11.10. Схемы трех основных функциональных элементов pc, построенных на сравнении фаз

Реле сопротивления состоит из функциональных элементов, входящих в состав общей структурной схемы PC (см. рис. 11.15) и структурной схемы (рис. 11.22). Схемы этих элементов одно­типны, они применяются с небольшими изменениями в реле на сравнении фаз двух, трех и четырех сравниваемых величин.

Преобразователи напряжения и тока воспринимают сигналы (U_Р и I_Р), поступающие от ТН и ТТ, уменьшают их и превраща­ют в напряжения, пропорциональные U_Р и I_Р и совпадающие с ними по фазе. В качестве преобразователей используются промежуточные ТН (ПТН) и ТТ (ПТТ), их упрощенные схемы приведены на рис. 11.24.

Промежуточные ТН. Первичная обмотка w₁ промежуточного ПТН (рис. 11.24, а) включается на междуфазное напряжение U_Р = U_мф. Вторичное напряжение на зажимах 1 и 2 ПТН U_вых = K_HU_Р, где К_Н - коэффициент преобразования (трансформа­ции ПТН) U_вх в U_вых. Промежуточное ТН работает в режиме, близком к холостому ходу, поэтому K_H = U_вых/U_вх = w₂/w₁ и выбирается таким, чтобы U_вых не превышало значения, допу­стимого для полупроводниковых элементов схемы. Вторичная обмотка ПТН обычно замкнута на делитель напряжения R. Изменение уставки срабатывания PC осуществляется двумя способами: ступенями - изменением ответвлений на w₂ и плавно - изменением сопротивления R:

U_вых = K_рег(K_HU_Р) = K_прUU_Р, (11.22)

где К_рег = 1, если движок делителя находится в точке l'; K_прU = К_регК_Н - результирующий коэффициент преобразования U_Р.

Промежуточные ТТ. Первичная обмотка ПТТ состоит из двух секций с одинаковым числом витков w₁. Каждая секция включается на ток соответствующей фазы (в ДЗ от междуфаз­ных КЗ - по табл. 11.1) так, чтобы создаваемые ими МДС были направлены встречно (рис. 11.24, б). Преобразователи тока должны преобразовывать входной ток I_Р в пропорциональное ему вторичное напряжение U_ПТT I_Р, для чего вторичная обмот­ка ПТТ замыкается на резистор R (рис. 11.24, б), с которого сни­мается U_вых = I_вых R. С учетом коэффициента трансформа­ции К_т получим

U_ПТТ = I_вых R = К_т I_Р R= I_Р R = К_прI I_Р, (11.23).

где К_прI = R.

Как и в ПТН, регулирование уставки может осуществляться ступенчато - регулированием К_т либо плавно - изменением R.

На рис. 11.24, в изображена схема ПТТ, применяемая в ДЗ ШДЭ-2801, выпускаемой ЧЭАЗ. Выходное напряжение снима­ется с делителя R1 и R2, средняя точка которого соединяется с нулевой шинкой. Потенциалы точек 1 и 2 имеют противопо­ложную полярность относительно нулевой шинки. Это позво­ляет получить два напряжения разной полярности (+U_т1 и -U_т2), которые, как было показано в § 11.7, необходимы для получения особых точек, определяющих характеристику сра­батывания. Регулирование уставки PC производится включе­нием параллельно делителю R1-R2 резисторов R4 и R5 переклю­чателями SB1 и SB2.

В схеме установлен варистор R3, сопротивление которого уменьшается с увеличением приложенного к нему напряже­ния. При больших токах I_Р варистор ограничивает уровень U_вых. Общим требованием для всех преобразователей является точ­ность преобразования, которая обеспечивается при работе преобразователей в линейной части характеристики U_вых = f( U_вх).

Выходное напряжение ПТН и напряжения с выхода ПТТ U_т1 и U_т2 передаются на следующий элемент ИО, формирующий из этих напряжений сравниваемые напряжения по (11.14).

