11. Реле сопротивления на примере шдэ-2801

Структурная схема РС

U, I — соответственно междуфазное напряжение и разность фазных токов, подводимые к PC;

kU', kU" — напряжения, подводимые к блоку памяти, пропорциональные междуфазным напряжениям других фаз;

U_вых — выходной сигнал PC;

ДН, ДТ — датчики (преобразователи) напряжения и тока, имеющие на своих выходных зажимах напряжения, пропорциональные соответственно сигналам U и I;

П — блок памяти, формирующий и запоминающий на определенное время напряжение поляризации реле и обеспечивающий правильное действие PC при близких повреждениях;

Ф₁ – Ф_n — формирователи сравниваемых синусоидальных величин;

ФИН – формирователь импульсов несовпадения, которые имеют положительную полярность при совпадении полярностей сравниваемых величин E₁ – E_n и отрицательную – при их несовпадении.

РО – реагирующий орган;

СС – схема сравнения величин по фазе, состоящая из ФИН и РО.

Е ₁, Е₂, …, Е_n - линейные функции U и I:

V1 v2 Схема формирования импульсов несовпадения

Вход ФИН представляет собой диодный селектор положительных и отрицательных сигналов, выполненный на диодных сборках V1 и V2, которые через резисторы R1 и R2 поступают на вход ОУ А1, формирующего импульсы несовпадения и совпадения сравниваемых величин. Через резисторы R3 и R4 на входы 5 и 4 усилителя подаются соответственно положительные и отрицательные напряжения от источника питания ±15 В, приводящие при отсутствии входных сигналов к положительному сигналу на выходе ОУ, так как потенциал неинвертирующего входа 5 превышает потенциал инвертирующего входа 4.

При несовпадении знаков мгновенных значений величин открыт хотя бы 1 из диодов селектора положительных сигналов. При этом через резистор R2 протекает ток, потенциал точки 4 увеличивается и становится положительным. При несовпадении знаков величин открыт также хотя бы один из диодов селектора отрицательных сигналов. При этом через резистор R1 протекает ток, потенциал точки 5 уменьшается и становится отрицательным. Это приводит к тому, что потенциал инвертирующего входа 4 превышает потенциал неинвертирующего входа 5 и на выходе ОУ появляется отрицательный импульс, длительность которого пропорциональна времени несовпадения по знаку сравниваемых величин.

Схема реагирующего органа РО2

V2

Реагирующий орган 2 вида обеспечивает сравнение времени несовпадения с временем совпадения и используется для формирования круговых, а также эллиптических или составных характеристик, образованных пересечением нескольких окружностей. РО2 применяется для РС I ступени.

РО2 выполнен на основе интегратора А1 и логических элементов D2.3 и D2.4. На входе РО2 включены балластный резистор R53, выпрямительный мост V2, стабилитрон VD14, выпрямительные диоды VD15 и VD16, балластные резисторы R60 и R61 и конденсатор C18 для повышения помехоустойчивости схемы. В цепи обратной связи ОУ А1 включены интегрирующий конденсатор С17 и диод VD17, защищающий входы логических элементов D2.3 и D2.4 от больших отрицательных напряжений.

+ и – импульсы, поступающие на вход РО2, стабилизируются по амплитуде с помощью моста V2 и стабилитрона VD14. Это исключает отклонения реальных характеристик срабатывания РС от расчетных.

Стабилизированные импульсы выпрямляются диодами VD15 и VD16 и через резисторы R60 и R61 подводятся к инвертирующему входу ОУ А1. На выходе диода VD15 формируются + импульсы с амплитудой +U_ст, а на выходе диода VD16 – отриц. импульсы с амплитудой –U_ст. В нормальном режиме длительность + импульсов совпадения величин превышает длительность ­­– импульсов несовпадения. При этом диод VD17 открыт, конденсатор С17 практически разряжен (на С17 сохраняется небольшой отрицательный потенциал, равный порогу открытия диода VD17), а на выходах D2.3 и D2.4 присутствуют логические сигналы 1.

