НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕЙ 9 страница

- находятся в сработанном состоянии пусковые реле УРОВ.

Схема УРОВ имеет большое количество блокировок, запрещающих ее работу, при неисправностях цепей защиты, исчезновении напряжения, неисправностях источников питания оперативных цепей. Пример выполнения схемы УРОВ приведен на рис. 116. Реле устанавливается на каждое присоединение, сигнал на отключение неповрежденных присоединений подается через реле КТ, KL.

Рис. 116 Устройство резервирования при отказе выключателей:

а- с дополнительным пусковым органом напряжения; б- с дополнительными пусковыми токовыми органами

На рисунке 116, а пусковой орган УРОВ выполнен с помощью реле напряжения. В нормальном режиме реле держит свои контакты разомкнутыми. При возникновении трехфазных к.з. работает реле (реле минимального напряжения), которое замыкает сиой контакт и подает питание на реле . При двухфазных к.з. работает реле , подключенное на фильтр напряжений обратной последовательности ZF. Контакт размыкается и снимается питание с реле , которое замыкает свой контакт и подает питание на реле . При однофазных к.з. работает реле . При появлении размыкается контакт и снимается питание с катушки реле .

Реле KQC - реле положения «ВКЛЮЧЕНО». Оно контролирует включенное положение выключателя. При срабатывании реле , работе защиты и включенном выключателе одного из элементов, подключенных к системе шин, получает питание реле КТ (рис. 116, а) и с выдержкой времени подается сигнал на отключение всех элементов системы шин.

На рисунке 116, б представлена схема УРОВ с токовыми пусковыми органами. Реле КА_П установлено на каждом присоединении. При к.з. на любом из элементов работает реле КА_П данного элемента, работает защита этого элемента KL₃. Включенное положение выключателя присоединения контролируется замкнутым положением реле KQC. Затем получает питание реле КГ и с выдержкой времени подается сигнал на отключение.

Реле КА_Пподключено к ТА через трансформатор TL,имеющий три первичных обмотки, которые подключены на токи фаз А, В, С. Данное реле позволяет увеличить чувствительность УРОВ и снизить вероятность ложной работы реле КА_П.

17. РЕЛЕ ЗАЩИТЫ, ВЫПОЛНЕННЫЕ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Современное состояние находящихся в эксплуатации устройств РЗА характеризуется наличием трех групп устройств РЗА, связанных с элементной базой, на которой выполняются данные устройства.

Первая группа, самая многочисленная и давно известная, - традиционные электромеханические реле.

Вторая группа- устройства РЗА с реле, выполненными на интегральных микросхемах.

Третья группа- цифровые устройства РЗА.

Устройства первой группы выполнены на электромеханических реле и существуют с начала XX-го века. Реле, которые входят в состав этих устройств, реализованы на ряде принципов, а именно: электромагнитном, индукционном, магнитоэлектрическом и т.д. Наладка и настройка таких реле трудоемка и требует времени, поскольку в реле имеются вращающиеся диски, барабанчики, пружины, подвижные контакты, которые бывает сложно отрегулировать. К очевидным достоинствам устройств данной группы следует отнести их дешевизну и наглядность схем РЗА.

Вторая группа - устройства РЗА на реле, выполненных на интегральных микросхемах. Они находятся в эксплуатации с 70-х годов. В основу действия таких реле положен один принцип, получивший название «время-импульсный». В данных реле нет подвижных вращающихся элементов. Срабатывание реле фиксируется величиной напряжения на его выходе . Например: у несработавшего реле =-13 В, а при срабатывании реле изменяется до +13 В.

