2.19. Измерительные органы тока и напряжения на имс

Общие принципы выполнения.Поскольку отечественная промышленность выпускает полупроводниковые реле тока и напряжения на ИМС, ниже рассмотрены принципы построения ИО только на базе микросхем.

Реле тока и напряжения относятся к ИО с одной воздействующей и одной сравниваемой величинами. Принцип дей-

ствия таких реле основан на сравнении абсолютного значения контролируемой входной величины (IилиU) с эталонной величиной, соответствующей заданному значению контролируемой величины (тока или напряжения), при котором реле должно срабатывать. Воздействующая величина поступает с выхода измерительных ТТ или ТН. Поскольку токи и напряжения сети имеют синусоидальный характер, то для выполнения реле можно использовать либо мгновенные (амплитудные) значения, либо среднее за период значение измеряемой величины. Действующие значения этих величин, как правило, не используются вследствие большей сложности схем их получения. Наиболее распространенными являются ИО тока и напряжения, выполненные на выпрямленном токе (напряжении).

Структурно-функциональная схемаподобного реле изображена на рис. 2.66. В этой схеме синусоидальный токi_P=I_msinωtпоступает на вход промежуточного ТТ (ПТТ) или трансреактора, назначение и функции которых были пояснены при рассмотрении структурной схемы полупроводниковых ИО.

Выходной сигнал ПТТ в виде синусоидального напряжения U^’, пропорционального входному токуi_P(илиU_P), поступает на вход диодного выпрямителяVS. Выпрямленное напряжение, превращенное в пульсирующее напряжение, постоянное по знаку проходит через сглаживающий фильтр СФ, который обычно выполняется в виде контура ИС.

С выхода СФ выпрямленное напряжение со сглаженной пульсацией (||) поступает на основную часть ИО – схему сравнения, выполняемую в виде компаратора (ПУ) и РО, где происходит его сравнение с эталонным (пороговым) напряжением, имеющим постоянное значение (соответствующее заданной уставке срабатывания реле).

К входу 2 схемы сравнения ПУ подводится эталонное напряжениеU_Э, (называемое также опорнымU_ОП), с которым сравнивается значение контролируемого напряжения.

Напряжение U_ОПсоответствует значению токаi_P, при котором реле должно срабатыватьI_CP. При || ≥U_ОП( ≡I_CP) на выходе ПУ появляется сигнал, поступающий на реагирующий орган РО. Последний усиливает входной сигнал и дает команду на отключение выключателя через ВЭ.

Структурная схема реле напряжения отличается от рассмотренной схемы только входным устройством, которое выполняется посредством промежуточного трансформатора напряжения (ПТН) (по схеме на рис. 2.39, д). На вход ПТН поступает синусоидальное напряжениеU_P=U_msinωt.

Измерительный орган напряжения, реагирующий на среднее значение.На рис. 2.67, а приведена принципиальная схема ИО с одной подведенной величиной, которая состоит из следующих элементов: схемы, совмещающей функции воспринимающего и формирующего элементов, включающей трансформаторTVLи выпрямительVSсо сглаживающим конденсатором С1; порогового устройства и РО, выполненного в виде триггера Шмитта на ОУ. При отсутствии напряжения на входе ИО напряжение на И-входе ОУ равно нулю, а на Н-вход подается положительноеU_ОП, выделяемое на К2. При этом на выходе ОУ имеется +U_ВЫХMAX; опорное напряжениеU_ОПопределяется суммой токов черезR4 иRЗ. До тех пор, пока амплитуда напряжения между резисторомR1 и нулевой шинкой остается нижеU_ОП, выходное напряжение на выходе ОУ не изменяется, сохраняя положительную полярность. Когда упомянутая амплитуда превышаетU_ОП(рис. 2.67, г), ОУ переключается, на его выходе появляется –U_ВЫХMAX, ток вRЗ меняет направление иU_ОПснижается до значения, которое выбирается несколько ниже минимального мгновенного значения напряжения на С1. Благодаря этому мгновенное напряжение на И-входе в любой момент времени остается выше напряжения на Н-входе, и на выходе ОУ сохраняется значение –U_ВЫХMAX.