Устройство формирования сравниваемых напряжений (УФ). Получив с выхода ПНТ и ПТТ преобразованные значения U_Р и I_Р в виде напряжений K_прUU_Р и K_прI I_Р, устройство формиро­вания производит их сложение с помощью сумматора, постро­енного на инвертирующем ОУ (рассмотренном в §2.5). В ре­зультате этой операции на выходе сумматора должно быть по­лучено одно из n сравниваемых напряжений типа U_l , U₂ , ..., U_j ,..., U_n, построенных по выражениям (11.14), например напря­жение U_j:

U_j = K_UjU_P + К_Ij I_Р = K_Uj I_Р (Z_p - Z_j). (11.24)

Координаты особой точки на плоскости Z, соответствующей данному напряжению U_j, как уже отмечалось, определяются вектором сопротивления Z_j = - К_Ij / К_Uj.

Как видно из рис. 11.25, напряжения с промежуточных транс­форматоров ПТН (TVL) и ПТТ (TAL) передаются на инвертиру­ющий вход ОУ по отдельным цепям, в которые включаются (в общем случае) комплексные сопротивления Z₁ и Z₂, а в цепь ОС вводится сопротивление Z_ОС. Неинвертирующий вход соединяется с нулевой точкой. При появлении на И-входе напряжений от промежуточных трансформаторов ОУ осуществляет их суммирование с усилением каждого входного сигнала в К_п раз (где К_п - коэффициент передачи, равный коэффициенту усиления инвертирующего ОУ). Его значение (см. § 2.5) опре­деляется отношением сопротивления Z_ОС к сопротивлению цепи, по которой поступает данный сигнал. В рассматриваемой схеме для сигнала от ПТН К_пПТН = Z_ОС / Z₁ , a для сигнала, идущего от ПТТ, К_пПТТ = Z_ОС/Z₂.

В результате сложения входных сигналов с умножением их на удельный коэффициент передачи К_у.п на выходе суммиру­ющего ОУ формируется заданное напряжение, например U_j, в соответствии с (11.24) и (11.14):

U_j = U_вых=. (11.25)

Сопоставляя (11.25) и (11.24), можно установить, что в сформи­рованном напряжении U_j коэффициенты К_Uj и К_Ij имеют сле­дующий вид:

К_Uj = ;К_Ij = , (11.25а)

а вектор особой точки j

Z _j = . (11.25б)

Аналогично формируются все остальные п - j сравниваемые величины. Количество формируемых величин (напряжений типа U _j) зависит от формы характеристики срабатывания (на­пример, для окружности п = 2, для четырехугольника п = 4).

Из (11.25) и рис. 11.25, а следует, что коэффициенты при U_Р и I_Р реализуются посредством коэффициентов преобразования напряжения и тока (U_Р и I_Р), применяемых в вспомогательных измерительных трансформаторах, и сопротивлений Z₁, Z₂ и Z₃ в цепях тока и напряжения сумматора на ОУ. Эти величины определяются при разработке дистанционных органов защиты и остаются неизменными в процессе эксплуатации. Эксплуата­ционный персонал может регулировать только уставки ИО. Коэффициенты К_Uj в (11.14) являются действительными чис­лами и реализуются в виде сопротивления резисторов R_н, а коэффициент К_Ij должен быть комплексной величиной и реализовываться активным сопротивлением резистора R_т и реактивным сопротивлением X, обычно выполняемым в видеконденсатора С (X = ) (рис. 11.25,6). Активные и реактивные составляющиеК_I определяют значения координат jX и R особых точек, например точки 1, показанной на рис. 11.25, в.

Из (11.25а) следует, что коэффициенты К_Uj и К_Ij образуются с помощью входных сопротивлений в схеме сумматора (Z₁, Z₂ , Z₃) и параметров элементов ПНТ и ПТТ. Определив значе­ния К_Uj и К_Ij можно найти значение Z _j; и координаты особой точки; на комплексной плоскости R, jX.

