом варианте выходного органа (рис. 3.71, б ) на выходе логи- ческой части защиты включен светодиод, который совместно с фоторе- зистором образует оптронную пару VI. Фоторезистор включен в цепь управления маломощного тиристора VS1, который выполняет роль усилителя. Стабилитроны VD2 и VD3 ограничивают напряжение пи- тания этого тиристора и фоторезистора. При подаче логической частью защиты команды на отключение, светодиод оптронной пары VI осве- щает фоторезистор, сопротивление последнего уменьшается и по уп- равляющей цепи VS1 протекает ток, достаточный для его включения. При этом в управляющей цепи выходного тиристора VS2 появляется ток и этот тиристор отпирается, подключая электромагнит отключения YA Твыключателя к источнику оперативного питания. В панелях дистанционной защиты ПДЭ-2001 [82] используется еще одна разновидность тиристорного выходного органа, упрощенная схе- ма которого приведена на рис. 3.72. В исходном состоянии, сразу после подключения выходного органа к напряжению оперативного питания Un (220 В), конденсаторы Cl, С2, СЗ быстро заряжаются через резисторы Rl, R4 сравнительно небольшого сопротивления и цепь катушек отклю- чения YA Т приводов соответствующих фаз выключателя (предусмотре- на возможность использования одного выходного органа при наличии на каждой фазе выключателя своего привода). Тиристор VS зак- 200
рыт, поскольку его управляющийр-п переход шунтирован низкоомным резистором R2. При срабатывании релейной защиты ее исполнительный орган, вы- полненный с помощью герконового реле KL