Аналогично выполняется ИО тока, но в схеме формирования используется преобразователь тока в напряжение.

Это может быть разделительный трансреактор TAV(рис. 2.67, б), разделительный ТТTAL, на вторичную обмотку которого включен резисторR₀, и напряжение на нем прямо пропорционально току в первичной обмотке (рис. 2.67, е).

К недостатку рассмотренного ИО относится отсутствие мер по повышению помехозащищенности. Такие реле можно применять в защитах, работающих с выдержкой времени.

Для защиты входа ОУ при большом напряжении (или токе) на входе ИО служат диоды VD1 иVD2.

Орган тока, реагирующий на полный ток фаз, построенный на времяимпульсном принципе сравнения.Большую помехозащищенность можно получить при использовании сравнения времени наличия входного выпрямленного напряженияt_Пс временем его отсутствияt_H.

Орган тока (рис. 2.68), использующий этот принцип, состоит из промежуточного ТТ (ТАL.) или трансреактора; выпрямительного мостаVS; схемы сравнения в виде компаратора на ОУ А1; интегрирующей цепиR5,R6, С1; реагирующего элемента А2 в виде триггера Шмитта на ОУ и ВЭ в виде транзисторного уси- лителя на VТ1 с малогабаритным релеKL1. При протекании в

цепи ТАLтока на резистореR12 возникает напряжениеU_TAL≡I_P. Это напряжение поступает на выпрямительVSи превращается в двухполупериодное, выпрямленное и несглаженное напряжениеU_VS, пропорциональное входному токуI_P.

Это напряжение поступает на И-вход А1. На Н-вход А1 подается положительное U_ОП, снимаемое с делителяR2,RЗ,R4, включенного на напряжение источника Е_Пположительного знака. Поэтому, приV_VS<U_ОПвыходное напряжение А1U_I= +U_ВЫХMAX.

Если поступающая на И-вход амплитуда напряжения U_VSнижеU_ОП, то выходное напряжение А1 остается неизменным. Под действием выходного напряжения А1(U₁) двуханодный (стабилизирующий напряжение обеих полярностей) стабилитронVD4 открыт током черезR5. ДиодVDЗ закрыт, а конденсатор С1 заряжен проходящим через него током до положительного напряжения стабилизатора:U_C=U_CT. Последнее подано на И-вход триггера А2. При этом на выходе А2 будет дежурить напряжение –U_ОУmax, под действием которого по цепи ОС на Н-входе появится напряжение отрицательной полярностиU_H= –U_ВЫХMAXR₈/(R₈+R₉), соответствующее отрицательному напряжению срабатывания триггера Шмитта. ДиодVD5 открыт через резисторR10, транзисторVТ1 закрыт, и релеKLобесточено. Это означает, что ИО не действует.

Когда мгновенное значение выпрямленного напряжения превосходит U_ОП, А1 переключается, и во время превышения мгновенным значением опорного напряженияU_ОПна его выходе появляется –U_ВЫХMAX, что приводит к отпираниюVD3. Конденсатор С1 перезаряжается с меньшей постоянной времени через резисторR6, а после того как А1 возвращается в прежнее положение, диодVD3 вновь запирается, и за время паузыt_Hконденсатор С1 заряжается с большей постоянной времени. Если время t_Пмало, аt_Hвелико, конденсатор успевает перезарядиться до нулевого или малого отрицательного напряжения, и триггер Шмитта на А2 и ИО не работают (рис. 2.68, б).

По мере увеличения тока t_Прастет, аt_Hуменьшается. При этом увеличивается отрицательная амплитуда напряжения на С1. Когда |U_C1| станет большеU_CPА2, А2 переключается, на его выходе появляется напряжение положительного знакаU_выхА2= +U_max, и как следствие диодVD5 запирается, транзисторVТ1 открывается, реле КLприходит в действие и замыкает свой контакт. ИО тока срабатывает.