В общем случае положение точки на комплексной плоскости определяется вектором комплексного сопротивления Z_n = - К_{I n}/K_Un. Необходимые значения K_Un и К_1п для получения требуемого U_n находятся по (11.256) соответствующим подбором величин, определяющих эти коэффициенты. Для образова­ния К_U в выражениях (11.14) и (11.14а) служит резистор R_н, включенный в цепь, питаемую напряжением ПТН, а для обра­зования К_I - резистор R_т (рис. 11.25) и конденсатор Х_С. По ти­повой схеме на рис. 11.25 выполняются сумматоры напряже­ний U_{1 г} и U₂, а значения этих напряжений и коэффициентов K_Un и К_1п определяются выражениями (11.25). С выхода сумма­торов УФ n сформированных напряжений U₁ - U_n поступают на схему сравнения их фаз.

Схема сравнения фаз СС, применяемая в отечественных ДО обычно выполняется на времяимпульсном принципе. В § 11.10 пояснено, что условием срабатывания подобного ДО является наличие непрерывного (в течение не менее полупериода про­мышленной частоты) несовпадения знаков мгновенных значе­ний п сравниваемых величин.

С учетом этого рассматриваемая схема сравнения состоит (рис. 11.26, а) из формирователя импульсов несовпадения ФИН, выявляющего длительность несовпадения знаков сравнива­емых напряжений U₁ - U_n, поступающих на вход СС, и реаги­рующего органа РО, на вход которого приходит сигнал ФИН о наличии несовпадения знаков U₁ - U_n. Реагирующий орган сравнивает длительность этого сигнала t_нс с заданной вели­чиной t_у или с длительностью сигнала о совпадении t_c.

Схема сравнения выдает сигнал о срабатывании ДО, если t_нс t_у.

Формирователь импульсов несовпадения (рис. 11.26,6). Ос­новными элементами схемы ФИН являются: двухполупериод-ный диодный селектор (избиратель) положительных и отрица­тельных сигналов, выполняемый на основе диодной сборки , , ..., (селектор положительных сигналов) и сборки , ..., (селектор отрицательных сигналов) и опе­рационный усилитель ОУ, формирующий выходные сигналы (импульсы напряжения отрицательного знака при несовпаде­нии знаков сравниваемых величин и положительного - при их совпадении). Инвертирующий вход 1 ОУ подключается к се­лектору положительных сигналов С⁽⁺⁾ и напряжению источника питания отрицательной полярности -Е_П = 15В в точке т де­лителя напряжения R1-R3, а неинвертирующий вход 2 ОУ -к селектору отрицательных сигналов С^(-) и напряжению источ­ника питания положительного знака +Е_П = 15 В в точке n де­лителя R2-R4. Для получения необходимых уровней напряже­ния в точках т и п делителей напряжения значения их сопротивления выбираются по условию R1 = R2, R3 = R4, при этом R3 и R4 » R1 и R2.

Между точками т и п делителей и входами 1 и 2 ОУ подклю­чены диоды VD1, VD2, которые ограничивают уровень напря­жения на входе ОУ. Диод VD1 открывается только при появ­лении положительного входного напряжения на шинке С⁽⁺⁾ возникающего под воздействием мгновенного значения вход­ного сигнала, достаточного для открытия диодов -. Аналогично под воздействием отрицательного входного напря­жения открывается диод VD2.

Рассмотрим кратко работу схемы ФИН в режиме совпадения знаков входных сигналов и при их несовпадении. Следует учесть, что ОУ включен по дифференциальной (без ОС) схеме и поэтому работает в нелинейной насыщенной части входной характеристики. При появлении входного напряжения U_вх = U₂ – U₁ выходное напряжение ОУ U_вых = ± U_{OУ max} = 12 13 В, ЗнакU_вых определяется знаком U₂ – U₁: при +U₂ > U₁ U_вых имеет положительный знак; при U₁ > U₂ - отрицательный. При несовпадении знаков мгновенных значений сравнива­емых напряжений на вход селектора поступают одновременно разнополярные сигналы. Под действием наибольшего напря­жения положительного знака открывается соответствующий диод положительного селектора (например, если наибольшим в данный момент является +U₂, то открыт диод VD2'). В этот же момент времени наибольшее входное напряжение отрицатель­ного знака откроет один из диодов VD1"..., селектора от­рицательной полярности. Под действием появившихся на вы­ходеС⁽⁺⁾ и С^(-) напряжений откроются диоды VD1 и VD2 соот­ветственно.

