Реле сопротивления со сложными характеристиками срабатывания, выполненные на ИМС

Виды и особенности сложных характеристик. Сложными принято называть характеристики, имеющие форму много­угольника либо образованные из сочетания дуг окружностей с отрезками прямых (рис. 11.28).

Сложные характеристики по сравнению с круговыми и эл­липтическими позволяют повысить чувствительность PC к повреждениям через переходное сопротивление R _пи увели­чить их зону действия на протяженных ЛЭП, обеспечивая при этом отстройку от сопротивлений в максимальных нагрузочных режимах. Реле со сложными характеристиками выполня­ются на сравнении фаз или абсолютных значений трех, четы­рех напряжений, образованных по (11.14). Практическое приме­нение нашли характеристики в форме четырехугольника, треугольника и комбинированная в виде сочетания окружно­сти с четырехугольником.

Реле с четырехугольной характеристикой, выполняемое с помощью двух PC (PCI и РС2) соединенных по схеме И (рис. 11.29, а). Оба реле основаны на сравнении фаз двух напря­жений, пропорциональных U _Р и I _Р. Характеристика срабатыва­ния каждого реле имеет вид двух пересекающихся прямых (рис. 11.29,6). Из их сочетания образуется четырехугольная характеристика ABCD желаемой формы. Зона действия каждо­го реле отмечена штриховкой. Выходные сигналы о срабатыва­нии схем сравнения реле PC1 и РС2 действуют на логический элемент И. Сигнал на его выходе возникает только при одновре­менном срабатывании РС1 и РС2. В этом случае вектор = U _Р / I _Р будет находиться внутри четырехугольника ABCD. Если же конец вектора Z _Р выходит за пределы четырехуголь­ника (например, Z _p = ), работает только одно из двух реле, выходной сигнал на элементе И отсутствует - комбинирован­ное реле не действует.

На таком же принципе можно получить четырехугольную характеристику из сочетания PC, основанных на сравнении абсолютных значений, но в этом случае требуется использо­вать четыре реле с характеристиками в виде прямых линий (АВ, СВ, CD, DA), действующих по логической схеме И. Комбинированные PC получаются сложными, многоэлементными, недостаточно быстродействующими.

Реле сопротивления ДЗ с четырехугольной характеристикой, выполняемое на сравнении фаз четырех величин в одной схеме сравнения. В основу построения подобного ИО в отечественных ДЗ положена структурная схема, упрощенно показанная на рис. 11.29, в с одной схемой сравнения, осуществляющей одно­временное сравнение фаз нескольких величин - в данном слу­чае четырех.

Сравниваемые величины (в виде напряжений U₁ – U₄)формируются, как обычно, по (11.14а):

U ₁ = К_{U 1} U _P + К _I I _Р = К_{U 1} К _I I _Р (Z _p – Z ₁) = К_{U 1} I _Р Z ₁;

Z ₁ = - К _{I 1} / К_{U 1} ;

U ₂ = К_{U 2} U _P + К _{I 2} I _Р = К_{U 2} К _I I _Р (Z _p – Z ₂) = К_{U 2} I _Р Z ₂;

Z ₂ = - К _{I 2} / К_{U 2} ;

U ₃ = К_{U 3} U _P + К _{I 3} I _Р = К_{U 3} К _I I _Р (Z _p – Z ₃) = К_{U 3} I _Р Z ₃; (11.26)

Z ₃ = - К _{I 3} / К_{U 3} ;

U ₄ = К_{U 4} U _P + К _{I 4} I _Р = К_{U 4} К _I I _Р (Z _p – Z ₄) = К_{U 4} I _Р Z ₄;

Z ₄ = - К _{I 4} / К_{U 4} ;

В этих уравнениях сопротивления Z _1, Z ₂, Z ₃, Z ₄ определяют положение особых точек ХС.

Характеристиками срабатывания у четырехугольника с особыми точками, определяющими его форму, площадь дей­ствия реле на комплексной плоскости R, jX (и соответствующую ей зону действия ИО на контролируемом им участке сети), являются четыре вершины 1, 2, 3, 4, показанные на рис. 11.30, а. Поэтому при формировании напряжений U₁ – U₄ коэффициенты К_{U 1}- К_{U 4} и К _{I l} - К _{I 4}должны быть подобраны так, чтобы особые точки совпадали с вершинами заданного четырехугольника, показанного на рис. 11.30, а. Из (11.26) сле­дует важный вывод о том, что фазные соотношения (иначе говоря, сдвиги фаз) между векторами сравниваемых напряже­ний U_1, U₂, U₃, U₄ соответствуют (а точнее, равны) фазным соотношениям между векторами (Z _p – Z ₁), (Z _p – Z ₂), (Z _p – Z ₃), (Z _p – Z ₄). Положение последних будет изменяться с измене­нием конца вектора Z _p = U _Р /I _Р, которое зависит от режима контролируемой сети. Для выявления фазных соотношений U ₁ – U ₄)при которых ИО должен срабатывать, рассмотрим, как будут изменяться фазные соотношения векторов (Z _p – Z ₁),...,(Z _p – Z ₄) при повреждении в зоне действия, охваченной четырехугольной характеристикой, когда Z _p = Z', и вне ее при Z _p = Z".

