книги / Релейная защита на унифицированных полупроводниковых элементах

Библиотека

ЭЛЕКТРОМОНТЕРА

Выпуск 449

ЛИНТ Г. Э.

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА НА УНИФИЦИРОВАННЫХ

ПОЛУП РОВОДНИ КОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

МОСКВА « Э Н Е Р Г И Я »

1977

6П2.1.082 Л 59

УДК 621.316.925

Р Е Д А К Ц И О Н Н А Я КОЛЛЕ Г ИЯ:

Большам Я- М., Зевакин А. И., Каминский Е. А., Ларионов В. П., Мусаэлян Э. С- Розанов С. П.. Семенов В. А., Синьчугов Ф. И., Смирнов А. Д., Устинов П. И.

Линт Г. Э.

Л 59 Релейная защита на унифицированных полупро­ водниковых элементах. М., «Энергия», 1977.

88 с. с ил. (Б-ка электромонтера. Вып. 449).

В книге изложены основные сведения об устройствах релейной защиты на полупроводниковых приборах для линий 6—10 кВ. Приве­ дены материалы о физических основах работы полупроводниковых приборов, их конструкций и основных параметрах.

Рассмотрены схемы модулей защит линий 6—10 кВ и основные методы эксплуатационных проверок и обслуживания устройств релей­

© Издательство «Энергия», 1977.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Релейная защита электрических установок выпол­ няется в основном с помощью электромагнитных и ин­ дукционных реле. Одной из основных трудностей, воз­ никающих при эксплуатации таких реле, является не­ обходимость их периодических проверок, обусловленная загрязнением и износом подвижных деталей, коррозией контактов, осей и т. п. В связи со сложностью кон­ струкции реле проверки может выполнять только очень квалифицированный персонал.

Вместе с тем производство аппаратуры для релей­ ной защиты составляет лишь небольшую часть общего производства низковольтной электрической аппаратуры, причем реле защиты являются наиболее сложными и трудоемкими. Конструкторы уже давно думают над тем, как унифицировать производство низковольтных аппа­ ратов разного назначения — релейной защиты, противоаварийной, режимной и технологической автоматики и за счет этого значительно увеличить их выпуск. Возмож­ ность унификации и расширения производства откры­ вается благодаря внедрению устройств, выполняемых на полупроводниковых приборах. С их помощью могут быть созданы устройства с самыми различными харак­ теристиками.

Для эксплуатационного персонала особую ценность представляет простота обслуживания таких устройств, долгий срок службы и отсутствие надобности в частых

иэлектроавтоматики на полупроводниковых приборах. Все замечания и пожелания следует направлять по

адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, изд-во «Энергия».

Автор

1.ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Впоследние годы в самых различных отраслях тех­ ники все возрастающее применение находят полупро­ водниковые приборы: диоды, транзисторы, стабилитроны

ит. п. Непрерывное совершенствование производства этих приборов, появление все новых разновидностей, обладающих самыми разнообразными характеристика­ ми, способствует их распространению. На основе полу­ проводниковых приборов уже освоено производство множества устройств, заменяющих широко распростра­ ненные виды электромеханической аппаратуры (реле, регуляторов, измерительных датчиков и приборов). Но­ вые устройства имеют лучшие технические данные — более высокую чувствительность, меньшее собственное

потребление, размеры и массу.

В ряде случаев устройства на полупроводниковых приборах обладают характеристиками, недостижимыми для электромеханической аппаратуры. Одним из важ­ ных достоинств полупроводниковых устройств является отсутствие подвижных частей, благодаря чему отпадает необходимость в механической регулировке.

Как известно, механическая регулировка сложных реле должна периодически повторяться и требует ма­ стерства высшей квалификации, трудно достижимого в условиях эксплуатации. Уже накоплен богатый опыт применения полупроводниковых приборов в измеритель­ ной технике и при автоматизации многих технологиче­ ских процессов. Практика показала, что устройства, вы­ полненные на полупроводниковых приборах, обладают многими ценными свойствами, открывающими перспек­ тиву их массового применения в технике релейной за­ щиты и электроавтоматики — стабильностью параметров, большим сроком службы, способностью работать в усло­ виях значительных колебаний температуры и влажно­ сти окружающей среды, нечувствительностью к ударам

4

и вибрации. Одновременно эти устройства просты в об­ служивании и практически не требуют ремонта.

Широкое применение полупроводниковых приборов в устройствах релейной защиты и автоматики до по­ следнего времени сдерживалось технологической непод­ готовленностью релестроительных заводов и отсутствием законченных разработок такого рода аппаратуры. Сей­ час большинство препятствий преодолено, и в номен­ клатуру заводов включен ряд устройств релейной защи­ ты на полупроводниковых приборах. В частности, уже опробованы в эксплуатации промышленные образцы релейной защиты линий 6—10 кВ, предназначенные для установки в комплектных распределительных устрой­ ствах типов КРУ и КРУН. В настоящей книге описыва­ ются в основном устройства релейной защиты таких объектов.

Остановимся вкратце на некоторых требованиях, ко­ торые учитывают при использовании полупроводниковых приборов в технике релейной защиты [1, 3].