Одним из основных достоинств устройств РЗА данной группы является наличие встроенного диагностического контроля, что значительно облегчает и сокращает время плановых проверок РЗА. Для проверки исправности работы логической части РЗА достаточно подать напряжения определенной величины, так называемые тесты, в контрольные точки схемы. Подача тестов производится кнопками или ключами, установленными на лицевой панели устройства. Сигнальные лампы «ИСПРАВНОСТЬ» и «НЕИСПРАВНОСТЬ» сигнализируют о состоянии логической части схемы. Наличие ряда тестов позволяет поочередно проверять логические части всех защит в данном устройства РЗА. Например, I, II, III зоны дистанционной защиты и I, II, III, IV зоны токовой защиты нулевой последовательности в панели ШДЭ-2801 (2801). Тестирование также позволяет выявить неисправные блоки.

Применение время-импульсного принципа в защитах позволяет улучшить показатели устройств РЗА. Так, например, коэффициент возврата у реле серий РСТ и РСН равен , в то время как аналогичные электромеханические реле имеют . Реле ДЗТ-21 (23), используемое в дифференциальных защитах трансформаторов, позволяет устанавливать ток срабатывания защиты , а для реле ДЗТ-11 .

Ремонт устройств, выполненных на интегральных микросхемах, осуществляется проще. При выходе из строя одного из блоков достаточно снять его с панели и заменить новым. Данная операция не требует никаких монтажных работ.

К основным недостаткам устройств данной группы следует отнести сложность схем и их довольно высокую стоимость по сравнению с устройствами РЗА первой группы.

Третья группа - цифровые устройства РЗА. В настоящее время в системах установлено сравнительно небольшое число таких комплектов, что обусловлено их высокой стоимостью.

Достоинства цифровых защит очевидны. Это возможность расчета практически любых электрических величин, необходимых для действия устройств, что позволяет сделать их более чувствительными и быстродействующими. Ограничений по сложности работы алгоритмов и их количеству тоже практически нет. Реализация времязависимых защит ( ) на цифровых устройствах проста, в то время как для электромеханических реле это сложная задача: существующее реле РТ-80 требует больших трудозатрат по настройке и наладке, а в цифровых защитах предлагается регулировать кривые, такие как , по признакам «более инверсная», «менее инверсная» и т.д. В цифровых РЗА также просто решаются вопросы нахождения активных, реактивных и полных сопротивлений. Реле сопротивления используются в дистанционных защитах, защитах генераторов от асинхронных режимов, в устройствах автоматики, ликвидирующих асинхронный режим (АЛАР).

Рис. 117 Структурная схема статического реле защиты

У реле, составляющих вторую группу, имеется ряд специфических узлов, которыми не располагают электромеханические реле. Обобщенная структурная схема реле, в котором применены операционные усилители (ОУ), показана на рис. 117. Схема состоит из пяти основных узлов:

- узел измерения (УИ), содержащий измерительные преобразователи или датчики токанапряжения, которые подаются на реле от измерительных трансформаторов тока и напряжения защищаемого объекта;

- узел формирования (УФ), в котором из поступающих входных сигналов получают специально сформированные напряжения переменного или выпрямленного тока, требующиеся для реализации характеристики реле после их сопоставления в узле сравнения;

- узел сравнения (УС), служащий для дальнейшего преобразования сравниваемых напряжений в удобную для этого форму, собственно сравнения и получения на выходе узла управляющего сигнала, если результат сравнения свидетельствует о соответствии поданных на реле токов и напряжений условиям его срабатывания;

- узел выхода (УВ), обеспечивающий срабатывание содержащегося в нем электромеханического или герконового реле при поступлении управляющего сигнала из УС;

- узел питания (УП), предназначенный для получения от источника оперативного тока защищаемого объекта стабилизированных напряжений постоянного тока, требующихся для работы интегральных микросхем (ИМС) и исполнительного выходного реле.

Содержащиеся в УИ измерительные преобразователи (датчики) представляют собой промежуточные трансформаторы, предназначенные для отделения ИМС реле от вторичных цепей защищаемого объекта и трансформации токов и напряжений. В реле

сопротивления и направления мощности устанавливаются как датчики тока, так и датчики напряжения.

