Общие принципы построения защит

Устройства релейной защиты, как правило, содержат три основных части измерительную, логическую и выходную. В измерительную часть входят измерительные и пусковые органы за­щиты которые воздействуют на логическую часть при достижении контролируемыми элек­трическими параметрами (ток, напряжение, мощность, сопротивление) значений (уставок) предварительно заданных для защищаемого объекта.

Логическая часть состоит из отдельных переключающих элементов и органов выдержки времени, которые при определенном действии (срабатывании) измерительных и пусковых орга­нов, в соответствии с заложенной в логическую часть программой, запускают выходную часть.

Выходная часть связывает релейную защиту с цепями управления коммутационными аппаратами (выключателями) и устройствами передачи команд по каналам связи и телемеханики Выходные органы защиты имеют на выходе переключающие элементы достаточной мощ­ности, обеспечивающие работу цепей управления.

До последнего времени все органы релейной защиты выполнились только на базе электромеханических реле. Необходимые выдержки времени создавались в логической части защит такого исполнения посредством часовых механизмов, управляемых электромагнитными устройствами. Наряду с часовыми механизмами для той же цели применяются электромагнитные реле с магнитной задержкой отпадания и срабатывания якоря.

Для получения реле с зависимой характеристикой выдержки времени также использовались механические системы с приводом, действующим на индукционном принципе. Скорость дви­жения таких механизмов зависит от значения тока, протекающего по обмоткам реле. Однако электромеханическая аппаратура морально и физически устарела, не позволяет до­биться высокой точности, быстродействия, выполнить сложные характеристики, и поэтому, нуждается в замене. Для поддержания рабочего состояния защиты требуются значительные трудозатраты на техническое обслуживание. Электромеханическая аппаратура занимает много места и требует большого количества электротехнических материалов. Значительное потребление энергии требует мощных источников питания оперативным током, а также большой мощности измерительных трансформаторов тока и напряжения. Нередко новые требования к релейной защите не могут быть удовлетворены из-за несовершенства аппара­туры, содержащей электромеханические устройства. Стало очевидным, что использование электромеханических устройств в релейной аппаратуре задерживает дальнейшее развитие техники релейной защиты, как в качественном, так и в количественном отношениях. Один из возможных выходов из создавшегося положения открылся благодаря успехам со­временной полупроводниковой схемотехники, а в первую очередь - созданию интегральных микросхем, которые и стали основой для создания нового поколения релейной защиты Интегральные микросхемы относятся к категории электронных устройств средней степени интеграции, реализующих одну или несколько однородных функций. В последние годы элек­тронная промышленность начала выпускать многоцелевые, так называемые большие интегральные схемы (БИС) универсального назначения. В настоящее время разработано и выпускается значительной количество приборов средней степени интеграции, на которых построены современные микроэлектронные устройства защиты. Эти устройства ориентированы на выполнение сразу нескольких функций, что упрощает и удешевляет монтаж, экономит место на панелях и в шкафах РЗА. Второе направление развития РЗА - микропроцессорные устройства, обладающие еще более высокой эффективностью, однако стоимость их значительно превышает стоимость микроэлектронных. Поэтому последние находят спрос в случаях, когда к устройствам не предъявляются высокие требования в точности и многофункциональности.

Требуемые функции микроэлектронных устройств РЗА реализуются при помощи так называемых логических элементов. Представим себе такой идеальный логический элемент в виде некоторого переключающего устройства, обладающего несколькими входными зажимами X₁, Х₂, Х₃.....Х„ и одним выходным зажимом Y

За исходное состояние элемента примем такое, когда на его входные зажимы поданы ну­левые сигналы и когда его переключение происходит после поступления на его входы неко­торого сочетания единичных сигналов. Такие элементы зовутся элементами "единичной", или "положительной" логики. Если в исходном состоянии к элементам подводятся единичные сигналы, то их называют элементами "нулевой", или "отрицательной" логики. В наших приме­рах рассматриваются элементы "положительной" логики.

Операции ИЛИ.У идеального элемента, обеспечивающего выполнение операции ИЛИпри ну­левых сигналах на всех его выходах, выходной сигнал имеет тоже нулевое значение. Если хотя бы на один из входных зажимов подается единичный сигнал, элемент немедленно по­действует, и на его выходе установится единичный сигнал. Единичный сигнал на выходе со­хранится при любом числе сигналов 1, поданных на его входы. Когда со всех входных зажи­мов сигналы 1 снимаются, выходной сигнал ИЛИопять становится нулевым. На структурных схемах элемент ИЛИпринято изображать так, как показано на рис. 2.2, а.