Источниками управляющих сигналов измерительной части релейной защиты служат трансформаторы тока и напряжения. При больших кратностях тока к. з. к номи­ нальному току трансформатора тока его сердечник на­ сыщается, вторичный ток приобретает из-за этого иска­ женную форму и содержит ряд высших гармоник, которые не должны влиять на работу токовых измери­ тельных органов. Аналогично не должно сказываться на работе измерительных органов защит искажение формы кривой напряжения сети под влиянием нелинейных на­ грузок, например выпрямительных установок. Также не должны нарушать работу органов защиты посторонние сигналы, обусловленные помехами.

В ряде случаев одним из трудно реализуемых требо­ ваний является обеспечение быстрого возврата устрой­ ства защиты в положение готовности к следующему действию при исчезновении причины, вызвавшей работу защит.

Выходные органы защиты и автоматики должны воз­ действовать на цепи управления силовых выключателей, имеющих весьма значительное потребление. Поэтому в качестве выходных органов используются контактные реле или управляемые силовые вентили — тиристоры.

Питание полупроводниковых устройств релейной за­ щиты оперативным током тоже имеет свои особенности.

5

Дело в том, что для питания цепей управления силовых выключателей и общей сигнализации на подстанциях применяется постоянный или переменный оперативный ток 220, реже ПО В. При этом допускаются колебания напряжения оперативного тока в диапазоне 0,8—1,1 но­ минального значения.

Для питания полупроводниковых устройств наиболее употребительным является напряжение постоянного то­ ка не свыше 24 В, уровень которого должен поддержи­ ваться с точностью 1—2%. В связи с этим применяется либо независимое стабилизированное питание полупро­ водниковой части релейной защиты и автоматики, либо используются специальные преобразовательные узлы питания, превращающие напряжение основного источни­ ка оперативного постоянного или переменного тока подстанции в стабилизированное напряжение нужной величины. Так как изоляция основного источника опе­ ративного тока должна выдерживать испытательные напряжения до 1750 В переменного тока, то преобразо­ вательные узлы питания одновременно используются для электрического разделения цепей управления и сиг­ нализации 220 В и полупроводниковой части устройства. В заключение следует отметить, что одним из наиболее существенных общих требований к полупроводниковым устройствам релейной защиты является необходимость исключить появление выходного сигнала при подаче и снятии оперативного тока.

Отмеченные особенности не дают возможности при­ менить в релейной защите многие из полупроводнико­ вых элементов, выпускаемых для измерительной техни­ ки и промышленной автоматики, в связи с чем потре­ бовалась разработка ряда специальных элементов, про­ должающаяся и в настоящее время.

Рассмотрим принципиальную структуру устройств релейной защиты, выполняемых на полупроводниковых приборах. Любая релейная защита, реагирующая на к. з., содержит следующие функциональные части: изме­ рительные органы, логическую часть, выходные (испол­ нительные) органы, источники оперативного тока.

Измерительные органы защиты контролируют ре­ жим работы защищаемого присоединения, следя за изменениями значений токов и напряжений, подведенных к защите. В аварийных ситуациях при достижении за­ данных значений входных величин или определенного

6

их сочетания измерительные органы выдают командные сигналы в логическую часть защиты. В зависимости от состава команд, поступающих в логическую часть от измерительных органов и последовательности их по­ ступления, в логической части образуется командный сигнал, приводящий в действие немедленно или через определенное время выходные органы. Последние воз­ действуют на коммутационные аппараты и цепи сигна­ лизации, обеспечивая в зависимости от требования либо отключение, либо определенное изменение режима за­ щищаемого объекта и выдачу соответствующих сигна­ лов дежурному персоналу. Таким образом, структура устройств релейной защиты на полупроводниковых при­ борах оказывается сложнее аналогичных устройств на электромеханических реле, где во многих случаях удает­ ся объединить отдельные части защиты в одном аппарате.

При использовании полупроводниковых приборов та­ кое выполнение, как правило, невозможно. Поэтому схемы защит на полупроводниковых приборах (даже при выполнении 'наиболее простых защит) довольно сложны.

В своем большинстве защиты на полупроводнико­ вых приборах собираются из отдельных, преимущест­ венно типовых узлов, получивших название элементов. Примерами элементов являются выпрямительные мосты, специальные усилители релейного действия, выходные усилители, бесконтактные переключатели, полупровод­ никовые устройства выдержки времени, преобразовате­ ли оперативного тока одного напряжения в другое, стабилизаторы и т. п. Каждый элемент служит для вы­ полнения одной определенной операции. Большинство элементов являются универсальными и могут приме­ няться в разных устройствах защиты и автоматики. Кон­ структивно каждый элемент обычно монтируется в от­ дельном кожухе и снабжается штепсельным разъемом. Элементы делаются неразборными и в случае неисправ­ ности должны заменяться другими.

В промышленной автоматике широко применяются серийно выпускаемые элементы типа «Логика-Т». Под­ робное описание таких элементов дано в [4]. Элементы «Логика-Т» приняты и для создания релейной защиты присоединений 6—10 кВ, причем понадобилось допол­ нить эту серию рядом специальных элементов, удовлет-

7

воряющих специфическим требованиям релейной защи­ ты. Им посвящены § 5 и 6.