В УФ производится обработка сигналов, поступающих от датчиков тока и напряжения. Способ обработки сигналов сильно зависит от типа реле. В одних реле - это только выпрямление, в других - усиление и сдвиг по фазе, в третьих - дифференцирование, выделение (подавление) отдельных гармоник, суммирование и т.д.

Узел сравнения может быть представлен как состоящий из трех частей. В преобразующей части (ПЧ) УС осуществляет превращение поступающих из УФ синусоидальных или выпрямленных сигналов в импульсы определенной формы, наиболее удобной для выполнения операции сравнения. Чаще всего используются импульсы прямоугольной формы заданной длительности. В ряде типов реле в этой части УС производится сопоставление полученных импульсов между собой или с заранее подготовленным сигналом установленного уровня или продолжительности. В качестве сигнала заданного уровня берется напряжение постоянного тока стабильного значения, называемое опорным ( ).

Другой составной частью УС является собственно схема сравнения (СС), в которой сравниваемые импульсы сопоставляются между собой не только по значению, но и по длительности их существования. Применяется несколько вариантов СС сигналов по продолжительности, в том числе такие, где сравниваемый сигнал предварительно проходит операцию интегрирования. Различие в вариантах схем сравнения сигналов по длительности обусловливается задачей получения требуемой характеристики реле.

Схемы сравнения, в которых происходит сравнение входных сигналов с опорным напряжением, применяются в основном в реле тока и напряжения общего назначения (РСТ и РСН).

Последняя часть УС - исполнительная (ИЧ). В ней создается командный сигнал, если результат сравнения показывает, что параметры токов и напряжений, поступающих в реле, соответствуют условиям его срабатывания. Обычно ИЧ представляет собой усилитель с положительной обратной связью, обеспечивающей «релейный» эффект при действии реле.

Измерительные преобразователи тока и напряжения (датчики) являются основной частью узла измерения. Наряду с основными функциями они защищают полупроводниковую часть реле от высокочастотных наводок, которые могут проникать в цепи вторичной коммутации. Для защиты служит специальный экран, помещаемый между первичной и вторичной обмотками входного трансформатора датчика. Экран представляет собой однослойную обмотку, соединенную с нулевой шинкой реле (рис. 118).

а) б)

Рис. 118 Датчики тока и напряжения:

а - датчик тока с выпрямителем; 6 -датчик напряжения со ступенчатой и плавной регулировкой выходного напряжения

Нагрузкой измерительных преобразователей служат подобранные соответствующим образом резисторы. Падение напряжения, снимаемое с резистора, используется в качестве входного для УФ. В простейшем случае в качестве нагрузки

датчика тока используют резистор, включенный через двухполупериодный выпрямитель (рис. 118, а).Применяются датчики тока с несколькими ступенями регулировки с помощью резисторов, подсоединяемых через переключатели ко вторичной обмотке датчика.

Выходное напряжение датчика напряжения снимается с делителя напряжения на резисторах, имеющего плавную и ступенчатую регулировки (рис. 118, б).

Узел формирования предназначен для преобразования входного напряжения в требуемую реле характеристику. Способ и объем такого преобразования определяется типом репе. Одним из наиболее распространенных способов формирования сигналов в серийных реле тока и напряжения является выпрямление. В большинстве случаев применяется схема двухполупериодного выпрямления, собранная на диодах. В случаях, когда нельзя ограничиться простым выпрямлением, используют масштабные усилители.

Если сравниваемое напряжение образуется из суммы напряжений, создаваемых разными датчиками, то в УФ используется сумматор на операционных усилителях. Если при этом нужно обеспечить дополнительный сдвиг слагаемых напряжений или токов между собой, то каждый из сигналов подается на вход сумматора через некоторое комплексное сопротивление.

Когда из подаваемых в УС напряжений требуется исключить апериодические слагающие и составляющие высших гармоник, в УФ применяются активные полосовые фильтры.