Условные изображения логических элементов: а – элементИЛИ; б – элементИ; в – элементНЕ; г – элементИ-НЕ; д – элемент ЗАПРЕТ

Операции И. Элемент, осуществляющий операцию И, при нулевых сигналах на всех его входных зажимах имеет на выходном зажиме сигнал 0. Но в отличие от элемента ИЛИэтот элемент переключится только тогда, когда единичные сигналы поступят на все его входы. Только при этом условии на его выходном зажиме образуется сигнал 1. В случаях, когда единичные сигналы поступят только на часть входных зажимов, на выходе элемента И бу­дет оставаться нулевой сигнал. После срабатывания элемента И сигнал 1 на его выходе будет сохраняться до тех лор, пока не снимается единичный сигнал хотя бы с одного из его входных зажимов.

На структурных схемах элемент И изображается так, как дано на рис.2.2, б.

Операция НЕили ИНВЕРСИЯ.В исходном положении элемента НЕпринято, что на его един­ственном входном зажиме X имеется нулевой сигнал, при этом на его выходном зажиме Y держится единичный сигнал В случае появления на входном зажиме единичного сигнала сигнал на выходе элемента НЕпринимает нулевое значение. Действие элемента НЕназы­вают в математической логике инвертированием сигнала или инверсией, а сам элемент -инвертором. Для его изображения применяется прямоугольник с небольшим кружочком, нанесенным посредине правой или левой его стороны (рис. 2. в).

Для промышленной автоматики изготовляют серийные логические микросхемы, представляющие собой набор из сложных элементов и предназначенные для одновременного выполнения операций И и НЕ.Такой элемент сокращенно записывается так: элемент И-НЕ.Изображение элемента И-НЕ приведено на рис. 2, г. Ниже дана таблица переключений для элемента И-НЕ; в целях упрощения принято, что элемент имеет всего два входа X₁и Х₂

Как видно, мы приняли за исходное состояние такое, когда на входы элемента поданы нуле­вые сигналы, что соответствует "положительной" логике, применяемой в промышленной ав­томатике. Если представить себе, что в исходном положении на оба входа поданы сигналы 1, то на выходе установится сигнал 0 (нижняя строка таблицы). И тогда достаточно заменить хотя бы один из входных сигналов нулевым, чтобы на выходе появился сигнал 1. А такоедействие элемента представляет собой уже операцию ИЛИ-НЕ,но при единичных сигналах в исходном состоянии элемента Она часто применяется на практике

Операция ЗАПРЕТ. В элементе, служащем для операции ЗАПРЕТ,на выходном зажиме У будет сохраняться нулевой сигнал, если на отдельном, так называемом запрещающем зажи­ме Х₂ имеется единичный сигнал. При наличии этого запрещающего сигнала независимо от того, какой сигнал появится на единственном входном зажиме элемента Х₁, на выходном зажиме У будет оставаться сигнал 0 После снятия запрещающего сигнала - замены сигнала 1 на запрещающем входе сигналом 0 - изменение выходного сигнала произойдет тогда когда на входном зажиме X₁, возникнет сигнал 1. Таким образом, для действия элемента ЗАПРЕТ нужно выполнить два условия: снять запрещающий сигнал и подать на вход X₁ сигнал 1. Операция ЗАПРЕТможет быть также представлена как операция И с одним ин­вертированным входным сигналом, являющимся запрещающим. Применяемое изображение элемента ЗАПРЕТпоказано на рис. 2, б.

Питание операционных усилителей применяемых при изготовлении реле защиты, осуществ­ляется от двух разнополярных источников напряжения постоянного тока с общей нулевой точкой Значения питающих напряжений выбираются в диапазоне от +5 до ± 15 В, в зависи­мости от конструкции ОУ. Операционный усилитель имеет два независимых входа и один общий выход. Он является усилителем дифференциального типа и реагирует на знак напря­жения, определяемого разностью двух напряжений, поданных на его входы. Тот из входов, при преобладании напряжения на котором знак выходного напряжения совпадает с поданным на этот вход, называется неинвертирующим или сокращенно Н-входом. До последнего вре­мени этот вход обозначался на схемах усилителей условным знаком плюс. Другой вход, пре­обладание напряжения на котором приводит к изменению знака выходного напряжения на противоположный по сравнению со знаком напряжения на этом же входе, называется инвер­тирующим, или сокращенно И-входом. Ему присваивался условный знак минус. Значения подаваемых на ОУ входных напряжений не должны превышать напряжения питания.

Если на оба входа ОУ подать одинаковые по значению и знаку напряжения, называемые синфазными, то выходное напряжение будет практически оставаться близким к нулю. Значе­ния синфазных напряжений, подаваемых на входы ОУ, не должны быть выше напряжения питания.

На схемах, содержащих ОУ, встречаются три основных условных изображения операционных усилителей старое (рис. 4, а),

Условные изображения ОУ а- старое, б – допускаемое, в - новое

которое продолжают и поныне применять во многих информационных и проектных материалах, допускаемое (рис. 4, б), широко используемое в настоящее время в технической литературе, и новое (рис. 4, в), принятое совсем недавно. На всех изображениях не показаны источники питания и другие внешние выводы.