В связи с изменением знака выходного напряжения А2 (с "–" на "+") происходит аналогичное изменение знака опорного напряжения U₈, приходящего по цепи ОС на Н-вход А2, что обеспечивает устойчивую работу ИО.

При исчезновении тока КЗ, входное напряжение, обусловленное током I_Pснижается до нуля или становится очень малым. Тогда А1, а следовательно и А2 переключаются и под действием опорного напряжения происходит возврат реле. Регулировка уставки осуществляется изменением сопротивления резистораR4. Для отключения ложной работы при включении оперативного напряжения предусмотрен С2.

Измерительный орган тока нулевой и обратной последовательностей.Орган тока нулевой последовательности является основным элементом защиты линий от КЗ на землю. В сетях СВН (300 кВ и выше) линии имеют большие длины и большую емкостную проводимость, что обусловливает появление в переходных режимах возникающих при КЗ значительных апериодических и гармонических составляющих, под влиянием которых быстродействующие ИО защиты от замыканий на землю могут действовать неправильно. Для обеспечения правильной работы защиты в рассматриваемом ИО тока предусматриваются частотные активные фильтры, пропускающие токи 50 Гц и запирающие прохождение через фильтр апериодической и гармонических составляющих. Схема подобного органа приведена на рис. 2.69.

Входным элементом, как обычно в полупроводниковых ИО, служит преобразователь тока ПТТ. Контролируемый ток поступает на его вход через фильтр токов нулевой последовательности. Оба входных элемента (ПТТ и фильтр токов нулевой последовательности) на схеме не показаны. Выходной сигнал преобразователя ПТТ в виде напряженияU_P, пропорционального току 3I₀поступает для усиления на инвертирующий (масштабный) усилитель А1. Для регулирования уставки ИО в цепи ОС масштабного усилителя предусмотрены резисторыRЗ-R6. Уровни входного и выходного напряжений в усилителе ограничиваются с помощью диодовVD1,VD2 иVD3,VD4 соответственно. Активный частотный фильтр АФ выполняется на ОУ А2 в виде фильтра низких частот и полосового фильтра, запирающего прохождение токов высших гармоник.

С выхода АФ синусоидальное напряжение поступает на главный элемент измерительной части схемы – двух пороговый компаратор АЗ, построенный по особой схеме на инвертирующем усилителе. Входной сигнал через резистор R7 заводится на инвертирующий вход АЗ, цепь ООС выполнена в виде выпрямительного диодного мостаVS1, который получает питание через параллельно включенные резисторыR8 иR10 от источника питания Е_П= + 15 В и через параллельно включенные резисторыR9 иR11 от Е_П = – 15 В.

С порогового элемента А3 выходной сигнал поступает на схему, осуществляющую сравнение длительности превышения входным сигналом напряжения порога срабатывания с длительностью пауз между ними. Эта схема состоит из входного диодного моста VS2, конденсатора С1 и компаратора А4. Сигнал с выхода А4 поступает на исполнительную часть схемы, состоящую из транзистораVТ1, усиливающего входной сигнал измерительной части органа, диодаVD14 и электромеханического (малогабаритного) реле КL1. Контакты последнего дают команду на элементы дальнейшей части защиты или непосредственно на отключение выключателя.

Работа ИО.Если сигнал на входе А1U_ВЫХ= 0, то, как видно из рис. 2.69, входное и выходное напряжения на А1 и А2 отсутствуют. Нет сигнала и на входе и выходе порогового элемента А3. При этом все диоды мостаVS1 открыты токомI_VS1, возникающим под действием напряжения источника питания 2Е_П. Этот ток замыкается по контуру, образованному параллельно включенными резисторамиR8,R10 иR9,R11 и открытыми диодамиVD1. Пренебрегая (для упрощения) падением напряжения на открытых диодах моста, считаем, что сопротивление ООС равно нулю. Поэтому выходной сигнал у АЗ отсутствует. Ток, открывающий диоды (без учета сопротивлений открытых диодов):

В рассматриваемом режиме входной сигнал, поступающий через R12 на мостVS2, также отсутствует, но все диодыVS2 открыты током:

I_VS2 = 2Е_П/(R₁₃ + R₁₄).

