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 U₁ и U₂,образованные из U_pи 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 U₁ и U₂ по (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_pи I_рпоступают на входные блоки 1 и 2 (рис.11.16). Эти блоки преобразуют U_pи I_рв пропорциональные им синусоидальные напряжения К_UU_pи K_II_pи производят их геометрическое сложение. В результате на выходе блоков 1 и 2 появляются два синусоидальных напряжения U₁ и U₂.Каждое из них выпрямляется диодными выпрямителями 3 и 4. Напряжения |U₁| и |U₂|,полученные на выходе выпрямителей (или пропорциональные им токи |I₁| и |I₂|), подводятся к схеме сравнения 5, где вычитаются один из другого. На выходе схемы сравнения образуется напряжение |U_вых| = |U₁| – |U₂|или ток |I_вых| = |I₁| – |I₂|, которые поступают на вход РО 6,выполненного в виде нуль-индикатора (НИ), реагирующего на знак U_вых. При |U₁| > |U₂|напряжение U_вых имеет положительный знак, и РО срабатывает.

В нормальном режиме напряжение U_pравно номинальному, а ток I_р равен току нагрузки. Он сравнительно мал, поэтому U₂ = |K_U2U_p – K_I2I_p| превосходит U_l = |K_I1I_p|и PC не работает. При КЗ в зоне действия реле ток I_р возрастает, а напряжение U_р снижается, в результате U₁становится больше U₂,и PC приходит в действие. При КЗ за пределами зоны (хотя ток I_p увеличивается, U_р – уменьшается) параметры схемы PC и уставки подобраны так, чтобы напряжение U₂превосходило U₁, поэтому PC не может сработать. Напряжение U₁называется рабочим, поскольку под его воздействием PC срабатывает, а напряжение — противодействующее срабатыванию, U₂ — тормозным.

Таким образом, поведение реле, построенных по рассмотренной функциональной схеме, зависит от соотношения значений сравниваемых напряжений U₁и U₂:реле срабатывает, если U_l > U₂,и не действует, если U_l < U₂.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 U₁ и U₂,образованных по (11.14), в которых для получения характеристики срабатывания в виде окружности, проходящей через начало координат, принято, что K_Ul= 0, а при I_ркоэффициент К_I1 = К_I2= – К_I. Сучетом этого выражения сравниваемых величин имеют следующий вид:

(11.15)

Сравниваемые напряжения: рабочее U₁ (действующее на срабатывание) и тормозное U₂ (ему противодействующее) формируются преобразователями (тока I_р и напряжения U_p) и сумматором, состоящим из вспомогательного трансформатора напряжения TV1 и трансреактора TAV1 сдвумя 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_AB I_р = I_A – I_B (Реле, включенные на фазы ВС и СА,выполняются аналогично). Напряжение U_p трансформируется на вторичную сторону TV1,образуя напряжение К_UU_р,где К_U — коэффициент трансформации TV1. Под действием токов I_A и I_B в каждой вторичной обмотке трансреактора TAV1 индуцируются одинаковые ЭДС Е = –jK_II_p,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 δ, определяемый отношением X и R вторичного контура. Напряжения U'₂= U''₂ = I_тR_т сдвинуты относительно ЭДС E на угол δ, так же как и ток I_т (рис.11.17, в). С учетом того, что I_т = I_р, напряжение U₁ = K_II_p. Здесь K_I — коэффициент преобразования тока I_р в напряжение U_т,представляет собой комплексную величину, сдвинутую относительно вектора I_р на угол φ = 90°– δ. Модуль К_I и угол сдвига φ зависят от параметров трансреактора (отношения витков w₁/ w₂, Х_μ, ветви намагничивания TAV,сопротивления R_т).Напряжения U_н, U_т(рис.11.17, а), полученные со вторичных зажимов TV1 и TAV1, используются для образования U₁ и U₂. Рабочее напряжение U₁ = K_II_p подводится к выпрямителю VS1. Тормозное напряжение U₂образуется геометрическим суммированием U_н = К_UU_ри U_т = –K_II_p.Полученное таким образом напряжение U₂, = K_UU_p – K_II_p подается на вход выпрямителя VS2. Выпрямленные напряжения |U₁|и |U₂|сопоставляются по значению в схеме сравнения на балансе напряжений. Результирующее напряжение на выходных зажимах схемы сравнения U_вых = |U₁|– |U₂|.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_вых устанавливается частотный фильтр-пробка L₁C₄(рис.11.17, б), который не пропускает в ЕА переменную составляющую 100 Гц. В результате этого на вход ЕА поступает U_вых схемы сравнения, равное разности постоянных составляющих выпрямленных напряжений |U₁|и |U₂|,иначе говоря, разности их средних значений за период переменной составляющей (100Гц). Реле (НИ) срабатывает при |U₁|> |U₂|. Начало действия реле характеризуется равенством |U₁|= |U₂|, или