Операционные усилители обладают общим недостатком, заключающимся в том, что даже при полном отсутствии внешних входных сигналов, через входы усилителя протекают небольшие так называемые нулевые токи, и может возникать некоторое напряжение между входами, которое называют напряжением сдвига нуля. Их появление обусловливается несбалансированностью входного каскада, которая зависит как от технологических отклонений параметров входных транзисторов, так и от внешних условий, в первую очередь от температуры окружающей среды и изменения напряжений питания. Напряжение сдвига нуля создает на выходе ОУ выходное напряжение соответствующего значения. Отметим основные свойства ОУ:

Основные схемы применения ОУ строятся на использовании различных вариантов обратных связей между выходомОУ и еговходами. Обратная связь в таких схемах осуществляется через соответственно подобранные линейные и нелинейные сопротивления в зависимости от характера операций, выполняемых с помощью данной схемы. Связь между выходом ОУ и Н-входом называется положительной обратной связью (ПОС), связь между выходом ОУ и инвертирующим входом - отрицательной обратной связью (ООС). Перейдем к описанию ос­новных типовых схем применения ОУ.

Повторитель напряжения — схема, в которой выход ОУ соединен непосредственно с ин­вертирующим входом через сопротивление, равное нулю. Управляющий сигнал подается прямо на неинвертирующий вход (рис. 2.5, а).

Подобный вид обратной связи называют 100%-ной отрицательной обратной связью (100 % ООС). При U_ex = 0 напряжение на выходе тоже будет оставаться равным нулю, так как на непосредственно связанном с ним инвертирующем входе не возникает разности напряжений по отношению к неинвертирующему входу. В случае изменения входного напряжения на неинвертирующем входе, между входами будет поддер­живаться ничтожно малая разность напряжений, определяемая значением напряжения сум­мирующей точки. Напряжение на выходе ОУ практически сравняется с поступающим сигна­лом и, по мере его изменения, будет совпадать с меняющимися значениями входного сигна­ла. Таким образом, рассматриваемая схема является следящей, повторяющей на выходе входной сигнал. Отсюда ее название. Коэффициент усиления повторителя напряжения понимания свойств реальных операционных усилителей, отличающих их от идеальных, ознакомимся с устройством применяемых ОУ.

Схемы таких ОУ содержат, как правило, три основных усилительных каскада (рис.2,6)-

входной (дифференциальный), промежуточный (усилительный) и выходной (низкоомный). Входной каскад является основной частью ОУ, определяющей его качество. В этом каскаде формируется дифференциальный сигнал, строго пропорциональный разности напряжений, подаваемых на входы ОУ. Дифференциальный коэффициент усиления входного каскада се­рийных ОУ может достигать значения 500 и более, при этом должна поддерживаться линей­ная зависимость между входным разностным сигналом и сигналом, поступающим из входного каскада в следующий, промежуточный каскад.

Промежуточный каскад является чисто усилительным, и предназначен для связи между входным и выходным каскадами. Его коэффициент усиления у большинства серийных ОУ имеет такое же значение, как и у входного.

Входной каскад не должен реагировать на синфазные входные сигналы. Это очень важно с позиций нечувствительности ОУ к помехам. Ведь, как правило, помехи являются сигналами одинаково воздействующими на оба входа ОУ. Включение входного каскада ОУ по диф­ференциальной схеме само по себе делает его малочувствительным к синфазным входным напряжениям. Такое включение снижает также влияние температурных изменений отдельных параметров транзисторов и сопротивлений, входящих в плечи дифференциального каскада. В схеме они оказываются включенными навстречу друг другу, благодаря чему однозначные температурные изменения отдельных параметров взаимно компенсируются. Однако простого включения входных транзисторов по дифференциальной схеме недостаточ­но, чтобы обеспечить требуемую нечувствительность ОУ к синфазным напряжениям. Она достигается за счет ряда дополнительных мер, применяемых в схемах входных каскадов Благодаря им также сводится к минимуму напряжение сдвига нуля. Выходной каскад являет­ся в основном усилителем мощности, и поэтому его коэффициент усиления по напряжению невелик и приближается к единице.

Остановимся на основных параметрах указанных выше ОУ.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала A_d (В/мВ) равен приращению вы­ходного напряжения к вызвавшему это приращение входному напряжению.

Входное сопротивление ОУ R_вx(кОм) равно отношению приращения его входного напря­жения к приращению активной составляющей входного тока.

Напряжение смещения ОУU_см (мВ) определяется значением постоянного входного напря­жения, при котором выходное напряжение равно нулю.

Максимальное выходное напряжение ОУ U_{вых.мах}(В) определяется предельным значени­ем выходного напряжения при номинальном напряжении питания.

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений дифференциального ОУ К_ос(дБ) равен отношению приращения синфазных входных напряжений к входному диф­ференциальному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряже­ния.

Предельный выходной ток ОУ I_еых (мА) равен максимальному значению выходного тока при оговоренном входном напряжении. Иногда вместо него приводится допустимое мини­мальное сопротивление нагрузки Rн(кОм).