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

Электронные реле времени находят широкое применение в уст­ ройствах автоматики, телемеханики и релейной защиты для изме­ рения и формирования временных интервалов. В зависимости от назначения их время действия может иметь множество значений, изменяясь от миллисекунд до нескольких минут и даже часов. Требования, предъявляемые к этим реле в отношении точности формирования временных интервалов, различны. В большинстве случаев для устройств автоматики и релейной защиты приемлема точность порядка единиц процентов, иногда она лежит в пределах

ниц миллисекунд до десятков секунд широкое применение нахо­ дят реле, в которых используется переходный процесс заряда, разряда или перезаряда конденсатора в апериодической цепи (конденсаторные реле времени). Для устройств релейной защиты такие реле являются особенно целесообразными, поскольку они автономны, готовы к действию в любой момент времени, даже пос­ ле кратковременных перерывов питания, характеризуются высо­ кими показателями и для их реализации требуется малое коли­

130

момент времени ключ К был разомкнут, а напряжение на конден­

саторе Uc ( 0)=0. В момент замыкания ключа конденсатор начи­ нает заряжаться. Если параллельно конденсатору включить поро­ говое устройство, то оно сработает, когда напряжение на конден­

ключа напряжение на конденсаторе начинает уменьшаться. В мо­ мент, когда напряжение на входе порогового устройства ПУ станет меньше установленного уровня (здесь применяют пороговое устрой­ ство, реагирующее на понижение напряжения), реле сработает.

В схеме с перезарядом (рис. 67, а) конденсатор предваритель­ но заряжен до некоторого напряжения -{-Eni и после переключения ключа К перезаряжается до напряжения противоположного зна­ ка •— Еп2. В общем случае {Е^Ф Е^ ) . В момент, когда напряже­ ние на конденсаторе становится равным С/ср> реле срабатывает.

В общем случае изменение напряжения на предварительно за­ ряженном до ис {0) конденсаторе при включении его на произволь­

а) Emh

Поэтому изменение напряжения на конденсаторе

напряжение на конденсаторе до начала переходного процесса и после его окончания

и ср

Для схемы с перезарядом, учитывая, что (/н и 1/к имеют разные знаки (Ua = Дщ и Uк = — Дп2) и тэ = т, получим

132

§ 27. Дестабилизирующие факторы, влияющие на точность конденсаторных реле времени

Время срабатывания рассмотренных реле может изменяться под воздействием изменяющихся условий внешней среды (темпе­ ратуры, влажности и др.), а также вследствие старения. Это опре­ деляется тем, что все входящие в формулу (250) величины (т, Un, Uк, UСр) не остаются постоянными и изменяются в зависимости от разных факторов. Величина т зависит от R и С, а также от со­ противления утечки конденсатора и нуль-индикатора, величины R и С — от температуры окружающей среды и изменяются вслед­ ствие старения. Напряжения, которые были на конденсаторе в н а ­ чале Uu и в конце UK процесса, зависят в общем случае от напря­ жения питания, утечек конденсатора и нуль-индикатора либо по­ рогового устройства. Величина £/ср определяется стабильностью и точностью нуль-индикатора (порогового устройства), а также из­ меняется во времени или при изменении условий окружающей среды.

Рассмотрим составляющие погрешностей в схемах идеализи­ рованных реле, в которых отсутствуют утечки конденсатора и нуль-

133

Аналогично рассмотренному можно определить погрешности от изменения напряжений £ пь £ п2 и £/ср:

для схемы заряда Еni = 0; 8еш =0;

134

При одновременном изменении Ещ и Еп2 погрешности §шп1 и 8^ п2 вычитаются:

бшср в рассмотренных схемах имеют минимумы по величине к, в чем нетрудно убедиться, взяв производные от соотношений (256) — (259), (263) — (265) по к и приравняв их нулю. Минимальные по­ грешности свойственны точке экспоненты с максимальной крутиз­

лучшим использованием напряжения источника питания, что име­ ет место в схеме рис. 67, б, где осуществляется переключение к од­ ному источнику Еп. При увеличении напряжения питания в схе­ мах с зарядом и разрядом в 2 раза эти погрешности равны.

Схема с перезарядом, как видим, имеет меньшие погрешности, вызванные .изменением напряжения питания. Это казалось бы не­ существенным, если учесть, что может быть легко осуществлена стабилизация напряжения, например, с помощью кремниевых ста­ билитронов. Однако современные кремниевые стабилитроны име­ ют температурный коэффициент стабилизации напряжения 6ст^(0,05-Н),1)0/о/0С. Это означает, что при верхней границе в схе­ ме с зарядом, когда «1=0,63 (весовой коэффициент примерно 2,5), погрешность может составлять (при изменении температуры, на­ пример, от —40 до +20°С) более 20%, чем нельзя пренебречь. Из­ бежать возникновения этой погрешности можно в мостовой схеме рис. 65, б и 66, б, где напряжение Пср изменяется пропорционально Еп. В этом случае схемы с зарядом и разрядом становятся при уд­ военном напряжении питания равнозначными схеме с перезарядом по рассмотренным видам погрешностей.