С учетом этого напряжения на инвертирующем входе 1 и неинвертирующем 2 будут равны падению напряжения в откры­тых диодах VD1 и соответственно в VD2, но различными по зна­ку (на входе 1 "+", на входе 2 "-").

Напряжения U₁ = + U_0vd1, U₂ = -U_oVD1, а дифференци­альное входное напряжение U₂ – U₁ = -U_0VD1 - (+U_0VD1)= -2U_0VD1. В соответствии с этим на выходе ОУ установится напряжение отрицательного знака U_вых = - U_{ОУ max}.

Рассматривая схему на рис. 11.26,б при совпадении знаков входных сигналов (сначала положительных, а затем отрицательных) и определяя, как и в предыдущем режиме, работу селектора и диодов VD1 и VD2, можно показать, что входное напряжение U₂ – U₁ будет иметь положительный знак, соответ­ственно положительным по знаку будет выходной сигнал ОУ:

U_вых = + U_{ОУ max}

Из приведенного рассмотрения следует, что на выходе схе­мы ФИН при несовпадении знаков сравниваемых напряжений появляется сигнал отрицательного знака, а при совпадении -сигнал положительного знака.

Эти сигналы поступают на реагирующий орган (РО) схемы сравнения, где на основе их сопоставления выдается соответ­ствующий сигнал (о действии или недействии ИО сопротив­ления ДЗ).

Таким образом, в течение каждого полупериода изменения U₁ и U₂ на выходе схемы ФИН появляется положительный сигнал U_вых = +U_c при совпадении знаков сравниваемых величин и отрицательный сигнал – U_нc во время их несовпа­дения. Продолжительность положительного сигнала равна времени совпадения t_с, а отрицательного - времени несовпа­дения t_нс = Т/2 - t_c. Выходные сигналы отрицательной и поло­жительной полярностей поступают на вход схемы РО, произ­водящего сравнение их длительности.

Реагирующие органы. При рассмотрении структурной схемы формирования импульсов отмечалось, что имеется два вари­анта исполнения реагирующего органа: POl, в котором осуще­ствляется сравнение времени несовпадения t_нс с заданным временем (уставкой) t_y, и Р02, сравнивающего t_нс с t_с.

Реагирующий орган PO1 (рис. 11.27, а). Схема POl состоит из элемента выдержки R1-C1 (с t_с.р до 0,1 с), транзистора VT1, входного и выходного логических элементов И-НЕ (выпол­няющих функции инвертора), D1, D2 и диода VD2, разрешающего при несовпадении знаков сравниваемых напряжений пуск элемента задержки. При совпадении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений с выхода ФИН на вход реагирующего органа поступает сигнал + U_c (логическая 1). При этом диод VD1 открывается, на выходе D1 появляется сиг­нал на уровне логического 0, потенциал в точке 1 имеет нуле­вой уровень, VT1 открывается, потенциал в точке 2 становит­ся равен логическому 0, а на выходе D2 логической 1. Это означает, что ИО не действует. Конденсатор С1 разряжен, так как потенциал на его обкладках равен нулю.

