11.8. 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_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 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_Р и 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_UU_Р и K_II_Р и 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_Р равно номинально­му, а ток I_Р равен току нагрузки. Он сравнительно мал, поэто­му U₂ = |K_U2U_Р – K_I2 I_Р| превосходит U₁ = |K_I1I_Р| и PC не рабо­тает. При КЗ в зоне действия реле ток I_Р возрастает, а напря­жение U_Р снижается, в результате U₁ становится больше U₂, 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 U₂ превосходи­ло U₁ поэтому PC не может сработать. Напряжение U₁ называ­ется 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 U₁ и U₂: реле срабатыва­ет, если U₁ > U₂, и не действует, если U₁ < 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_U1 = 0, а при I_Р коэффициент K_I1 = K_I2 = - K_I. С учетом этого выражения сравниваемых вели­чин имеют следующий вид:

U₁ = K_I I_Р ; U₂ = K_U U_Р – K_I I_Р . (11.15)

Сравниваемые напряжения: рабочее U₁ (действующее на сра­батывание) и тормозное U₂ (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_АВ и 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_UU_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 = - jK_II_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 отношениемX и R вторич­ного контура. Напряжения = = I_TR_T сдвинуты относи­тельно ЭДС Е на угол, так же как и токI_т (рис. 11.17, в). С уче­том того, что I_т = I_Р, напряжение U₁ = K_II_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° -. МодульK_I и угол сдвига зависят от параметров трансреактора (отношения витковw₁ / w₂, 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 U₁ и U₂. Рабочее напряжение U₁=K_II_Р подводится к выпрямителю VS1. Тормозное напряжение U₂ образуется геометрическим сумми­рованием U_н = K_UU_Р и U_т = - K_II_Р, Полученное таким образомнапряжение U₂ = K_UU_Р - K_II_Р 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. 11.17,6), 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 (100 Гц). Реле (НИ) срабатывает при |U₁| > |U₂|. Начало дейст­вия реле характеризуется равенством |U₁| = |U₂|, или

|K_II_Р| = |K_UU_Р-K_II_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_U и 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=2R. (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_U определяет 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 =сопротивлениеZ_c.pимеет максимальное значение Z_{c.p max} = = 2. Уголвектора Z_{c.p max} равен углу вектора К_I, это означает, что = 90° -и определяется параметрамиX и R трансреакто­ра TV1 (рис. 11.17, а).

При всех других значениях ,Z_c.p = Z_{c.p max}cos(-) = 2соs(-).

Уставка срабатывания Z_У направленного PC задается модулем Z_c.pmax = 2 . В конструкции реле предусматривается регулирование уставкиZ_У изменением значений К_U и модуля |К_I|. Это осуществляется изменением коэффициента транс­формации TV1 (изменением числа вторичных витков) и числа витков первичной обмотки TAV1.

Угол вектора Z_c.pmax = Z_У, т. е. изменяется подключе­нием сопротивленийR9-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 равенстваК_I1 = К_I2. 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_I1 и К_I2 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_II_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_П по (11.17), последняя должна совпа­дать по фазе с U_Р 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_Р = U_АВ, то U_П = U_C0. 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_C0, подве­денным к TAV2, а вторичная ЭДС Е_П отстает 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_П поддерживается 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 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 U₂ либо 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 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 U₁ уравновешива­ется меньшим значением U₂ и характеристика срабатывания PC сжимается (точки D и Е смещаются в положения D' и Е') (рис. 11.19, в). Промежуточным значениям углов между U₁ и U₂ соответствуют 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 U₁ и U₂ с U_Р, и I_Р, К_I1К_I2, то характеристика PC будет изображаться окружностью, смещенной относительно начала координат при К_I1 > К_I2 в сто­рону III квадранта, а при К_I1 < К_I2 - в сторону I квадранта. Если же принять К_I2 = 0, получим U₁ = К_I1 I_Р, a U₂ = К_U2 U_Р - харак­теристика в виде окружности с центром в начале координат.