Реле сопротивления на диодных схемах сравнения абсолютных значений двух электрических величин

Принципы выполнения. Полупроводниковые PC, основан­ные на сравнении абсолютных значений двух электрических величин, обычно выполняются посредством сравнения этих величин после их выпрямления диодными выпрямителями. В качестве сравниваемых величин служат напряжения U ₁и U ₂, образованные из U _Р и I _Р по (11.14). Принцип устройства и работы PC, построенных на сравнении двух выпрямленных на­пряжений, поясняется схемой на рис. 11.16, уточняющей схему на рис. 11.15 в части выполнения структуры УФ и схемы сравне­ния. Реле состоит из суммирующих устройств 1 и 2, формирующих напряжения U ₁и U ₂по (11.14), двухполупериодных вы­прямителей на полупроводниковых диодах 3 и 4, образующих схему сравнения 5 на балансе напряжений или токов, и реаги­рующего органа 6, выдающего сигнал о срабатывании PC [52, 53].

Входные сигналы U _Ри I _Р поступают на входные блоки 1 и 2 (рис. 11.16). Эти блоки преобразуют U _Р и I _Р в пропорциональные им синусоидальные напряжения K _U U _Ри K _I I _Р и производят их геометрическое сложение. В результате на выходе блоков 1 и 2 появляются два синусоидальных напряжения U ₁ и U ₂. Каждое из них выпрямляется диодными выпрямителями 3 и 4. Напряжения | U ₁|и | U ₂|, полученные на выходе выпрямите­лей (или пропорциональные им токи | I ₁| и | I ₂|подводятся к схеме сравнения 5, где вычитаются один из другого. На выходе схемы сравнения образуется напряжение | U _вых| = | U ₁| - | U ₂| или ток | I _вых| = | I ₁| - | I ₂| которые поступают на вход РО 6, выполненного в виде нуль-индикатора (НИ), реагирующего на знак U _вых. При | U ₁| > | U ₂| напряжение U _вых имеет положительный знак, и РО срабатывает.

В нормальном режиме напряжение U _Р равно номинально­му, а ток I _Р равен току нагрузки. Он сравнительно мал, поэто­му U ₂= | K _U2 U _Р – K _{I 2} I _Р| превосходит U ₁ = | K _{I 1} I _Р|и PC не рабо­тает. При КЗ в зоне действия реле ток I _Р возрастает, а напря­жение U _Р снижается, в результате U ₁ становится больше U ₂, и PC приходит в действие. При КЗ за пределами зоны (хотя ток I _Р увеличивается, U _Р- уменьшается) параметры схемы PC и уставки подобраны так, чтобы напряжение U ₂превосходи­ло U ₁поэтому PC не может сработать. Напряжение U ₁называ­ется рабочим, поскольку под его воздействием PC срабаты­вает, а напряжение - противодействующее срабатыванию, U ₂ - тормозным.

Таким образом, поведение реле, построенных по рассмот­ренной функциональной схеме, зависит от соотношения зна­чений сравниваемых напряжений U ₁и U ₂: реле срабатыва­ет, если U ₁ > U ₂, и не действует, если U ₁ < U ₂. По этой схеме можно выполнить PC с характеристиками срабатывания в ви­де окружности, проходящей через начало координат, окружно­сти с центром в начале координат или смещенной относительно него в I либо III квадрант комплексной плоскости, как пока­зано на рис. 11.14, а-в. На базе этой же схемы можно получить PC с эллиптической характеристикой (в виде овала). Реле со­противления, построенные на подобном принципе, использу­ются в ДЗ панели типа ЭПЗ-1636, выпускаемой ЧЭАЗ, и широко применяются в отечественных энергосистемах (так как более 90% ДЗ еще находятся в эксплуатации), поэтому ниже на рис. 11.17 и 11.18 кратко рассматриваются конкретные схемы этих PC.