(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_p/I_p,удовлетворяющее условию (11.16), является Z_c.p:

После преобразования получим

(11.16a)

Уравнение (11.16 а) является характеристикой срабатывания направленного PC, имеющего форму окружности, проходящей через начало координат (см. рис.11.14, б). Радиус этой окружности R равен |К_I/K_U|; вектор К_I/K_U определяет положение центра окружности относительно начала координат на комплексной плоскости R, jX с заданной уставкой Z_y.

Сопротивление срабатывания Z_c.p направленного PC непостоянно, изменяется с изменением φ_р (угла сопротивления Z_p), что видно из рис.11.17, г. При φ_р = φ_м.ч сопротивление Z_c.p имеет максимальное значение . Угол вектора Z_{c.p mах}равен углу вектора К_I, это означает, что φ_м.ч = 90° – δ и определяется параметрами X и R трансреактора TV1 (рис.11.17, а).

При всех других значениях φ_р ≠ φ_м.ч,

Уставка срабатывания Z_y направленного PC задается модулем . B конструкции реле предусматривается регулирование уставки Z_y изменением 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_{cp max} = Z_y, т.е. (φ_м.ч изменяется подключением сопротивлений R9-R12: включение R9 и R11 соответствует φ_м.ч = 65°, а R10 и R12 — φ_м.ч = 80°. Регулирование должно производиться как в рабочем, так и в тормозном контуре схемы одинаково для обеспечения равенства . 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 (11.16 а), вызванное снижением до нуля напряжения U_p(при близких КЗ), а также неточным равенством коэффициентов 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" E_п, создаваемые трансреактором TAV2.

С учетом этого условие срабатывания реле (11.16) примет вид

(11.17)

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

(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_п по (11.17), последняя должна совпадать по фазе с U_p и иметь возможно меньшее значение — не превышать 2-3% нормального уровня U_р и 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_p = U_AB, то U_п = U_Co. Поскольку напряжение U_Cсдвинуто относительно междуфазного напряжения повредившихся фаз (U_AB)(рис.11.18, г), чтобы обеспечить совпадение по фазе вторичной ЭДС Е_пс 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_Псовпадает по фазе с напряжением U_п = U_Co, подведенным к TAV2,авторичная ЭДС Е_п отстает на 90° от вызвавшего ее тока I_п и совпадает по фазе с U_р = U_AB.

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_Св обоих контурах (рис.11.18, д), обеспечивая работу PC при исчезновении напряжения.

По рассмотренной схеме (рис.11.17, а) ЧЭАЗ выпускает PC, используемые вкачестве 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:

Для устранения мертвой зоны и четкой работы при малых значениях U_p (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 ТAV1 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, б). Эта цепочка шунтирует РО, срезая положительные полуволны переменной составляющей разности мгновенных значений U₁ и U₂,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 U₁ и U₂либо 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 U₂ сдвинут относительно вектора U₁ на 90° (точки E 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 U₁уравновешивается меньшим значением U₂и характеристика срабатывания PC сжимается (точки D и E смещаются в положения D' и E') (рис.11.19, в). Промежуточным значениям углов между U₁и U₂соответствуют 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.Еcли принять в (11.15), определяющем характер связи U₁ и U₂ с U_р и I_p, ,то характеристика PC будет изображаться окружностью, смещенной относительно начала координат при в сторону III квадранта, а при — в сторону I квадранта. Если же принять = 0, получим , a — характеристика в виде окружности с центром в начале координат.