Как видно из векторной диаграммы на рис. 11.30, а, в первом случае (соответствующем КЗ в зоне действия ИО) угол между крайними векторами рассматриваемой системы векторов (разности двух сопротивлений), а следовательно, и векторов U ₁– U ₄всегда больше 180° ( > ). Во втором случае, соответствующем КЗ вне зоны действия ДЗ (рис. 11.30, б), угол меж­ду крайними векторами всегда меньше 180° ( < ). В третьем случае - при КЗ на границе срабатывания защиты угол = 180° (на рис. 11.30 не показан). В каждом из перечисленных случаев углы между пучком векторов U ₁– U ₄будут такими же, как между пучками векторов сопротивлений. Это означа­ет, что по фиксации факта расположения векторов U ₁– U ₄ ,осуществляемой в схеме сравнения при > 180°, на выходе схемы появится сигнал о срабатывании PC (ДО), а при < 180° -сигнал о недействии реле (ДО).

Обнаружить отмеченные фазные различия в процессе срав­нения фаз можно, сопоставляя знаки мгновенных значений синусоидальных напряжений U ₁– U ₄с помощью времяимпульсного метода.

Действительно, из рассмотрения диаграмм мгновенных зна­чений сравниваемых напряжений и ₁– и ₄ (рис. 11.31,б) можно заключить, что при повреждении в зоне действия PC мгновен­ные значения и ₁ – и ₂ вкаждый момент полупериода Т /2 = 0,01 с имеют разные знаки, совпадение их знаков исключается, так как векторы четырех напряжений всегда расположены в обеих полуплоскостях. Если же повреждение возникло вне плоскости, охваченной характеристикой (рис. 11.31, а), то в течение каждого полупериода имеет место хотя бы кратко­временное совпадение знаков всех четырех напряжений. Та­ким образом, по совпадению и несовпадению фаз можно вы­явить зону КЗ и построить на этой основе PC с четырехугольной характеристикой. Совпадение или несовпадение знаков срав­ниваемых напряжений определяется с помощью специальной схемы сравнения.

Функциональная схема PC с четырехугольной характери­стикой срабатывания, построенная на сопоставлении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений, приведена на рис. 11.32. В состав схемы входят четыре устройства: проме­жуточные измерительные трансформаторы напряжения ПТН и тока ПТТ, сигналы с которых поступают на формирователь сравниваемых напряжений ФИН; устройство формирования, состоящее из четырех элементов УФ1-УФ4, образующих че­тыре сравниваемых напряжения U ₁ – U ₄. Каждый формиру­ющий элемент является сумматором, осуществляющим сло­жение напряжений, поступивших с ПТН и ПТТ; частотные фильтры Ф1-Ф4 служат для подавления высших гармоник, появляющихся в переходном режиме при КЗ на длинных ВЛ CBH (500-1150, а иногда и 330 кВ). В PC, предназначенных для ДЗ ЛЭП 110-220 кВ, частотные фильтры могут не приме­няться. В ФИН производится сравнение знаков мгновенных значений сформированных напряжений U ₁– U ₄. При одновре­менном совпадении знаков всех четырех напряжений на вы­ходе ФИН появляется импульс напряжения U _{c +} в течение вре­мени их совпадения t _с. В случае несовпадения знаков форми­руется импульс U _нс- с t _нс.

При КЗ в зоне действия реле знаки сравниваемых напряже­ний различны. Отрицательный сигнал U _нс- о их несовпадении воздействует на элемент времени непрерывно в течение каж­дого полупериода и продолжается до прекращения КЗ. По­скольку продолжительность сигнала t _нс t _у(t _у- уставка эле­мента времени), то элемент времени срабатывает, и на его вы­ходе через t = t _упоявляется сигнал, означающий, что реле подействовало. При повреждении вне зоны в течение каждого полупериода изменения мгновенных значений и ₁– и ₄обяза­тельно появляется положительный сигнал о совпадении зна­ков. Длительность сигнала о несовпадении t _нсбудет всегда меньше Т /2, иэлемент времени не успевает сработать (t _нс < Т /2).