При возникновении КЗ на защищаемой ВЛ на выходе диода VD16 появляется ­– напряжение –U_ст. При этом начинается заряд С17 током, протекающим через резистор R61. Срабатывание РО происходит при превышении напряжения на С17 величины порогового напряжения, при котором происходит переключение элементов D2.3 и D2.4, а на их выходах появляются логические сигналы 0. При этом загорается диод VD20, сигнализируя о срабатывании РС I ступени.

Схема реагирующего органа РО1

Реагирующий орган 1 вида обеспечивает сравнение времени несовпадения с заданным и используется для формирования многоугольных характеристик. РО1 применяется для РС II и III ступени.

РО1 выполнен с использованием логических элементов D1.1, D1.2, D1.3 и транзистора VT1. Диод VD10 защищает вход элемента D1.1 от отрицательного напряжения. В нагрузочном режиме и при КЗ вне зоны действия II ступени на выходе ФИН присутствуют + импульсы напряжения, под действием которых диод VD10 открывается и к входу логического элемента D1.1 подводится логический сигнал 1. При этом на выходе элемента D1.1 появляется импульсный сигнал 0 и конденсатор С15 через резистор R55 и диод VD12 практически мгновенно разряжается. В указанных режимах на выходе ФИН могут присутствовать – импульсы, длительность которых пропорциональна времени несовпадения сравниваемых величин. Под действием этих импульсов диод VD10 закрывается и через резистор R51 к входу D1.1 подводится сигнал 0, в результате чего на его выходе появляется сигнал 1. При этом диод VD12 закрывается и начинается заряд конденсатора С15 от источника питания +15В через резисторы R54 и R55.

Однако срабатывания РО1 не происходит, так как длительность несовпадения знаков сравниваемых величин <10 мс и потенциал эмиттера VT1, примерно равный потенциалу его базы, не превышает величины порогового напряжения, при котором происходит переключение логических элементов D1.2 и D1.3. В указанном режиме на выходе D1.2 и D1.3 присутствуют логические сигналы 1.

При возникновении КЗ в зоне действия РС на выходе ФИН появляется отрицательное напряжение, а на выходе D1.1 постоянно присутствует логический сигнал 1. В этом режиме потенциал эмиттера VT1 через заданное время превысит величину порогового напряжения и произойдет переключение D1.2 и D1.3, тогда на их выходах появятся логические сигналы 0 и начинает светиться светодиод VD18, сигнализируя о срабатывании РС II ступени.

Характеристика срабатывания РС I ступени

Характеристика срабатывания PC I ступени ДЗ в комплексной плоскости сопротивления имеет форму, близкую к окружности, проходящей через начало координат, с углом максимальной чувствительности, равным 75°± 4°, с соотношением осей при 𝜑 = 𝜑_м.ч. + 90°, равным 1,0±0,15.

Для любых точек Z=Z’, находящихся внутри заданной характеристики, наибольший угол между векторами Z-Z₁, Z-Z₂ и Z по абсолютному значению α’>α_ср, а для точек Z=Z’’, находящихся вне характеристики, α’’<α_ср, при этом α_ср≈120° (угол срабатывания).

Собственное время срабатывания РО2 для РС I ступени выбрано больше 10 мс, что улучшает стабильность характеристики РС I ступени в УР и переходном режиме КЗ.

Характеристика срабатывания РС II ступени

Имеет форму четырехугольника со смещением его относительно начала координат в III квадрант не более чем на 6 % относительно Z_y (уставка сопротивления срабатывания). Предусмотрены две ступени регулирования наклона правой боковой стороны четырехугольника: b/а = 0,3; b/а = 0,6. где а = Z_у /2; b — отрезок оси R между началом координат и правой боковой стороной четырехугольника.