В процессе изготовления релейной аппаратуры эле­ менты монтируются на платах с печатным монтажом, на которых устанавливаются все необходимые раздели­ тельные, согласующие и дополнительные узлы и детали, и собирается электрическая схема соединений опреде­ ленного устройства защиты или одной из его частей. На таких платах могут быть собраны самостоятельные ре­ ле, комплекты защиты, а также отдельные составляю­ щие части сложных устройств управления, защиты и автоматики определенного объекта. Последние получи­ ли наименование модулей. Каждый модуль обеспечивает выполнение определенной функциональной задачи, от­ ражаемой в его наименовании, например: модуль пита­ ния, модуль управления и сигнализации, модуль какоголибо отдельного вида или органа защиты, модуль АПВ и т. п.

Некоторые модули, такие, как модуль питания и уп­ равления, являются обязательной частью любого уст­ ройства защиты и автоматики, другие модули могут меняться в зависимости от того, какой защитой или автоматикой должно быть оборудовано данное присое­ динение. При большом разнообразии присоединений создается сетка модулей, удовлетворяющих требова­ ниям к защите каждого из присоединений. Все необхо­ димые для данного присоединения модули собираются в специальные шкафы (кассеты) и устанавливаются на панелях щитов управления или в камерах КРУ.

Подробное описание защиты и автоматики присоеди­ нений 6—10 кВ, выполненных на модульном принципе, дается в § 7.

10~4 Ом-см, относятся к проводникам (металлам), а с сопротивлением, большим 1010Ом*см, — к диэлектрикам. Полупроводниковыми материалами являются химиче­ ские элементы германий Ge, кремний Si н селей Se, а

8

также множество химических соединении, в том числе закись меди Си20, фосфид галлия GaP, карбид крем­ ния SiC, арсенид галлия GaAs. В современной технике наиболее широко используются полупроводниковые при­ боры, создаваемые на основе германия и кремния. Эти элементы обычно используются не в чистом виде, а с добавлением примесей. Добавление даже ничтожных примесей к полупроводнику вызывает резкое снижение его сопротивления. Например, внесение в чистый (герма­ ний всего lCh5% мышьяка снижает его удельное сопро­ тивление в 200 раз.

Объяснение особенностей электропроводности полу­ проводников и их сплавов является предметом изучения специального курса физики, мы же остановимся вкрат­ це только на основных моментах, необходимых для понимания работы наиболее распространенных полупро­ водниковых приборов: диодов, транзисторов, стабили­ тронов и т. п.

Все особенности полупроводников связаны с их фи­ зической структурой. Чистые полупроводники — герма­ ний и кремний — обладают кристаллической структурой, единичные кристаллики которой имеют форму куба. Атом полупроводника является центром узла кристал­ лической решетки и связан с четырьмя соседними ато­ мами с помощью своих валентных электронов (герма­ ний и кремний — четырехвалентные элементы). Два ва­ лентных электрона соседних атомов, по одному от каж­

обеспечивают прочность кристаллической решетки гер­ мания. На рис. 1 показана условная схема связей атомов в кристаллической решетке германия. Такая парноэлектронная связь атомов (выделена пунктиром) получила название ковалентной. В целом атом полу­ проводника нейтрален. Однако даже при нормальной температуре часть ковалентных связей между атомами может нарушаться вследствие тепловых колебаний. При нарушении ковалентной связи образуется свободный электрон, а на месте разорванной связи — так называе­ мая дырка. Дырка ведет себя аналогично частице, имею­ щей элементарный положительный заряд. Благодаря хаотическому тепловому движению дырка может пере­ мещаться от одного атома к другому. Движение дырки

9

представляет собой процесс последовательного переме­ щения электронов из соседних атомов на место разор­ ванной связи — дырки. Таким образом, движение дыр­ ки— это отражение фактического движения электронов, связанных в кристаллической решетке, в противополож­ ном направлении (рис. 2). Сплошными стрелками пока­ зано движение электронов, пунктирными — дырок. Бла­ годаря образованию свободных электронов и дырок

полупроводник обладает определенной собственной про­ водимостью. Количество свободных носителей зарядов в полупроводнике возрастает по мере повышения тем­ пературы. Именно этим и объясняется снижение его удельного сопротивления при нагревании.

Для создания полупроводниковых приборов приме­ няются полупроводники, содержащие специальные при­ меси. В качестве примесей вводятся вещества, позво­ ляющие резко увеличить проводимость полупроводни­ ка. Внедряясь в кристаллическую решетку основного материала, атомы примеси замещают соответствующие атомы основного материала. При этом в зависимости от валентности примесного вещества образуется дополни­ тельное количество свободных носителей зарядов, элек­ тронов или дырок, значительно превышающее число пар электрон —дырка, возникающих в атомах чистого полу­ проводника в результате теплового движения.

Если ввести в германий атом пятивалентного эле­ мента, например сурьмы, то четыре его валентных элек­ трона вступают в ковалентную связь с четырьмя сосед-

10