11.11. Реле сопротивления со сложными характеристиками срабатывания, выполненные на имс

В иды и особенности сложных характеристик. Сложными принято называть характеристики, имеющие форму многоугольника либо образованные из сочетания дуг окружностей с отрезками прямых (рис.11.28).

Сложные характеристики по сравнению с круговыми и эллиптическими позволяют повысить чувствительность PC к повреждениям через переходное сопротивление R_п и увеличить их зону действия на протяженных ЛЭП, обеспечивая при этом отстройку от сопротивлений в максимальных нагрузочных режимах. Реле со сложными характеристиками выполняются на сравнении фаз или абсолютных значений трех, четырех напряжений, образованных по (11.14). Практическое применение нашли характеристики в форме четырехугольника, треугольника и комбинированная в виде сочетания окружности с четырехугольником.

Р еле с четырехугольной характеристикой, выполняемое с помощью двух PC (PCI и РС2), соединенных по схеме И (рис.11.29, а). Оба реле основаны на сравнении фаз двух напряжений, пропорциональных U_р и I_р. Характеристика срабатывания каждого реле имеет вид двух пересекающихся прямых (рис.11.29, б). Из их сочетания образуется четырехугольная характеристика ABCD желаемой формы. Зона действия каждого реле отмечена штриховкой. Выходные сигналы о срабатывании схем сравнения реле РС1 и РС2 действуют на логический элемент И. Сигнал на его выходе возникает только при одновременном срабатывании РС1 и РС2. В этом случае вектор Z'_p = U_р/I_р будет находиться внутри четырехугольника ABCD. Если же конец вектора Z_p выходит за пределы четырехугольника (например, Z_p = Z_p), работает только одно из двух реле, выходной сигнал на элементе И отсутствует — комбинированное реле не действует.

На таком же принципе можно получить четырехугольную характеристику из сочетания PC, основанных на сравнении абсолютных значений, но в этом случае требуется использовать четыре реле с характеристиками в виде прямых линий (АВ, СВ, CD, DA), действующих по логической схеме И. Комбинированные PC получаются сложными, многоэлементными, недостаточно быстродействующими.

Реле сопротивления ДЗ с четырехугольной характеристикой, выполняемое на сравнении фаз четырех величин в одной схеме сравнения. В основу построения подобного ИО в отечественных ДЗ положена структурная схема, упрощенно показанная на рис.11.29, в с одной схемой сравнения, осуществляющей одновременное сравнение фаз нескольких величин — в данном случае четырех.

Сравниваемые величины (в виде напряжений U₁ – U₄) формируются, как обычно, по (11.14а):

(11.26)

В этих уравнениях сопротивления Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ определяют положение особых точек ХС.

Х арактеристиками срабатывания у четырехугольника с особыми точками, определяющими его форму, площадь действия реле на комплексной плоскости R, jX (и соответствующую ей зону действия ИО на контролируемом им участке сети), являются четыре вершины 1, 2, 3, 4, показанные на рис.11.30, а. Поэтому при формировании напряжений U₁ – U₄ коэффициенты К_U1 – – К_U4 и К_I1 – K _I4 должны быть подобраны так, чтобы особые точки совпадали с вершинами заданного четырехугольника, показанного на рис.11.30, а. Из (11.26) следует важный вывод о том, что фазные соотношения (иначе говоря, сдвиги фаз) между векторами сравниваемых напряжений U₁, U₂, U₃, U₄ соответствуют (а точнее, равны) фазным соотношениям между векторами (Z_p – Z₁), (Z_p – Z₂), (Z_p – Z₃), (Z_p – Z₄). Положение последних будет изменяться с изменением конца вектора Z_p = U_p/I_p, которое зависит от режима контролируемой сети. Для выявления фазных соотношений U₁ – U₄, при которых ИО должен срабатывать, рассмотрим, как будут изменяться фазные соотношения векторов (Z_p – Z₁),..., (Z_p – Z₄) при повреждении в зоне действия, охваченной четырехугольной характеристикой, когда Z_p = Z', и вне ее при Z_p = Z".