Верхняя и нижняя стороны четырехугольника имеют наклон минус 5° по отношению к оси R. Вершины четырехугольника, расположенные в I, II и III квадрантах комплексной плоскости Z, имеют следующие координаты по оси R:

в I квадранте: 0,85 Z_y ± 15 %;

во II квадранте: 0,5 Z_y ±20%;

в III квадранте: 0,3 Z_y ± 20 %

Для любых точек Z=Z’, находящихся внутри заданной характеристики, наибольший угол между векторами Z-Z₁, Z-Z₂, Z-Z₃ и Z-Z₄ по абсолютному значению α’>π, а для точек Z=Z’’, находящихся вне характеристики, угол α’’<π.

Данная характеристика обеспечивает надежное резервирование при близких повреждениях.

Уставка по длительности РО1 для РС II ступени выбрана примерно равной 15 мс, что улучшает стабильность характеристики РС II ступени в режимах КЗ.

Временные диаграммы

Временные диаграммы работы схемы сравнения с реагирующим органом РО2:

а - КЗ вне зоны действия;

б - КЗ в зоне действия

РС срабатывает при превышении интегрального значения e_и величины порогового напряжения U_п.

Временные диаграммы функционирования схемы сравнения с реагирующим органом РO1:

а - КЗ вне зоны действия;

б - КЗ в зоне действия

РС срабатывает при превышении интегрального значения e_и величины порогового напряжения U_п.

Характеристика срабатывания РС III ступени

Характеристика срабатывания PC III ступени имеет вид треугольника Z₁, Z₂, Z₃ с вершиной Z₃, расположенной в начале координат. Cтopoнa Z₃Z₂ имеет наклон к оси R 115° ± 5°, a cторона Z₁Z₃ - наклон 47° ± 5° или 35° ± 5°. Угол наклона стороны Z₂Z₁ к оси R находится в диапазоне от минус 15° до 0°.

Такое построение характеристики обеспечивает лучшую отстройку от нагрузочных режимов и возможность дальнего резервирования.

Для любых точек Z=Z’, находящихся внутри заданной характеристики, наибольший угол между векторами Z-Z₁, Z-Z₂ и Z-Z₃ по абсолютному значению α’>π, а для точек Z=Z’’, находящихся вне характеристики, угол α’’<π.

Выдержка времени РО1 для РС III ступени выбрана примерно равной 20 мс, что улучшает стабильность характеристики срабатывания.

Полная схема формирования сравниваемых величин ДЗ

Реле сопротивления I ступени. Величины Е₁, Е₂, Е₃ для РС 1 ступени ДЗ_о формируются на выходах блоков А7, А8, А9. При этом коэффициент k₁₁ реализуется c помощью одинаковых резисторов R24, R26, R27 в блоке С101, а также делителя R1, R4 и трансформатора напряжения TV1 в блоке Д102. Изменение коэффициента k₁₁ определяющего масштаб характеристики РС I ступени, производится регулировкой уставки в блоке датчиков напряжения Д102. Коэффициент k₁₂ является комплексным числом и реализуется с помощью активно-емкостной цели R8, C6, подключаемой через выход Х1:4А в блоке Д103 к трансформатору тока TA1. Коэффициент k₂₂ также является комплексным числом и реализуется цепью R9, С7 и резистором R25, подключаемыми соответственно через выводы Х1:4А и Х1:4В к трансформатору тока ТА1. Коэффициент k₃₂ равен нулю, так как характеристика проходит через начало координат, а сравниваемая величина Е₃ в РС I ступени равна:

Е₃= k₁₁U + Е_П

где Е_П, — напряжение, вводимое в величину Е₃ с блока «памяти» П и образованное, например, при междуфазном замыкании АВ напряжением неповрежденной фазы С. Блок «памяти», реализуемый на основе 0У А10, является селективным фильтром с двумя суммирующими входами и двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи. Настройка фильтра на промышленную частоту обеспечивается подстроечным резистором R50. Напряжение «памяти», формируемое на выходе П, например, для РС АВ образуется суммированием напряжений, снимаемых с части вторичных витков трансформаторов напряжения ТV1, включаемых на междуфазные напряжения ВС и СА. При этом с выхода трансформатора фазы СА снимается напряжение, пропорциональное U_CA, а с выхода трансформатора фазы ВС — напряжение, пропорциональное минус U_ВС. Результирующее напряжение, снимаемое с выхода ОУ А10, пропорционально напряжению неповрежденной фазы U_C0. При этом необходим поворот по фазе на угол 90 градусов для обеспечения совпадения фаз суммируемых токов на входе ОУ А9. Указанное реализуется дифференцирующим звеном на основе конденсатора С9, а ток I_П протекающий через конденсатор С9 и совпадающий по фазе с током, протекающим через резистор R27, определяется из соотношения

,

где - коэффициент пропорциональности.

