книги из ГПНТБ / Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения

Недостаток такого реле — некоторая сложность схемной реа­ лизации, а также большое потребление при срабатывании по срав­ нению с рассмотренными выше схемами. Последнее объясняется тем, что амплитуда напряжения на входе выпрямителя должна быть существенно больше порога срабатывания. Импульсный ха­ рактер выходного сигнала реле при срабатывании требует приме­ нения в некоторых случаях специального преобразовательного уст­ ройства.

Существует также способ выполнения быстродействующих ре­ ле с одной входной величиной, когда порог срабатывания опреде­ ляется временем, в течение которого напряжение полуволны вы­ прямленной синусоиды превосходит заданное. Такие реле доста­ точно сложны, кроме того, порог срабатывания их существенно за­ висит от формы (напряжения, тока). Так, в предельном случае, когда полуволна синусоиды приближается к прямоугольному им­ пульсу (такая форма возможна при наличии рекуперации), время превышения и, следовательно, порог срабатывания вообще не зави­ сят от амплитуды входного напряжения (погрешность равна с»).

Более сложной проблема быстродействия представляется в ре­ ле, реагирующих на понижение входной величины (реле минималь­ ного напряжения). Напряжение на выходе выпрямителя понижает­ ся медленнее, чем входная величина, потому что в реальных схемах постоянная времени разряда тр>т3. В реле, реагирующих на ам­ плитудное значение выпрямленного напряжения, возможно даже Т з - > 0 , в то время как обычно тр^ (2-т-З) Т (где Т — период вход­ ного напряжения).

Аналогичные проблемы возникают в схемах сравнения двух и более входных переменных величин, например' в дистанционном реле, где обычно в момент короткого замыкания одна из входных величин возрастает (ток), другая уменьшается (напряжение). Вре­ мя срабатывания таких схем всегда больше, чем схем сравнения с

•одной входной переменной величиной. Для повышения быстродей­ ствия в этих случаях иногда вместо конденсатора включают на­ строенный на 1-ю гармонику выпрямленного напряжения последо­ вательный резонансный LC контур. Известны попытки повысить быстродействие путем расщепления выпрямленного тока на сла­ гающие, сдвинутые по фазе, и последующего их выпрямления. Су­ щественного увеличения быстродействия, однако, в этих схемах достичь не удается. Это объясняется наличием реактивных элемен­ тов L, С, что при скачкообразном изменении входной величины приводит к возникновению переходного процесса, замедляющего ■срабатывание.

Достаточно просто и эффективно повысить быстродействие в рассматриваемых случаях, выполнив ограничение сигнала на кон­ денсаторах фильтра несколько выше порога срабатывания. В схе­

120

денсаторе здесь осуществляется внешним ограничителем или непо­ средственно эмиттерным переходом транзистора (рис. 59, а, б).

В последнем случае режим работы схемы выбирается таким об­ разом, что нуль-индикатор срабатывает в момент, когда рабочая точка на входной характеристике выходит на начало горизонталь­ ного участка. Ограничение обеспечивается на уровне величины ба­ зового напряжения при максимальном токе базы.

Принципиальной особенностью данного способа ограничения является то, что во всех случаях напряжение ограничения выше напряжения срабатывания. При этом возможно обеспечить неболь­

выпрямительного элемента В2; Uorp — максимальное напряжение,, до которого заряжается конденсатор при наличии ограничения; U[ — напряжение, до которого конденсатор перезаряжается под воздействием возросшего напряжения на выходе выпрямителя В1. От начального напряжения UR при отсутствии ограничения или от Uогр при наличии ограничения до напряжения Ui конденсатор .пере­ заряжается по экспоненциальному закону. Из графика рис. 59, в видно, что быстродействие схемы зависит от уровня ограничения.

Приближенно оценить повышение быстродействия можно сле­ дующим способом. Пусть условия возникновения короткого замы­ кания таковы, что ток практически не возрастает и происходит только снижение напряжения. Это соответствует режиму, близкому к наихудшему, так как обычно т3> тр. Тогда для схемы без ограни­

121

действия может быть использован и в реле с одной входной вели­ чиной, реагирующем на повышение или понижение входной ве­ личины.

§ 25. Импульсные фазосравнивающие схемы

Различные принципы построения импульсных фазосравниваю­ щих схем широко освещены в литературе. Рассмотрим лишь неко­ торые из них, позволяющие наиболее простыми средствами соз­ дать устройство, способное работать в ограниченном диапазоне углов фуст между подведенными величинами U n i :

быть представлена в комплексной плоскости в виде лучей, исходя­ щих из начала осей координат (рис. 61, а и б).

