Глава вторая принципы построения измерительных и логических органов релейной защиты
2.1. Общие принципы конструктивного исполнения реле
Элементная база. В устройствах РЗ и электрической автоматики применяются реле, выполняемые на базе электромеханических конструкций, на полупроводниковых приборах, изготавливаемые из отдельных диодов, транзисторов и вспомогательных деталей (резисторов, конденсаторов, трансформаторов). В последнее время широкое распространение получили полупроводниковые реле, основанные на полупроводниковых интегральных микросхемах [34].
Электромеханические реле и выполняемые на их основе РЗ обладают большими габаритами, значительным потреблением мощности, требуют тщательного и трудоемкого ухода за состоянием подвижных частей и коммутационных контактов, имеют ограниченные возможности в обеспечении повышенных требований в части быстродействия и чувствительности.
В 60-х годах, когда в электронной технике получили широкое применение полупроводниковые приборы, они стали использоваться и в РЗ. Сначала появились реле, построенные из отдельных (дискретных) полупроводниковых приборов, соединяемых с помощью монтажных проводников. Такое исполнение позволяло несколько уменьшить габариты и потребление мощности реле, повысить чувствительность и быстродействие. Однако слабой стороной таких реле оказались многочисленные и трудноконтролируемые пайки в соединительных цепях и большое число полупроводниковых элементов [16].
Новые возможности для совершенствования РЗ появились в 70-х годах в связи с появлением ИМС, которые состоят из большого числа транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединенных по типовым схемам. Все указанные элементы и связи с ними выполняются в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины, называемой подложкой, с помощью специальной интегральной технологии. Все полупроводниковые компоненты, входящие в состав микросхемы, являются органической частью полупроводниковой пластины и неотделимы от нее. Поэтому каждая ИМС является самостоятельным неделимым элементом, выполняющим определенную функцию. В микросхемах, используемых в устройствах РЗ, может находиться от нескольких десятков до 100 элементов и более, но несмотря на это размеры ИМС соизмеримы с размером одного транзистора. Элементом реле становится микросхема, что уменьшает число составных частей реле и упрощает схему защиты.
Применение ИМС позволяет существенно сократить габариты, массу, потребляемую мощность и повысить надежность РЗ. Интегральные микросхемы помещены в герметический корпус и защищены от влияния внешней среды, что значительно повышает их надежность; успешно решается задача по снижению габаритов, потребления и стоимости аппаратуры. Построение реле на ИМС существенно упрощает и снижает трудоемкость эксплуатационного обслуживания устройств РЗ в целом. Открываются возможности улучшения всех параметров реле и усовершенствования характеристик срабатывания. Отечественная промышленность серийно выпускает реле и РЗ на ИМС [42-44].
Перспективным направлением дальнейшего совершенствования РЗ является их построение на базе микропроцессоров. В нашей стране ведутся разработки и подготовка к производству РЗ на микропроцессорах.
Структурная схема измерительных органов и их классификация. При всем многообразии измерительных органов (ИО) в их структуре имеются четыре функциональных части, общие для всех разновидностей:
воспринимающая 1 - входная часть ИО (рис.2.1), которая принимает поступающие от измерительных ТТ и ТН защищаемого объекта сигналы (на рис.2.1 показано реле, реагирующее на два сигнала: ток I и напряжение U) и превращает их в величины, пригодные для использования в данной конструкции реле;
преобразующая 2 (формирующая), которая, получив сигналы от воспринимающей части, преобразует их в сравниваемые величины;
сравнивающая 3, которая производит сравнение сформированных величин по абсолютному значению или фазе с заданной величиной или между собой и по результату сравнения выдает сигнал о срабатывании или недействии реле;
и
сполнительная
4, которая
усиливает выходной сигнал и воздействует
на управляемую
цепь.
У реле, работающих с выдержкой времени, имеется пятая функциональная часть, осуществляющая замедление действия реле.
Измерительные органы (реле), реагирующие на электрические величины, можно подразделить на три группы:
измерительные органы (ИО), реагирующие на одну электрическую величину: ток или напряжение;
ИО, реагирующие на две электрические величины: ток и напряжение сети или два напряжения UI и UII , каждое из которых является функцией тока и напряжения сети;
ИО, реагирующие на три электрические величины или более, например: три тока и три напряжения сети или несколько напряжений, представляющих линейные функции токов и напряжения сети.
К первой группе относятся ИО тока и напряжения. Ко второй принадлежат однофазные ИО мощности, сопротивления и некоторые другие. К третьей относятся трехфазные реле мощности, многофазные реле сопротивления и другие устройства.
В данной главе рассматриваются наиболее распространенные принципы устройства основных типов электромеханических реле и ИО, выполненных на интегральных микросхемах, применяемые во всех видах защит.
Принципы действия и устройство ИО, предназначенные для отдельных защит – дифференциальных, дистанционных и других, рассматриваются в главах, посвященных этим защитам.