Аналогичным образом выполняются блоки «памяти» для РС фаз ВС и СА.

С выходов формирователей на ОУ А7, А8, А9 сравниваемые величины Е₁, Е₂, Е₃ поступают на выход двухполупериодного формирователя импульсов несовпадения по знаку мгновенных значений сравниваемых величин ФИН.

Напряжение, сформированное на выходе ФИН, поступает на вход реагирующего органа РО2.

Реле сопротивления II ступени. Для формирования особых точек Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ РС II ступени формируются величины Е₁-E₄, которые снимаются соответственно с выходов сумматоров A1-A4. Коэффициент k₁₁ реализуется посредством резисторов R13, R14, R16, R18 и соответствующего блока датчиков напряжения. Коэффициент k₁₂ реализуется целью R1, С1, подключаемой к выводу Х1:14А в блоке Д104. Коэффициент k₂₂ реализуется цепью R2, С2, подключаемой к выводу Х1:14А в блоке Д104, и резистором R15, который подключается к выводу Х1:4А блока Д104.

Коэффициент k₃₂ реализуется резистором R17, подключаемым к выводу Х1:4А блока Д104, а коэффициент k₄₂ — цепью R3, СЗ, подключаемой к выводу Х1:4А блока Д104, и цепью R4, R19 (переключатель SB1 ”е” разомкнут, что соответствует ) или цепью R19 (переключатель SB1 ”е” замкнут, что соответствует ), подключаемой к выводу Х1:14А блока датчиков тока Д104. С выходов сумматоров А1-А4 сравниваемые величины поступают на вход двухполупериодного формирователя импульсов несовпадения ФИН, принцип действия которого описан выше. Напряжение, сформированное на выходе ФИН, поступает на вход реагирующего органа РО1.

Реле сопротивления III ступени. Для формирования особых точек Z₁, Z₂, Z₃ характеристики срабатывания РС III ступени формируются величины Е_1, Е_2, Е₃, которые снимаются соответственно с выходов сумматоров на ОУ А5, А6, А9. Особая точка Z₃ для РС I и III ступеней находится в начале координат комплексной плоскости, поэтому сигнал, снимаемый с выхода сумматора А9, является общим для РС I и III ступеней. Коэффициент k₁₁ реализуется с помощью резисторов R20, R21 для Z₁ и R22 для Z₂ и блока преобразователей напряжения Д102. Коэффициент k₁₂, реализуется цепью R5, R6, С4, подключаемой к выводу X1:4B в блоке Д104. Коэффициент k₂₂ реализуется цепью R7, С5, подключаемой также к выводу Х1:4В в блоке Д104, и резистором R23, который подключается к выводу Х1:4А в блоке Д104. Коэффициент k₃₂ и вектор Z₃ равны нулю, так как характеристика проходит через начало координат. Принцип формирования вектора Е₃ описан выше, при описании РС I ступени.

В блоке реле сопротивления типа С101 предусмотрена возможность дискретной регулировки наклона правой боковой стороны характеристики срабатывания РС III ступени по отношению к оси активных сопротивлений с 47°±5° до 35°±5°. Указанное осуществляется посредством удаления резисторов R6 и R21 с печатной платы блока С101.

С выходов сумматоров A5, A6 и А9 сравниваемые величины поступают на вход двухполупериодного формирователя импульсов несовпадения ФИН, аналогично описанному выше. Напряжение, сформированное на выходе формирователя ФИН, поступает на вход реагирующего органа РО1.