Принципиальная схема PC с четырехугольной характери­стикой срабатывания, выполненная на ИМС, изображена с некоторыми упрощениями на рис. 11.33. Измерительный орган построен по структурной схеме и состоит из промежуточных трансформаторов напряжения TVL и тока TAL, сумматоров А1-А4, образующих сравниваемые напряжения U₁-U₄ и устройства сравнения УС, содержащего формирователь им­пульсов несовпадения знаков мгновенных значений сравни­ваемых напряжений ФИН и PO1. Данное PC предназначено для использования в сетях 110-330 кВ, поэтому частотный фильтр не предусматривается. Все элементы схемы выполне­ны по унифицированным схемам, описанным в § 11.10.

Контролируемые напряжения и токи U _Р, и I _Р подводятся к TVL и TAL, осуществляющим их преобразование, в результате которого на выходе TVL появляется напряжение U _п.н = К _п.н U _Р, а на выходе TAL два разнополярных напряжения U _пт1 = К _пт1 I _Р и U _пт2 = - К _пт I _Р, снимаемые с зажимов Т1 и Т2 выходного де­лителя напряжения R_{Т 1}, R_{Т 2} (рис. 11.33). Эти напряжения по­ступают на вход схемы каждого устройства формирования УФ1-УФ4, выполняемых в виде сумматора на ОУ по схеме, рассмотренной в §2.19. Входные сигналы проходят через спе­циально подобранные сопротивления к инвертирующему вхо­ду ОУ каждого сумматора по трем цепям: 1 - от TVL, 2 и 3 от TAL. В результате сложения сигналов на выходе сумматоров (А1-А4) образуются напряжения U ₁ – U ₄ по (11.26). Коэффици­енты К_U и К _I в этих выражениях определяются сопротивления­ми R и X, установленными во входных цепях сумматоров, и параметрами промежуточных трансформаторов (их коэффици­ентами трансформации и регулируемыми сопротивлениями R, на которые замкнуты встречные обмотки). Значения этих ве­личин должны выбираться так, чтобы они обеспечивали фор­мирование К_U и К _I, необходимые для образования напряже­ний U ₁ – U ₄, позволяющих получить PC с заданной характери­стикой.

Поясним, как обеспечивается формирование К_U и К _I в схе­ме УФ, Характеристика срабатывания задается четырьмя особыми точками 1-4, которые являются вершинами четырех­угольника (рис. 11.34).

Положение особых точек на комплексной плоскости опреде­ляется векторами комплексных сопротивлений Z _1, Z ₂, Z ₃, Z ₄ (рис. 11.34) и записывается в виде равенства Z_n = R_n + jX_n. Ак­тивные и реактивные составляющие R_n, X_n являются коорди­натами особых точек. Знаки ортогональных составляющих этих точек зависят от квадранта комплексной плоскости, в котором расположена особая точка. Согласно (11.14) каждое сопротивление является функцией К_U и К _I соответствующего напряжения U ₁– U ₄(11.26). Коэффициенты К_U принимаются равными К_{U 1}= К_{U 2}= К_{U 3}= К_{U 4}= К. Коэффициент К_U реали­зуется с помощью резистора R1, включенного во вторичную цепь каждого сумматора, идущего с выхода TVL (рис. 11.33). Коэффициенты К _I воспроизводятся посредством резисторов R и конденсаторов С. Применяются два способа формирова­ния К _I: путем последовательного соединения R и С с включе­нием их в цепь 2 или путем параллельного включения С в цепь 2 и резистора R - в цепь 3.

Коэффициент К _{I 1} для формирования особой точки c Z ₁ = R ₁+ jX_{C 1}, расположенной в I квадранте комплексной плоско­сти Z, реализуется цепочкой R1 C1, подключенной между вхо­дом 1 сумматора А1 и зажимом Т1. Коэффициент К_{I 2}- для осо­бой точки во II квадранте, где Z ₂ = -R + jX, реализуется цепоч­кой R2 С2, подключаемой к выходу Т1 и резистором R2' (в це­пи 3 сумматора А2), подключенный к зажиму Т2 (противопо­ложной полярности). Коэффициент К _{I 3}, формирующий особую точку в III квадранте, где Z ₃ = -R - jX_{C 3}, реализуется цепоч­кой R3 СЗ, подключаемой к зажиму Т2. Коэффициент К _{I 4}имитируется цепочкой R4 С4, подключаемой к точке 2 сумма­тора и к зажиму Т 2, и резистором R5. Если требуется характери­стика с = , то переключателем SB1 вместо R6 включает­ся R5. Если рассматривается направленное PC, у которого вершина 3 характеристики срабатывания проходит через на­чало координат Z ₃ = 0, будет равен нулю и коэффициент К _{I 3}, и к сумматору A3 подведется только цепь напряжения от TVL. Для устранения "мертвой зоны", возникающей при U _Р = 0, и обеспечения четкой работы реле при близком КЗ к суммато­ру A3 подается напряжение Е _Пот устройства памяти, выпол­ненного по схеме, приведенной на рис. 11.18. При этом напря­жение, формируемое на выходе A3, U ₃ = К_U U _Р + Е _П.