Для выполнения реле защиты, реагирующих на симметричные составляющие токов и напряжений, применяют фильтры симметричных составляющих. На рисунке 119 изображена схема фильтра тока обратной последовательности, выполненная на ОУ и применяемая в УФ реле, реагирующих на токи обратной последовательности. Эта схема используется в реле тока обратной последовательности типов РТФ8 и РТФ9.

Число витков обмотки, обтекаемой током нулевого провода, в 3 раза меньше числа витков обмотки, обтекаемой фазным током. Благодаря этому соотношению витков обеспечивается компенсация токов нулевой последовательности на входе фильтра.

Параметры схемы подбирают таким образом, чтобы ; ; . Если подвести к фильтру симметричную систему токов прямой последовательности, то векторная диаграмма токов в плечах фильтра будет иметь вид, приведенный на рис. 119, б. Ток выхода фильтра в этом случае равен .

Если к фильтру подвести симметричную систему токов обратной последовательности (рис. 119, в), то модуль выходного тока фильтра будет превышать фазный ток в 1,5 раза.

Фильтр имеет тот недостаток, что при отклонении частоты сети от происходит увеличение погрешности, т.е. растет несбалансированный ток фильтра.

Узлы сравнения, используемые в серийных реле защиты, имеют несколько вариантов исполнения. Для реле тока и напряжения, реагирующих на полные значения измеряемых электрических величин, УС работает на времяимпульсном принципе (рис. 120). Для срабатывания реле требуется, чтобы, во-первых, входной сигнал превысил некоторое заданное значение и, во-вторых, обеспечивалось определенное соотношение между временем превышения заданного уровня и временем, когда входной сигнал ниже уровня срабатывания. Эти условия обеспечивают хорошую отстройку реле от помех, возникающих в цепи питания реле оперативным током и наведенных от смежных цепей напряжений.

УС содержит два индикатора уровня. Один из них входит в состав преобразующей части узла и представляет собой компаратор, собранный на ОУ А1. На Н-вход А1 через делитель на резисторах R2 и Л8-Л13 от источника питания подается положительное опорное напряжение , значение которого определяется заданной уставкой реле. На

И-вход А1 подается выпрямленное напряжение, пропорциональное току, поступающему от соответствующего датчика через диодный мост (рис. 118, а). Если значение поступающего выпрямленного напряжения меньше опорного напряжения, на выходе А1 будет положительное максимальное напряжение (+13 В). На временной диаграмме (рис. 120, б) это соответствует первому полупериоду изменения .

Имеющееся на выходе А1 положительное напряжение заряжает конденсатор С1 через резистор ,так как диод VD2 закрыт. Максимум напряжения на конденсаторе ограничивается напряжением стабилизации VD3 (9 В). Полученное напряжение подается на другой индикатор уровня, собранный на ОУ А2 и представляющий собой инвертирующий триггер Шмитта.

Положительное напряжение, поступающее с конденсатора С1 на И-вход А2,создает на выходе ОУ напряжение отрицательного знака (-13 В). Через цепь положительной обратной связи на Н-вход А2 проходит та часть этого напряжения, которая зависит от соотношения между сопротивлениями резисторов R6и R7. Она служит опорным напряжением срабатывания , определяющим второе условие срабатывания реле.

При возрастании входного напряжения до значения, превышающего опорное, происходит изменение режима компаратора, и знак выходного напряжения A1 становится отрицательным, оставаясь равным максимальному значению по модулю (-13 В).