Как видно из векторной диаграммы на рис.11.30, а, в первом случае (соответствующем КЗ в зоне действия ИО) угол α' между крайними векторами рассматриваемой системы векторов (разности двух сопротивлений), а следовательно, и векторов U₁ – U₄ всегда больше 180° (α' > π). Во втором случае, соответствующем КЗ вне зоны действия ДЗ (рис.11.30, б), угол α" между крайними векторами всегда меньше 180° (α" < π). В третьем случае — при КЗ на границе срабатывания защиты угол α = 180° (на рис.11.30 не показан). В каждом из перечисленных случаев углы α между пучком векторов U₁ – U₄ будут такими же, как между пучками векторов сопротивлений. Это означает, что по фиксации факта расположения векторов U₁ – U₄, осуществляемой в схеме сравнения при α > 180°, на выходе схемы появится сигнал о срабатывании PC (ДО), а при α < 180° — сигнал о недействии реле (ДО).

Обнаружить отмеченные фазные различия в процессе сравнения фаз можно, сопоставляя знаки мгновенных значений синусоидальных напряжений U₁ – U₄ с помощью времяимпульсного метода.

Действительно, из рассмотрения диаграмм мгновенных значений сравниваемых напряжений u₁ – u₄ (рис.11.31, б) можно заключить, что при повреждении в зоне действия PC мгновенные значения u₁ – u₂ в каждый момент полупериода Т/2 = 0,01 с имеют разные знаки, совпадение их знаков исключается, так как векторы четырех напряжений всегда расположены в обеих полуплоскостях. Если же повреждение возникло вне плоскости, охваченной характеристикой (рис. 11.31, а), то в течение каждого полупериода имеет место хотя бы кратковременное совпадение знаков всех четырех напряжений. Таким образом, по совпадению и несовпадению фаз можно выявить зону КЗ и построить на этой основе PC с четырехугольной характеристикой. Совпадение или несовпадение знаков сравниваемых напряжений определяется с помощью специальной схемы сравнения.

Ф ункциональная схема PC с четырехугольной характеристикой срабатывания, построенная на сопоставлении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений, приведена на рис.11.32. В состав схемы входят четыре устройства: промежуточные измерительные трансформаторы напряжения ПТН и тока ПТТ, сигналы с которых поступают на формирователь сравниваемых напряжений ФИН; устройство формирования, состоящее из четырех элементов УФ1–УФ4, образующих четыре сравниваемых напряжения U₁ – U₄. Каждый формирующий элемент является сумматором, осуществляющим сложение напряжений, поступивших с ПТН и ПТТ; частотные фильтры Ф1-Ф4 служат для подавления высших гармоник, появляющихся в переходном режиме при КЗ на длинных ВЛ СВН (500-1150, а иногда и 330 кВ). В PC, предназначенных для ДЗ ЛЭП 110-220 кВ, частотные фильтры могут не применяться. В ФИН производится сравнение знаков мгновенных значений сформированных напряжений U_l – U₄. При одновременном совпадении знаков всех четырех напряжений на выходе ФИН появляется импульс напряжения U_c+ в течение времени их совпадения t_c. В случае несовпадения знаков формируется импульс U_нс– с t_нc.

При КЗ в зоне действия реле знаки сравниваемых напряжений различны. Отрицательный сигнал U_нс– о их несовпадении воздействует на элемент времени непрерывно в течение каждого полупериода и продолжается до прекращения КЗ. Поскольку продолжительность сигнала t_нс ≥ t_у (t_y — уставка элемента времени), то элемент времени срабатывает, и на его выходе через t = t_у появляется сигнал, означающий, что реле подействовало. При повреждении вне зоны в течение каждого полупериода изменения мгновенных значений u₁ – u₄ обязательно появляется положительный сигнал о совпадении знаков. Длительность сигнала о несовпадении t_нс будет всегда меньше Т/2, и элемент времени не успевает сработать (t_нс < Т/2).

Принципиальная схема PC с четырехугольной характеристикой срабатывания, выполненная на ИМС, изображена с некоторыми упрощениями на рис.11.33. Измерительный орган построен по структурной схеме и состоит из промежуточных трансформаторов напряжения TVL и тока TAL, сумматоров А1-А4, образующих сравниваемые напряжения U_l – U₄, устройства сравнения УС, содержащего формирователь импульсов несовпадения знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений ФИН и РО1. Данное PC предназначено для использования в сетях 110-330кВ, поэтому частотный фильтр не предусматривается. Все элементы схемы выполнены по унифицированным схемам, описанным в § 11.10.