135

§ 28. Влияние на работу конденсаторных реле времени утечки конденсатора и абсорбционных процессов

Ток утечки конденсатора имеет две составляющие: ток iy, опре­ деляемый проводимостью изоляции, и 1а, создаваемый абсорбци­ онными процессами в изоляции. Влияние тока in в расчетной схеме можно учесть, включив параллельно конденсатору сопротивления

Влияние абсорбционных процессов сказывается в том, что при заряде или разряде реального конденсатора ток изменяется во времени существенно медленнее, чем следует из известного урав­ нения для идеального конденсатора

Это объясняется тем, что в реальном конденсаторе с неоднород­ ным и особенно со слоистым диэлектриком наряду с нормальным зарядным током iH существует ток, обусловленный междуслойной

С увеличением температуры молекулярные силы, действующие на диполи, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ослабева­ ют, при этом дипольная поляризация усиливается. Токи, вызван­ ные этим видом поляризации, называются токами абсорбции и мо­ гут быть вызваны замедленной тепловой поляризацией вещества, накоплением объемных зарядов в областях, прилегающих к элек­ тродам, а также неоднородностью старения материалов. Переме­ щению наибольшего количества диполей в диэлектрике соответ­ ствует максимальный ток абсорбции.

С течением времени при наличии напряжения процесс поля­ ризации в диэлектрике заканчивается.

136

Влияние абсорбционных процессов также проявляется в том, что у конденсатора, заряженного постоянным напряжением, после кратковременного разряда его на малое сопротивление наблюдает­ ся образование остаточного заряда.

Токи, вызванные электронной и ионной проводимостями, зату­ хают во много раз быстрее, чем токи абсорбции.

Для полного зарядного тока реального конденсатора можно написать уравнение, соответствующее схеме замещения, представ­ ленной на рис. 68:

Составляющую, соответствующую току абсорбции ia, можно представить как сумму экспонент с различными постоянными вре­ мени:

п_ ± _

Iti & 1•

i= О

Составляющую, соответствующую току утечки iy, можно выра­ зить как некоторую, не меняющуюся во времени постоянную, рав­ ную /у. Тогда формула (268) примет вид

Достаточно хорошее приближение схемы замещения к реаль­ ному конденсатору достигается уже при наличии двух параллель­ ных ветвей, соответствующих цепи тока абсорбции [17].

При испытании конденсаторов некоторых типов по методу за­ ряда было установлено, что с уменьшением напряжения заряда токи утечки снижаются несколько в большей степени, чем напря­ жение. В зависимости от типа конденсатора и уровня напряжения заряда ток абсорбции почти полностью затухает через 20—300 т (рис. 69). Во всех случаях кривая изменения тока заряда конден­ сатора располагается значительно выше теоретической (штрихо­ вая кривая), соответствующей уравнению (267). С увеличением уровня приложенного напряжения протекание абсорбционных процессов в конденсаторах несколько замедляется.

Экспериментальные значения токов утечки конденсаторов для различных режимов приведены в табл. 4, где конденсаторы рас­ положены в порядке возрастания тока утечки.

Из кривых рис. 69 и табл. 4 видно, что с увеличением темпера­

следствием увеличения объемного заряда в диэлектрике и эквива­ лентно увеличению емкости конденсатора. Это может оказать су­ щественное влияние на работу реле времени. У реле с интервалами времени между срабатываниями, достаточными для завершения ориентации объемных зарядов, наблюдается заметное увеличение

137

Т а б л и ц а 4

времени его действия относительно расчетной величины. При уменьшении интервалов между срабатываниями процессы ориен­ тации объемных зарядов завершиться не успевают, реальная ем­ кость конденсатора снижается и, следовательно, время действия реле уменьшается.

Наличие объемного заряда в толще диэлектрика конденсатора оказывает заметное влияние и на процесс его разряда. Так, при кратковременном замыкании обкладок конденсатора его геомет­ рическая емкость, обусловленная нормальным током заряда, успе­ вает разрядиться, в то время как абсорбционные емкости благо­ даря значительным абсорбционным сопротивлениям в основном сохраняют заряд. После размыкания обкладок остаточный заряд начинает перераспределяться в толще диэлектрика, в результате чего на обкладках возникает напряжение. Время восстановления заряда конденсатора определяется постоянными времени абсорб­ ционных емкостей.

Накопление объемных зарядов в толще диэлектрика принято характеризовать коэффициентом диэлектрической абсорбции

ров, в частности от типа конденсатора и рода его диэлектрика, ве­ личины зарядного напряжения, времени закорачивания обкладок, времени с момента размыкания обкладок конденсатора до момен­ та измерения емкости, температуры и др.

При испытании конденсаторов по методу разряда было установ­ лено, что после размыкания обкладок конденсатора происходит рез­ кое увеличение остаточного напряжения. Через 2—4 мин (для рас­ сматриваемой группы конденсаторов) напряжение Пост

139