При несовпадении знаков мгновенных значений сравнива­емых напряжений на входе схемы появляется сигнал отри­цательного уровня – U_нc (логический 0). В этом случае VD1 закрыт и на входе инвертора D1 присутствует сигнал, равный 0, а на выходе сигнал 1; потенциал точки 1 (а следователь­но, и базы VT1) равен падению напряжения в открытом дио­де VD2, транзистор остается открытым, на выходе схемы со­храняется единичный сигнал. Конденсатор С1 начинает заря­жаться током, проходящим от источника питания через R2 и RL Потенциал точки 1 (базы VT1) постепенно увеличивает­ся, и, когда он становится равным потенциалу эмиттера, тран­зистор закрывается, потенциал точки 2 повышается до 1, D2 переключается, его выходной сигнал изменяется с 1 на ло­гический 0, что соответствует срабатыванию PC. Это происхо­дит при условии, что t_нс > t_у.

Схема возвращается в исходное состояние, как только сно­ва наступает совпадение сравниваемых величин, благодаря снижению практически до нуля потенциала точки 1 и проис­ходящему вследствие этого разряду конденсатора С1 по кон­туру, образованному диодом VD2 и связанным с нулевой шинкой выходному контуру D1. Время замедления t_у задается со­противлением резисторов R2 и R1 на уровне 10 мс. Напряжение срабатывания определяется порогом переключения инвер­тора D2. Реагирующий орган типа POl используется в PC II и III ступеней в ДЗ ШДЭ-2801. Для I ступени обычно приме­няется Р02.

Реагирующий орган Р02 имеет большее быстродействие (около Т/4). В этом органе осуществляется сравнение времени несовпадения t_нс с t_с (рис. 11.27,б). Схема состоит из выпрями­теля VS; стабилитрона VD7, уравнивающего значения отрица­тельных и положительных входных сигналов; интегратора А1 на ОУ (см. §2.19), сопоставляющего длительность сигналов (-t_нс и + t_с); порогового устройства в виде логического элемен­та D1, работающего в режиме ключа и выдающего сигнал сра­батывания реле при t_нс > t_с. Выходные импульсы напряжения (+ U_c и – U_нc) проходят через выпрямитель, и с помощью стаби­литрона VD7 их амплитуды стабилизируются на одинаковом уровне U_c = U_нc. Постоянство и равенство значений обоих импульсов необходимо для обеспечения стабильности характе­ристик PC. При несовпадении знаков сравниваемых напряже­ний отрицательный сигнал в виде выпрямленного и стабили­зированного отрицательного напряжения - U_нc поступает через диод VD5 и резистор R3 на И-вход 1 операционного усилителя А1.

Под действием этого напряжения начинается заряд конден­сатора С1 через сопротивление R3, и на выходе ОУ интегратора возникает положительное напряжение, противоположное по знаку напряжению на входе ОУ. По мере заряда конденсато­ра С1 напряжение U_инт = U_C1 нарастает и поскольку в началь­ной части экспоненциальная характеристика заряда практи­чески прямолинейна, то U_инт = U_C1 - t_нс. При достижении на­пряжением U_С1 значения порогового напряжения U_п логиче­ского элемента D1 на выходе последнего появляется сигнал, означающий, что PC сработало.

Во время совпадения знаков U₁ и U₂ входное положительное импульсное напряжение + U_c после выпрямления и стабили­зации через диод VD6 и R2 поступает на И-вход ОУ. Напряже­ние на обкладках конденсатора меняет полярность, и с этого момента начинается разряд конденсатора (или, иначе говоря, его заряд в обратном направлении) через R2. В процессе разря­да напряжение на конденсаторе U_С1 уменьшается пропор­ционально времени t_с. Для действия PC необходимо, чтобы за время t_нс = Kt_c (при котором отношение t_нс / t_с = К = 1) U_c до­стигло U_п (порога срабатывания D1). Скорости заряда и разря­да С1, определяющие соотношение t_нс и t_с, зависят от значе­ний R3 и R2, которые подбирают исходя из заданных значе­ний К. Предусмотрена возможность изменения R2 переключа­телем.

Для получения характеристики в виде окружности необхо­димо иметь К = 1 или t_нс = t_с. В этом случае R₂ = R₃. При R₂ R₃ характеристика принимает вид овала.