Простейшей импульсной фазосравнивающей схемой являются реле [12], в которых одна из переменных величин преобразуется в импульсы, совпадающие с моментом ее перехода через ампли­ тудное или нулевое значение (вариант 1, табл. 3). Устройство сра­ батывает, если полярность мгновенного значения другой перемен­ ной и полярность сформированного импульса одинаковы. Реле определяет знак одной из переменных в момент импульса, соответ­ ствующего определенному мгновенному значению другой. Если на входе имеется фазосдвигающая цепочка, схема легко может быть превращена в реле направления мощности.

Другим видом фазосравнивающих устройств (вариант 2) явля­ ются времяшмяульсные схемы, в которых время совпадения зна­ ков переменных величин сравнивается с заданным [13]. В таких устройствах ширина зоны срабатывания определяется элементом, осуществляющим временную задержку, и легко может изменяться.

Возможно несколько иное выполнение .время-импульсных уст­ ройств (вариант 3), при котором осуществляется сравнение време­

123

симметрично относительно оси, соответствующей изменению знака одной из переменных, выбранной в качестве опорной. Однако в конструктивном отношении такая схема более сложна.

Одним из видов импульсных фазосравнивающих устройств яв­ ляются реле, в которых сравнение фаз двух электрических вели­ чин осуществляется на основании определения порядка следова­ ния их мгновенных значений (вариант 4). При этом в точках изме­ нения знака переменных формируют кратковременные импульсы, полярность которых соответствует изменению знака. При усло­ вии совпадения порядка следования импульсов с заранее выбран­ ной последовательностью появляется сигнал. Такой метод позволя­ ет относительно простыми средствами реализовать угловую харак­

полных сопротивлений. Время действия реле, в основу работы ко­ торых положен рассмотренный принцип действия, для двухимпульеного исполнения не превышает Т.

Используя различные комбинации чередования импульсов, мож­ но в значительной степени повысить помехоустойчивость реле. Что- ■бы уменьшить время срабатывания реле, логические схемы следует выполнять многотактными, т. е. реагирующими на несколько ком­ бинаций импульсов. В частности, при использовании четырехтакт­ ного варианта двухимпульсного исполнения можно получить мак­ симальное время действия реле, меньшее половины периода про-

>124

мышленной частоты, т. е. 10 мс. Максимальное время действия ре­ ле, основанного на рассмотренном принципе, определяется выраже­ нием

_ 2Т

‘ ср. макс — - ~ 5

где п — количество импульсов.

Однако использование рассмотренного варианта чередования импульсов вызовет значительное усложнение схемы.

В литературе имеются сведения об универсальных импульсных схемах сравнения двух переменных электрических величин по фа­ зе, обеспечивающих формирование угловых характеристик в лю­ бом диапазоне углов [15]. При этом (вариант 5) одна из полуволн сравниваемых величин преобразуется в серию кратковременных импульсов, которые сравниваются с одной из полуволн другой пе­ ременной величины. Число импульсов, совпадающих с этой полу­ волной, определяется угловым соотношением исследуемых вели­ чин. Реагирующим элементом такой схемы является счетчик импульсов. Объем, на который должен быть рассчитан счетчик, оп­ ределяется точностью реле, и шириной зоны срабатывания угло­ вой характеристики.

Рассмотрим возможность применения этого метода для получения фазоограничения угловой характеристики дистанционной защиты 27,5 кВ. Для этой характеристики зона срабатывания заключается между углами <руСт. макс и сруст. мин и составляет приблизительно 60°. Если одна из полуволн синусоиды входной величины преобразуется в 24 импульса со скважностью о = 2 и счетная схема выполнена на основе двоичного счетчика, использующего триггеры, то для полу­ чения заданной характеристики необходимо иметь три разряда (т. е. три триггера). При этом может быть допущена погрешность, дости­

гающая Ь= ~ = 7,5°. Для получения точности, при которой погреш­ ность не превышает 2°, необходимо всю полуволну разбить на m = = -тр- = 90 интервалов и для формирования заданной характеристики произвести отсчет

Для отсчета такого количества импульсов нужно применять пятиразрядный двоичный счетчик (N=m n, т. е. 32= 25). Следова­ тельно, фазосравнивающие схемы, основанные на отсчете опреде­ ленного количества импульсов, достаточно сложны и не могут най­ ти широкого применения для формирования угловых характери­ стик реле.

Во всех рассмотренных схемах быстродействие определяется частотой изменения измеряемых величин. Так, для частоты 50 Гц быстродействие большинства схем ограничивается временем

125

tcp^T, т. e.. 20 мс. В принципе быстродействие определяется мгно­ венными значениями переменных в момент возникновения режима, соответствующего условиям срабатывания, и может быть меньше указанного.