К онтролируемые напряжения и токи U_p, и I_р подводятся к TVL и TAL, осуществляющим их преобразование, в результате которого на выходе TVL появляется напряжение U_п.н = K_п.нU_p, а на выходе TAL два разнополярных напряжения U_ПТ1 = К_ПТ1I_р и U_ПТ2 = –К_ПТ1I_р, снимаемые с зажимов Т1 и Т2 выходного делителя напряжения Rт₁, Rт₂ (рис.11.33). Эти напряжения поступают на вход схемы каждого устройства формирования УФ1-УФ4, выполняемых в виде сумматора на ОУ по схеме, рассмотренной в §2.19. Входные сигналы проходят через специально подобранные сопротивления к инвертирующему входу ОУ каждого сумматора по трем цепям: 1 — от TVL, 2 и 3 от TAL. В результате сложения сигналов на выходе сумматоров (А1-А4) образуются напряжения U₁ – U₄ по (11.26). Коэффициенты К_U и K_I в этих выражениях определяются сопротивлениями R и X, установленными во входных цепях сумматоров, и параметрами промежуточных трансформаторов (их коэффициентами трансформации и регулируемыми сопротивлениями R, на которые замкнуты встречные обмотки). Значения этих величин должны выбираться так, чтобы они обеспечивали формирование К_U и K_I, необходимые для образования напряжений U₁ – U₄, позволяющих получить PC с заданной характеристикой.

Поясним, как обеспечивается формирование К_U и K_I в схеме УФ. Характеристика срабатывания задается четырьмя особыми точками 1-4, которые являются вершинами четырехугольника (рис.11.34).

П оложение особых точек на комплексной плоскости определяется векторами комплексных сопротивлений Z_l, Z₂, Z₃, Z₄ (рис.11.34) и записывается в виде равенства Z_n = R_n + jX_n. Активные и реактивные составляющие R_n, X_n являются координатами особых точек. Знаки ортогональных составляющих этих точек зависят от квадранта комплексной плоскости, в котором расположена особая точка. Согласно (11.14) каждое сопротивление является функцией K_U и K_I соответствующего напряжения U₁ – U₄ (11.26). Коэффициенты К_U принимаются равными К_U1 = К_U2 = К_U3 = К_U4 = К. Коэффициент К_U реализуется с помощью резистора R1, включенного во вторичную цепь каждого сумматора, идущего с выхода TVL (рис.11.33). Коэффициенты K_I воспроизводятся посредством резисторов R и конденсаторов С. Применяются два способа формирования K_I: путем последовательного соединения R и С с включением их в цепь 2 или путем параллельного включения С в цепь 2 и резистора R — в цепь 3.

Коэффициент K_I1 для формирования особой точки с Z_l = = R₁ + jX_C1, расположенной в I квадранте комплексной плоскости Z, реализуется цепочкой R1 C1, подключенной между входом 1 сумматора А1 и зажимом Т1. Коэффициент — для особой точки во II квадранте, где Z₂ = –R + jX, реализуется цепочкой R2 С2, подключаемой к выходу Т1 и резистором R2'(в цепи 3 сумматора А2), подключенный к зажиму Т2 (противоположной полярности). Коэффициент , формирующий особую точку в III квадранте, где Z₃ = –R – jX_C3, реализуется цепочкой R3 С3, подключаемой к зажиму Т2. Коэффициент имитируется цепочкой R4 С4, подключаемой к точке 2 сумматора и к зажиму Т2, и резистором R5. Если требуется характеристика с α = π, то переключателем SB1 вместо R6 включается R5. Если рассматривается направленное PC, у которого вершина 3 характеристики срабатывания проходит через начало координат Z₃ = 0, будет равен нулю и коэффициент , и к сумматору A3 подведется только цепь напряжения от TVL. Для устранения "мертвой зоны", возникающей при U_p, = 0, и обеспечения четкой работы реле при близком КЗ к сумматору A3 подается напряжение E_п от устройства памяти, выполненного по схеме, приведенной на рис.11.18. При этом напряжение, формируемое на выходе A3, U₃ = K_UU_p+E_n.

