11.8. Реле сопротивления на диодных схемах сравнения абсолютных значений двух электрических величин

П ринципы 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_p 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_p и I_р поступают на входные блоки 1 и 2 (рис.11.16). Эти блоки преобразуют U_p и I_р в пропорциональные им синусоидальные напряжения К_UU_p и K_II_p 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_p равно 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 U₁ становится 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 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 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.

Н аправленное 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_р коэффициент К_I1 = К_I2 = – К_I. С учетом 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 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_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 U₂ образуется геометрическим суммированием U_н = К_UU_р и 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_U и 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_U и 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_C сдвинуто относительно междуфазного напряжения повредившихся фаз (U_AB) (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_Co, 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_AB.

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:

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 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 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 U₁ уравновешивается меньшим значением U₂ и характеристика срабатывания PC сжимается (точки D и E смещаются в положения D' и E') (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.

Р еле 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.