Наиболее просто получить интересующую нас характеристику с

сдвигающее устройство, которое обеспечило бы плавное изменение наклона характеристики в достаточно широком диапазоне углов. Однако осуществить плавный поворот характеристики в широком

женную в комплексной плоскости с любым диапазоном изменения угла срабатывания (вариант 6), легко получить, если одну из пе­ ременных преобразовать в импульсы, совпадающие с моментом ее перехода через нулевое значение. Другая переменная преобразу­ ется в импульс, ширина которого соответствует зоне срабатыва­ ния реле и который сдвинут относительно момента перехода пере­ менной через нулевое значение на угол фуст мин- В результате срав­ нения этих импульсов сигнал на выходе схемы совпадения может появиться только тогда, когда соблюдается условие (242). Макси­ мальное время действия такого реле также не превосходит одно­ го периода (рис. 62).

Основываясь на рассмотренном принципе, легко получить и ре­ ле направления мощности. В этом случае ширина импульса, опре­ деляющего зону работы реле, должна составлять 180°. При уело-

Рис. 62. Элемент схемы времяимпульсного реле (а), схема замещения его входно­

го каскада (б), диаграмма, поясняющая образование угловой погрешности (в),

. Uбо

изависимость угловой погрешности от отношения тт— (г)

ит

126

t

вии, что элемент, осуществляющий формирование этого импульса, будет иметь прямой и инверсный выходы, время действия реле мо­ жет быть снижено до 10 мс (рис. 63).

Рассмотренные фазосравнивающие схемы являются быстродей­ ствующими и по принципу действия подвержены влиянию различ­ ных искажающих факторов. Одним из граничных (предельных) режимов для импульсных фазосравнивающих схем является ра­ бота их в условиях переходных процессов в первичных и вторич­ ных цепях.

При появлении в токе или в напряжении апериодической со­ ставляющей моменты перехода их через нулевое значение сдвига­ ются на некоторый угол, определяемый величиной апериодической составляющей. Это может вызвать нарушение нормальной работы фазосравнивающей схемы. Кроме того, при наличии апериодиче­ ской составляющей возможно возникновение и развитие переход­ ных процессов во вторичных цепях реле, что может также приве­

Точность работы всех рассмотренных вариантов фазосравнива­ ющих схем определяется точностью формирования импульсов в моменты, соответствующие определенным мгновенным значениям переменных, и точностью работы схем сравнения. Очевидно, если

127

Граничным для фазосравнивающих схем является режим при малых значениях входных переменных.

Рассмотрим, как образуется угловая погрешность при формирова­ нии импульса, соответствующего моменту перехода переменной через

ветствующей варианту 6 (рис. 64, а и в). Пусть к транзистору Т 1 приложено синусоидальное напряжение u = Umsinutf. В момент t\ значение напряжения соответствует напряжению срабатывания, что для рассматриваемой схемы эквивалентно напряжению базовой отсечки транзистора:

U с*р — U бо “ U m S in О'it.

Полагая, что в момент tx угловая погрешность элемента равна б, получим

Это выражение является приближенным, поскольку оно не учиты­ вает насыщения транзистора. Для получения точного выражения рассмотрим схему замещения выходного каскада элемента форми-

128

рования импульсов (рис. 62, б), на которой R i — сопротивление

эмиттер транзистора, приведенное к первичной обмотке трансфор­ матора; хт— сопротивление цепи намагничивания;

где « — коэффициент трансформации трансформатора Тр1.

получим точное выражение для определения угловой погрешности, вносимой схемой формирования импульсов:

Одним из мероприятий по предотвращению неправильных дей­ ствий импульсной фазосравнивающей схемы при переходных ре­ жимах является замена апериодического переходного процесса колебательным [13]. Обычно это достигается включением в вход­ ные цепи реле резонансных контуров, настроенных на частоту 1-й гармоники входного напряжения или тока. Этим обеспечивает­ ся достаточный уровень для срабатывания реле в течение опреде­ ленного времени при снижении напряжения на шинах подстанции. Кроме того, в значительной степени снижается влияние высших гармонических составляющих на работу реле.

Исключить неправильные действия фазосравнивающей схемы позволяет также увеличение времени. ее действия. В частности, это легко достигается при использовании способа двойного срав­ нения фаз.

В этом случае полностью устраняется неправильное действие реле в условиях переходного процесса. Однако это приводит к значительному усложнению реле, а время действия увеличивает­ ся до времени завершения переходного процесса.

5— 8264