Выходные сигналы с сумматоров с устройства формирования УФ (рис.11.33) в виде синусоидальных напряжений U₁ – U₄ приходят на вход схемы ФИН устройства сравнения УС. На рис.11.33 ФИН для упрощения изображен в виде структурного элемента. Схема ФИН представляет собой диодный селектор, выделяющий положительные и отрицательные значения напряжений U₁ – U₄, поступающих на его вход.

При одновременном совпадении знаков мгновенных значений четырех напряжений, характеризующем появление КЗ вне зоны, U_ВХ1 < U_ВХ2, и на выходе операционного усилителя возникает положительный импульс напряжения U_с+. Его продолжительность t_c равна длительности совпадения знаков в течение полупериода промышленной частоты: . Выходной сигнал УФИ U_нс– или U_c+ поступает на PO1.

В схемах ДЗ PC с четырехугольной характеристикой используется в качестве ДО II и III ступеней. При этом признано целесообразным применять реагирующий орган типа РО1, осуществляющий сравнение длительности сигнала несовпадения с заданной уставкой времени.

Реагирующий орган РО1 состоит (см. рис.11.27, а) из двух входных элементов диода VD1, пропускающего только положительные сигналы, и логического элемента D1; элемента задержки, выполненного с помощью транзистора VT1, конденсатора С1, резисторов R1, R2, R3, диода VD2; выходного элемента D2 и D3, работающего в режиме ключа. Логический элемент D2 выдает оперативный сигнал срабатывания реле. На схему подается напряжение от источника питания Е_п = + 15 В.

Работа схемы. При КЗ в зоне действия Z_p < Z_c.p, на вход РО от формирователя импульсов УФИ приходит сигнал отрицательной полярности U_нс– о несовпадении знаков сравниваемых напряжений. Этот сигнал существует непрерывно в течение каждого полупериода промышленной частоты t_нс = Т/2, пока длится КЗ. Как показано выше, при повреждении в зоне одновременное совпадение знаков всех четырех напряжений исключено. Появление отрицательного сигнала U_нс–закрывает диод VD1. При этом на элемент D1 через резистор R4, подключенный к шинке нулевого потенциала, подается логический сигнал 0, при котором на выходе D1 появляется сигнал 1, запирающий диод VD2 на все время, пока на РО1 поступает отрицательный сигнал несовпадения. В течение этого времени под действием напряжения источника питания U_и.п = + 15 В происходит заряд конденсатора С1 по контуру C1-R1-R2. По мере заряда конденсатора С1 потенциал базы транзистора VT1 возрастает и открытый до этого транзистор VT1 начинает закрываться, что приводит к повышению потенциала эмиттера в точке 2 и одновременно на входе логических элементов D2. Через заданное время t_y ≥ Т/2, определяемое постоянной времени зарядного контура C1, R = R₁ + R₃, потенциал точки 2 превышает U_n, при котором D2 переключается, и на его выходе возникает сигнал срабатывания PC. При появлении положительного сигнала U_c+ о совпадении сравниваемых напряжений, образующемся только при повреждении вне зоны действия PC или в режиме нагрузки, когда Z_p ≥ Z_c.p, диод VD1 открывается и пропускает на вход D1 сигнал положительного знака. При этом на выходе D1 возникает сигнал противоположного знака — логический сигнал 0, открывающий диод VD2. Последний замыкает цепь контура, по которому конденсатор С1 практически мгновенно разряжается через резистор R1, VD2 и выход D1. Входное напряжение на базе VT1 становится меньше напряжения на эмиттере, транзистор открывается, и входной сигнал на логическом элементе D2 снижается до уровня нулевой шинки. В результате этого на выходе инвертора D2 возникает логический сигнал 1, означающий недействие PC.

Сигнал U_c+ об одновременном совпадении знаков всех сравниваемых напряжений продолжается в течение времени t_c < Т/2.

В остальную часть полупериода (Т/2 – t_c) знаки сравниваемых величин не совпадают и на вход РО от ФИН приходит отрицательный сигнал U_нс–, во время которого начинается заряд конденсатора С1. Но так как продолжительность t_нс < Т/2, то напряжение на выходе элемента задержки (в точке 2), имеющего уставку t_y > Т/2, не успевает достигнуть значения U_пop, необходимого для срабатывания реле (выходного элемента D2). Уставка срабатывания принимается с некоторым запасом, равным 0,012-0,015 с.