Направленное PC с круговой характеристикой срабатывания (рис. 11.17, б) основано на сравнении двух напряжений U ₁и U ₂, образованных по (11.14), в которых для получения характери­стики срабатывания в виде окружности, проходящей через на­чало координат, принято, что K _U1= 0, а при I _Р коэффициент K_{I 1}= K_{I 2}= - K_I. С учетом этого выражения сравниваемых вели­чин имеют следующий вид:

U ₁ = K _I I _Р; U ₂ = K _U U _Р – K _I I _Р. (11.15)

Сравниваемые напряжения: рабочее U ₁(действующее на сра­батывание) и тормозное U ₂(ему противодействующее) форми­руются преобразователями (тока I _Р и напряжения U _Р) и сумма-торрм, состоящим из вспомогательного трансформатора напря­жения TV1 и трансреактора TAV1 с двумя первичными w1 и вторичными w2 обмотками. Обе пары первичных и вторичных обмоток TAV1 имеют одинаковое число витков. Каждая вторич­ная обмотка замкнута на одинаковые активные сопротивле­ния R9, R11 или R10, R12. Примем, что рассматриваемое PC вклю­чено на U _АВи I _Р = I _А– I _В(реле, включенные на фазы ВС и СА, выполняются аналогично). Напряжение U _Р трансформируется на вторичную сторону TV1, образуя напряжение K _U U _Р, где K _U- коэффициент трансформации TV1. Под действием токов I _А и I _В в каждой вторичной обмотке трансреактора TAV1 ин­дуцируются одинаковые ЭДС Е = - j K _I I _Р, пропорциональные разности первичных токов, сдвинутые от него на 90° (рис. 11.17, в). Под действием ЭДС Е в контурах вторичных об­моток возникают одинаковые токи I _т = E /(R + jX) = I _Р, отста­ющие от Е на угол , определяемый отношением X и R вторич­ного контура. Напряжения = = I _T R _Tсдвинуты относи­тельно ЭДС Е на угол , так же как и ток I _т (рис. 11.17, в). С уче­том того, что I _т = I _Р, напряжение U ₁= K _I I _Р. Здесь K _I - коэффи­циент преобразования тока I _Р в напряжение U _T, представляет собой комплексную величину, сдвинутую относительно век­тора I _Р на угол = 90° - . Модуль K _I и угол сдвига зависят от параметров трансреактора (отношения витков w ₁ / w ₂, Х , ветви намагничивания TAV, сопротивления R _T).

Напряжения U _н, U _т(рис. 11.17, а), полученные со вторичных зажимов TV1 и TAV1, используются для образования U ₁и U ₂. Рабочее напряжение U ₁ = K _I I _Рподводится к выпрямителю VS1. Тормозное напряжение U ₂образуется геометрическим сумми­рованием U _н= K _U U _Ри U _т= - K _II _Р, Полученное таким образом напряжение U ₂= K _U U _Р - K _I I _Рподается на вход выпрямите­ля VS2. Выпрямленные напряжения | U ₁| и | U ₂| сопоставляют­ся по значению в схеме сравнения на балансе напряжений. Результирующее напряжение на выходных зажимах схемы срав­нения U _вых= | U ₁| - | U ₂|. Реагирующий орган, подключенный к выходным зажимам, является нуль-индикатором (НИ) ЕА, реагирующим на знак U _вых. В качестве НИ может служить высокочувствительное магнитоэлектрическое реле (см. § 2.14). В последних отечественных конструкциях ДЗ нуль-индика­тор выполняется с использованием интегральных операцион­ных усилителей (ОУ) (см. §2.19). Для сглаживания пульсации U _выхустанавливается частотный фильтр-пробка L ₁ C ₄(рис. 11.17,6), который не пропускает в ЕА переменную состав­ляющую 100 Гц. В результате этого на вход ЕА поступает U _выхсхемы сравнения, равное разности постоянных составляющих выпрямленных напряжений | U ₁| и | U ₂|, иначе говоря, разности их средних значений за период переменной составляющей (100 Гц). Реле (НИ) срабатывает при | U ₁| > | U ₂|. Начало дейст­вия реле характеризуется равенством | U ₁| = | U ₂|, или

| K _I I _Р| = | K _U U _Р- K _I I _Р|. (11.16)

Это условие действия реле на грани его срабатывания можно выразить через Z _c.p. Разделим для этого обе части равенства (11.16) на К _Uи I _Р, учтя, что Z _p = U _Р / I _Р, удовлетворяющее усло­вию (11.16), является Z _c.p:

.

После преобразования получим

Z _c.p = 2 =2 R. (11.16а)

Уравнение (11.16а) является характеристикой срабатывания направленного PC, имеющего форму окружности, проходящей через начало координат (см. рис. 11.14,6). Радиус этой окруж­ности R равен | К _I / К _U|; вектор К _I / К _Uопределяет положение центра окружности относительно начала координат на комп­лексной плоскости R, jX с заданной уставкой Z _У.

