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_p и I_р), поступающие от ТН и ТТ, уменьшают их и превращают в напряжения, пропорциональные U_p 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_p = U_мф. Вторичное напряжение на зажимах 1 и 2 ПТН U_вых = K_нU_р, где К_н — коэффициент преобразования (трансформации ПТН) U_вх в U_вых. Промежуточное ТН работает в режиме, близком к холостому ходу, поэтому К_н = 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:

(11.22)

где К_рег = 1, если движок делителя находится в точке 1'; К_прU = К_регК_н — результирующий коэффициент преобразования U_p.

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_ПТТ = I_p, 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 K_т получим

(11.23)

где .

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 ЩДЭ-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_T1 и U_T2 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_p и I_p, в виде напряжений K_прUU_p и К_прII_р, устройство формиро­ания 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 п сравниваемых напряжений типа U₁, U₂, ..., U_j,...,U_n, построенных по выражениям (11.14), например напряжение U_j:

(11.24)

Координаты особой точки на плоскости Z, соответствующей данному напряжению U_j, как уже отмечалось, определяются вектором сопротивления Z_j = –К_Ij /K_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 Z_l и Z₂, а в цепь ОС вводится сопротивление Z_oc. 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 K_п pаз (где К_п — коэффициент передачи, равный коэффициенту усиления инвертирующего ОУ). Его значение (см. § 2.5) определяется отношением сопротивления Z_OC к сопротивлению цепи, по которой поступает данный сигнал. В рассматриваемой схеме для сигнала от ПТН К_п ПТН = Z_OC/Z₁, а для сигнала, идущего от ПТТ, К_п ПТН = Z_OC/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):

(11.25)

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

(11.25a)

а вектор особой точки j

(11.25б)

А налогично формируются все остальные n — 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_p и I_p реализуются посредством коэффициентов преобразования напряжения и тока (U_p, и I_p), 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 виде конденсатора (рис.11.25, б). Активные и реактивные составляющие K_I определяют значения координат jX и R особых точек, например точки 1, показанной на рис.11.25, в.

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

В общем случае положение точки на комплексной плоскости определяется вектором комплексного сопротивления Z_n = –K_In/K_Un. Необходимые значения K_Un и K_In для получения требуемого U_n находятся по (11.25 б) 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 K_I — резистор R_т (рис.11.25) и конденсатор Х_C. По типовой схеме на рис.11.25 выполняются сумматоры напряжений U₁ и U₂, а значения этих напряжений и коэффициентов K_Un и К_In определяются выражениями (11.25). С выхода сумматоров УФ n сформированных напряжений U₁ – U_n поступают на схему сравнения их фаз.

С хема 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_y или с длительностью сигнала о совпадении t_c.

Схема сравнения выдает сигнал о срабатывании ДО, если t_нс ≥ t_y.

Формирователь импульсов несовпадения (рис.11.26, б). Основными элементами схемы ФИН являются: двухполупериодный диодный селектор (избиратель) положительных и отрицательных сигналов, выполняемый на основе диодной сборки VD'₁, VD'₂, ..., VD'_n (селектор положительных сигналов) и сборки VD''₁, VD''₂, ..., VD''_n (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 = 15В в точке п 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 VD1' – VD'_n. 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. Знак U_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",…, VD''_n селектора отрицательной полярности. Под действием появившихся на выходе С⁽⁺⁾ 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 = +ΔU_o VD1, U₂ = –ΔU_o VD1 а дифференциальное входное напряжение U₂ – U₂ = –ΔU_o VD1 – (+ΔU_o VD1) = = –2ΔU_o VD1. В соответствии с этим на выходе ОУ установится напряжение отрицательного знака U_вых = –U_OУ 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 mах.

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_нс во время их несовпадения. Продолжительность положительного сигнала равна времени совпадения t_c, 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: РО1, в котором осуществляется сравнение времени несовпадения t_нс с заданным временем (уставкой) t_y, и РО2, сравнивающего t_нс с t_c.

Р еагирующий орган РО1 (рис. 11.27, а). Схема РО1 состоит из элемента выдержки R1-C1 (с t_c.p 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_нс (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 R1. 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_y.

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_y задается сопротивлением резисторов R2 и R1 на уровне 10 мс. Напряжение срабатывания определяется порогом переключения инвертора D2. Реагирующий орган типа РО1 используется в PC II и III ступеней в ДЗ ШДЭ-2801. Для I ступени обычно применяется РО2.

Реагирующий орган РО2 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_c. Выходные импульсы напряжения (+U_c и –U_нс) проходят через выпрямитель, и с помощью стабилитрона VD7 их амплитуды стабилизируются на одинаковом уровне U_с = U_нс. 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_нс 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_С1 нарастает и поскольку в начальной части экспоненциальная характеристика заряда практически прямолинейна, то U_инт = U_С1 = 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_с 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 ΔU_C1 уменьшается пропорционально времени t_c. Для действия PC необходимо, чтобы за время t_нс = Kt_c (при котором отношение t_нс/t_c = К = 1) U_c достигло U_п (порога срабатывания D1). Скорости заряда и разряда С1, определяющие соотношение t_нс и t_c, 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_c. В этом случае R₂ = R₃. При R₂ ≠ R₃ характеристика принимает вид овала.