Блокировка при качаниях

Схема пускового органа блокировки ДЗ при качаниях

Пусковой орган блокировки (ПОБ) реагирует на приращение тока обратной последовательности ∆I₂/∆t, обеспечивая работу защиты при несимметричных КЗ. Для повышения чувствительности к симметричным КЗ ПОБ имеет дополнительный канал, реагирующий на приращение тока прямой последовательности ∆I₁/∆t.

I_A, I_B, I_C – фазные токи, подводимые к блоку преобразователей тока

kI_AB, kI_BC – напряжения, пропорциональные разности фазных токов

k’I₂, k’’I₁ – напряжения, пропорциональные соответственно токам обратной и прямой последовательности

u₀ – опорное напряжение, задающее минимальную уставку по току срабатывания ПОБ

u₁, u₂ – выходные сигналы, соответственно чувствительного и грубого реагирующих органов

ДТ – блок преобразователей тока

ФТОП и ФТПП – фильтры тока обратной и прямой последовательностей, формирующие сигналы, пропорциональные соответственно токам обратной и прямой последовательностей

Е1 и Е2 – идентичные каналы, выделяющие соответственно приращения величин k’I₂ и k’’I₁.

Ф – инвертирующий полосовой фильтр, настроенный на промышленную частоту

С – суммирующий усилитель

И – инвертирующий усилитель

СОИ и СПИ – селекторы, соответственно отрицательных и положительных импульсов напряжения

ИЦ – интегрирующая цепь

РО1 и РО2 – соответственно чувствительный и грубый реагирующие органы

ИЛИ1, ИЛИ2 – логические схемы ИЛИ, объединяющие сигналы с выходов каналов I₂ и I₁.

Получение характеристики на сравнении фаз в виде окружности

Принцип сравнения двух электрических синусоидальных величин по фазе:

,

где – угол, на который отстает от .

В виде функций тока и напряжения:

Приняв , получим:

Аргумент произведения равен сумме аргументов множителей.

Введем обозначение: .

Условия срабатывания:

Точка Z при 𝜑₁ − 𝛽 ≠ 0, 𝜑₁ − 𝛽 ≠ ±𝜋 представляет собой вершину постоянного угла, опирающегося на заданные точки 𝑎 и 𝑏. Геометрическое место таких точек – дуга.

Угол равен π – (𝜑₁ – 𝛽) по свойству четырехугольника, вписанного в окружность.

Для того, чтобы характеристика в комплексной плоскости представляла собой полную окружность, необходимо, чтобы угол, на который вектор 𝑎 − 𝑍 отстает от вектора 𝑏 − 𝑍, был равен 𝜑₁ − 𝛽 + 𝜋 (Z = Z’ для дуги окружности ).

Необходимо выполнить условие:

Точка m принадлежит области срабатывания, если:

Точка n соответствует области срабатывания, если:

Получение характеристики на сравнении фаз в виде прямой

При 𝜑₁ − 𝛽 = 0 точка Z располагается на прямой, соединяющей точки 𝑎 и 𝑏, вне отрезка 𝑎𝑏. Для того, чтобы характеристика в комплексной плоскости представляла собой всю прямую, уравнение:

должно удовлетворяться точкой Z’ на отрезке 𝑎𝑏. Для этой точки , следовательно, 𝜑₂ − 𝛽 = 𝜋.

Z’’ находится в зоне срабатывания, т.к.

Z’’’ – вне зоны срабатывания, т.к.

Зона срабатывания расположена слева от прямой при движении в направлении от точки 𝑎 к точке 𝑏.

Если 𝜑₁ − 𝛽 = −𝜋, уравнению соответствуют точки на отрезке 𝑎𝑏, значение на продолжениях отрезка ab за точки a и b, т.е. для характеристики в виде прямой, необходимо выполнение условия 𝜑₂ − 𝛽 = 0.

В этом случае, Z’’ находится вне зоны срабатывания, т.к. не выполняется условие:

Z’’’ – в зоне срабатывания. Зона срабатывания расположена справа от прямой при движении в направлении от точки 𝑎 к точке 𝑏.