118

Ток I_VS2, проходя по всем диодам моста, замыкается по контуру резисторовR13 иR14. Конденсатор С1 заряжен до напряжения положительного знакаU_C1=U_VS2(падение напряжения в диодахVS2). Это напряжение поступает на И-вход компаратора АЗ, вызывая на его выходе сигнал максимального уровня ОУ, противоположного знакуU_C1:U_вых= –U_ОУmax ≈ 12 – 14 В. Под действием этого сигнала диодVD14 и транзисторVТ1 закрыты, ток вKL1 отсутствует и ИО не действует.

При появлении синусоидального входного сигнала в виде мгновенных значений напряжения положительной полуволны + U_BXменьшеU_ПОРкомпаратора А4, появляется входной токI_BX=U_BX/R7 гдеR7 – сопротивление входного резистора (через который подается сигнал на И-вход инвертирующего ОУ с ООС). Выходной сигнал инвертирующего усилителя определяется с помощью коэффициента передачи (усиления)

Все диоды по-прежнему открыты током I_VS1. Входной токI_BXзамыкается через открытые диодыVS1. Как видно из схемы, в диодахVD5 иVD9I_BXнаправлен противI_VS1(результирующий ток равен их разности), а в диодахVD6 иVD7 их направления совпадают. Таким образом, при токеI_BX<I_VS1 сопротивление и напряжение ОС равны нулю, поэтому состояния всех остальных элементовVS2, С1, А3 остаются без изменения.

При нарастании U_BXиI_BXположительной полуволны может наступить момент равенства токовI_BX=I_VS1. Тогда диодыVD5 иVD8 закроются. Это означает, что цепь ОС разомкнется, схема компаратора АЗ превратится в схему ОУ без ОС с наличием на входе сигналаU_BXположительного знака. При малом увеличенииU_BX=I_BXR₇, ОУ АЗ переключается, и на его выходе возникает большое выходное напряжение, определяемое значением коэффициента усиления К_ОУ:U_вых= –U_maxОУ.

Из сказанного следует, что порогом компаратора, при котором он открывается, является ток I_VS1или выраженное в виде напряженияU_ПОР=I_VS1R₇.

Выходное напряжение А3 через резистор R12 поступает на мостVS2, это напряжение (отрицательного знака) запирает диоды VD11 иVD10 и черезVD9 поступает на конденсатор С1 и инвертирующий вход А4. Знак напряжения на С1 меняется на противоположный, и он перезаряжается черезR14. Когда напряжение положительного знака,U_BXдостигает максимума и начинает уменьшаться. Если ширина импульса мала, то конденсатор С1 не успевает перезарядиться до нуля и выходное напряжение А4 остается отрицательнымVT1 иKLне действуют). ЕслиU_BXувеличится и достигнет значения, при котором ширина импульса станет достаточной для перезаряда С1 до нуля, а затем зарядится до +U_C1, плюсом на неинвертирующем входе, – А4 переключится, на выходе появится напряжение положительного знака, транзисторVT1 откроется, напряжение на коллекторе снизится и релеKL1 сработает – ИО действует. После переключения А4 знаки на резисторахR10,R11 изменяются (поскольку изменяются знаки на выходе А4 и коллектореVТ1).

Как следствие этого, напряжение закрывания порогового элемента меньше напряжения его открывания:

и

– ИО работает как релейный элемент. При наступлении отрицательной полуволны процесс повторяется с противоположными знаками.

Аналогично выполняется реле обратной последовательности с частотным фильтром.