Сопротивление срабатывания Z _c.p направленного PC непо­стоянно, изменяется с изменением (угла сопротивле­ния Z _p), что видно из рис. 11.17, г. При = сопротивление Z _c.p имеет максимальное значение Z _{c.p max} = = 2 . Угол вектора Z _{c.p max} равен углу вектора К _I, это означает, что = 90° - и определяется параметрами X и R трансреакто­ра TV1 (рис. 11.17, а).

При всех других значениях , Z _c.p = Z _{c.p max}cos ( - ) = 2 соs ( - ).

Уставка срабатывания Z _У направленного PC задается модулем Z _{c.p max} = 2 . В конструкции реле предусматривается регулирование уставки Z _Уизменением значений К _Uи модуля | К _I |. Это осуществляется изменением коэффициента транс­формации TV1 (изменением числа вторичных витков) и числа витков первичной обмотки TAV1.

Угол вектора Z _{c.p max} = Z _У, т. е. изменяется подключе­нием сопротивлений R9-R12: включение R9 и R11 соответст­вует = 65°, a R10 и R12 - = 80°. Регулирование должно производиться как в рабочем, так и в тормозном контуре схе­мы одинаково для обеспечения равенства К_{I 1} = К_{I 2}. Соответствующие переключения при этом выполняются и в цепи пер­вичной обмотки TV1 изменением числа ее витков.

Мертвая зона и зона нечеткого действия реле. При КЗ в не­посредственной близости от места установки ДЗ (рис. 11.18, а) направленное PC может отказать в работе при КЗ в точке К1 или сработать неселективно при КЗ в точке К2. Причиной не­правильной работы является нарушение условия действия PC, определяемого выражением (11.16а), вызванное снижением до нуля напряжения U _Р (при близких КЗ), а также неточным равенством коэффициентов К _{I 1}и К _{I 2}преобразования тока I _Р трансреактора TAV1 (см. рис. 11.17, а). В результате характери­стика реле может сместиться в I или III квадрант, что приведет соответственно к отказу или неселективному действию реле при КЗ в зоне смещения характеристики (точки К1 и К2 на рис. 11.18, а).

Для устранения мертвой зоны и зоны нечеткой работы реле в рабочий и тормозной контуры реле вводятся дополнительно по значению одинаковые ЭДС "памяти" Е _П, создаваемые трансреактором TAV2.

С учетом этого условие срабатывания реле (11.16) примет вид

| К _I I _Р+ Е _П| | К _U U _Р- К _I I _Р+ Е _П|, (11.17)

а при близких КЗ, когда U _Р = 0, условие (11.17) превращается в следующее:

| Е _П+ К _I I _Р | | Е _П - К _I I _Р |. (11.17а)

При этом условии PC работает, как РНМ с поляризующим на­пряжением Е _П(вместо U _Р = 0), с характеристикой срабатыва­ния, приведенной на рис. 11.18,6. Чтобы сохранить круговую характеристику при всех КЗ, при которых U _Р > 0 с добавлением дополнительной ЭДС Е _Ппо (11.17), последняя должна совпа­дать по фазе с U _Р и иметь возможно меньшее значение - не превышать 2-3% нормального уровня U _Ри оставаться неизменным при К ⁽²⁾между фазами, напряжение которых U _Р подводит­ся к данному PC. Для выполнения этих условий на вход TAV2 (рис. 11.17, а) подается напряжение фазы, не подводимой к TV1. Например, если U _Р = U_АВ, то U _П = U_{C 0}. Поскольку напря­жение U_С сдвинуто относительно междуфазного напряжения повредившихся фаз (U_АВ) (рис. 11.18, г), чтобы обеспечить совпадение по фазе вторичной ЭДС Е _П с U _Р, в цепь первичной обмотки TAV2 введен конденсатор С6, емкостное сопротивле­ние которого в сочетании с индуктивностью первичной об­мотки трансреактора образует резонансный контур, настроен­ный в резонанс при f = 50 Гц. При такой схеме ток в первичной обмотке I _П совпадает по фазе с напряжением U _П= U_{C 0}, подве­денным к TAV2, а вторичная ЭДС Е _Потстает на 90° от вызвав­шего ее тока I _П и совпадает по фазе с U _Р = U _АВ

При трехфазных КЗ, когда все напряжения снижаются до нуля, ЭДС Е _Пподдерживается некоторое время за счет разря­да конденсатора С. При этом ЭДС памяти создает быстро зату­хающий ток I_С в обоих контурах (рис. 11.18, д), обеспечивая работу PC при исчезновении напряжения.