Выходные сигналы с сумматоров с устройства формирова­ния УФ (рис. 11.33) в виде синусоидальных напряжений U ₁– U ₄приходят на вход схемы ФИН устройства сравнения УС, На рис. 11.33 ФИН для упрощения изображен в виде структурного элемента. Схема ФИН представляет собой диодный селектор, выделяющий положительные и отрицательные значения на­пряжений U ₁ – U ₄, поступающих на его вход.

При одновременном совпадении знаков мгновенных значе­ний четырех напряжений, характеризующем появление КЗ вне зоны, U _вх1 < U _вх2, и на выходе операционного усилителя воз­никает положительный импульс напряжения U _{c +}. Его продол­жительность t _сравна длительности совпадения знаков в течение полупериода промышленной частоты: t _с = - t _нс. Выход­ной сигнал У ФИ U _нc- или U _{c +} поступает на PO1.

В схемах ЛЗ PC с четырехугольной характеристикой исполь­зуется в качестве ДО II и III ступеней. При этом признано целе­сообразным применять реагирующий орган типа PO1, осуще­ствляющий сравнение длительности сигнала несовпадения с заданной уставкой времени.

Реагирующий орган PO1 состоит (см. рис. 11.27, а) из двух входных элементов диода VD1, пропускающего только поло­жительные сигналы, и логического элемента Dl\ элемента за­держки, выполненного с помощью транзистора VT1, конденса­тора С1, резисторов Rl, R2, R3, диода VD2; выходного элемента D2 и D3, работающего в режиме ключа. Логический элемент D2 выдает оперативный сигнал срабатывания реле. На схему по­дается напряжение от источника питания Е^ = + 15 В.

Работа схемы. При КЗ в зоне действия Z _p < Z _c.p, на вход РО от формирователя импульсов УФИ приходит сигнал отрицатель­ной полярности U _нc-о несовпадении знаков сравниваемых напряжений. Этот сигнал существует непрерывно в течение каждого полупериода промышленной частоты t _нс= Т /2, пока длится КЗ. Как показано выше, при повреждении в зоне одно­временное совпадение знаков всех четырех напряжений исклю­чено. Появление отрицательного сигнала U _нc- закрывает диод VD1. При этом на элемент D1 через резистор R4, подклю­ченный к шинке нулевого потенциала, подается логический сигнал 0, при котором на выходе D1 появляется сигнал 1, запи­рающий диод VD2 на все время, пока на PO1 поступает отри­цательный сигнал несовпадения. В течение этого времени под действием напряжения источника питания U _и.п = + 15 В про­исходит заряд конденсатора С1 по контуру C1-R1-R2. По мере заряда конденсатора С1 потенциал базы транзистора VT1 возрастает и открытый до этого транзистор VT1 начинает за­крываться, что приводит к повышению потенциала эмиттера в точке 2 и одновременно на входе логических элементов D2. Через заданное время t _у Т/2, определяемое постоянной вре­мени зарядного контура CI, R = R₁ + R₂, потенциал точки 2 превышает U _п, при котором D2 переключается, и на его выходе возникает сигнал срабатывания PC. При появлении положи­тельного сигнала U _{c +} о совпадении сравниваемых напряжений, образующемся только при повреждении вне зоны действия PC или в режиме нагрузки, когда Z _p Z _c.p, диод VD1 открывает­ся и пропускает на вход D1 сигнал положительного знака. При этом на выходе D1 возникает сигнал противоположного знака - логический сигнал 0, открывающий диод VD2. Послед­ний замыкает цепь контура, по которому конденсатор С1 прак­тически мгновенно разряжается через резистор R1, VD2 и вы­ход DL Входное напряжение на базе VT1 становится меньше напряжения на эмиттере, транзистор открывается, и входной сигнал на логическом элементе D2 снижается до уровня нуле­вой шинки. В результате этого на выходе инвертора D2 возни­кает логический сигнал 1, означающий недействие PC.

Сигнал U _{c +} об одновременном совпадении знаков всех срав­ниваемых напряжений продолжается в течение времени t _с< Т /2.

В остальную часть полупериода (Т /2 - t _с ) знаки сравниваемых величин не совпадают и на вход РО от ФИН приходит отрица­тельный сигнал U _нc- , во время которого начинается заряд кон­денсатора C1 Но так как продолжительность t _нс < Т /2, то на­пряжение на выходе элемента задержки (в точке 2), имеющего уставку t _у > Т /2, не успевает достигнуть значения (U _пор, необ­ходимого для срабатывания реле (выходного элемента D2). Уставка срабатывания принимается с некоторым запасом, равным 0,012-0,015 с.