По рассмотренной схеме (рис. 11.17, а) ЧЭАЗ выпускает PC, используемые в качестве ДО I и II ступеней в РЗ типа ЭПЗ-1636. Третья ступень в комплекте этой защиты осуществляется с помощью PC типа КРС-1, схема которого приведена на рис. 11.19, а.

Условие срабатывания реле КРС-1:

| К _U U _Р - К _I I _Р| | К _I I _Р|.

Для устранения мертвой зоны и четкой работы при малых значениях U _Р (при близких КЗ) характеристика срабатывания ре­ле - окружность смещена в III квадрант на 6-12% Z _c.p (в тормоз­ной контур реле вводится резистор R14). Конструкции обоих PC подробно рассмотрены в [30]. Выполнение заданной устав­ки Z _c.p осуществляется изменением числа витков первичных обмоток TAV1 и числа витков вторичной обмотки TV1 (рис. 11.19, б). В качестве НИ, реагирующего на знак тока в реле сопротивления ДЗ-2 и КРС-1, первоначально использовалось магнитоэлектрическое реле. Однако вследствие несовершен­ства его конструкции завод заменил его на НИ на полупровод­никовых реле с ОУ (см. гл. 2 и рис. 11.20).

Направленное PC с эллиптической характеристикой сраба­тывания. С помощью PC III ступени РЗ типа ЭП1636 (рис. 11.19, б) может быть реализована круговая и эллиптическая характери­стика (см. рис. 11.14, г), обеспечивающая лучшую отстройку ДО от токов нагрузки. Для получения эллиптической характери­стики срабатывания PC используется дополнительная цепоч­ка, состоящая из диода VD8 и активных сопротивлений R25 - R27 (рис. 11.19,6). Эта цепочка шунтирует РО, срезая положи­тельные полуволны переменной составляющей разности мгно­венных значений U ₁ и U ₂, благодаря чему и обеспечивается эллиптическая характеристика срабатывания реле, показан­ная на рис. 11.14, г и 11.19, в.

Как видно из диаграммы, построенной на рис. 11.19, в, точ­ки С и 0 характеристики PC получаются, когда векторы U ₁и U ₂либо совпадают по фазе, либо сдвинуты на угол 180°. В обо­их случаях переменные составляющие на выходах VS1 и VS2 совпадают по фазе и, следовательно, их разность, приклады­ваемая к сглаживающему фильтру и НИ, близка к нулю. Когда вектор U ₂сдвинут относительно вектора U ₁на 90° (точки Е и D на рис. 11.19, в), соответственно сдвинуты и мгновенные значения напряжений на выходах диодных мостов VS1 и VS2. Переменная составляющая разности мгновенных значений этих напряжений, приложенная к сглаживающему фильтру и НИ, получается в этом случае максимальной. Шунтирование переменной составляющей через цепочку VD8-R25-R27 равно­сильно уменьшению тока в НИ, действующего в сторону сра­батывания. В результате рабочее напряжение U ₁уравновешива­ется меньшим значением U ₂и характеристика срабатывания PC сжимается (точки D и Е смещаются в положения D' и Е') (рис. 11.19, в). Промежуточным значениям углов между U ₁и U ₂соответствуют точки характеристики, располагающиеся на эллипсе с осями ОС и D'E' (рис. 11.19, в). Регулировка эллипсности осуществляется с помощью сопротивлений R25-R27. Для уменьшения вибрации НИ при работе PC с эллиптической характеристикой параллельно НИ подключен конденсатор С5.

Реле сопротивления с характеристиками в виде окружности, смещенной относительно начала координат. Если принять в (11.15), определяющем характер связи U ₁и U ₂с U _Р, и I _Р, К _{I 1} К _{I 2}, то характеристика PC будет изображаться окружностью, смещенной относительно начала координат при К _{I 1} > К _I2 в сто­рону III квадранта, а при К _{I 1} < К _{I 2}- в сторону I квадранта. Если же принять К _{I 2}= 0, получим U ₁= К_{I 1} I _Р, a U ₂= К_{U 2} U _Р- харак­теристика в виде окружности с центром в начале координат.