а)

б)

Рис. 119 Схем» активного фильтра тока обратной последовательности (а) и его

векторная диаграмм» яви подаче токов прямой (б) и обратной (в) последовательностей

а)

б)

Рис. 120 Узел сравнения (УС) реле тока и напряжения:

а - принципиальная схема; б - временная диаграмма работы УС

Изменение знака напряжения на выходе А1 вызывает перезаряд конденсатора Cl, так как открывается диод VD2. Если уровень U_BX становится выше на непродолжительное время (второй и третий полупериоды изменения U_BX, рис. 120, б), то емкость С1 не успевает полностью перезарядиться. Происходит лишь снижение

напряжения на емкости С1 до значения, близкого к нулю, а после спадания U_BX ниже начинается повторный заряд емкости до максимального положительного уровня.

Исполнительная часть УС действует только тогда, когда за счет увеличения входного сигнала время, в течение которого U_BX превышает (промежуток а на рис. 120, б),станет достаточным, чтобы емкость С1 перезарядилась настолько, что отрицательное напряжение на ней стало ниже . Потенциал И-входа А2 достигнет в этом случае такого значения, что произойдет немедленное изменение знака выходного напряжения триггера на положительный. Это является признаком срабатывания реле. После изменения знака напряжения на выходе А2 напряжение на его Н-входе становится тоже положительным. Его называют опорным напряжением возврата , т.к. им определяется значение входного сигнала, которое требуется для возврата триггера Шмитта.

По окончании промежутка времени, соответствующего , емкость С1 снова начнет заряжаться. Постоянные времени заряда и разряда емкости С1 благодаря наличию диода VD2получаются неодинаковыми (сопротивление цепи заряда в 3 раза больше сопротивления цепи разряда). Поэтому, когда емкость С1 снова начнет заряжаться, она не успеет достичь уровня до того, как снова наступит разряд. Этим достигается релейное действие реагирующего органа.

Для возврата требуется, чтобы U_BX снизилось до такого значения, когда напряжение на конденсаторе С1 превысит . Последний полупериод изменения U_BX на рис. 120, бсоответствует этому моменту. Опыт показывает, что должно составлять примерно 1,6 с. За это время входное напряжение изменяется не более чем на 3%. Благодаря такому свойству работа реле мало зависит от формы кривой поступающего входного сигнала. Поэтому такие токовые реле надежно работают при значительных погрешностях трансформаторов тока.

Узел выхода реле защиты выполняется либо с помощью герконов - электромагнитных реле с магнитоуправляемыми контактами, либо с помощью электромеханических реле, которые связываются с УС через усилитель на транзисторах (рис. 121). УВ управляется сигналом, поступающим из УС на транзистор VТ1.Подключение обмотки реле К1 показано на рис. 121.

При поступлении на схему УС входного напряжения, не достигающего уставки срабатывания реле, на выходе УС удерживается отрицательный сигнал. Транзистор VT\ заперт и через выходное реле К1 протекает малый ток закрытого транзистора. При превышении поступающим на вход УС напряжением величины срабатывания сигнал на выходе УС становится положительным (рис. 120). Транзистор VT1 открывается и через выходное реле К1 начинает проходить ток, обеспечивающий его срабатывание. Реле К1 замыкает свои контакты в цепях логической части РЗ.

При возврате реле транзистор VT1 запирается и реле К1 приходит в исходное состояние. Диод VD1 служит для защиты схемы узла от коммутационных перенапряжений, возникающий при обесточивании реле К1.Диод VD2 на входе VT1 ограничивает уровень сигнала, приходящего на переход база-эмиттер транзистора.

Резистор R2 обеспечивает требуемое ограничение уровня входного сигнала. Диод VD2нужен для надежного запирания транзистора VT1в исходном несработанном состоянии выходного реле К1.

Для получения напряжения +15 В для питания ОУ применяют делители напряжения на резисторах. Необходимые уровни напряжений +15 В и –15 В при допустимых отклонениях напряжения 220 В поддерживаются с помощью стабилитронов типа КС515. Параллельно стабилитронам подключаются конденсаторы, служащие для защиты

ОУ от влияния помех, поступающих из сети оперативного тока. Схема узла питания приведена на рис. 122.

Рис. 121 Схема узлов выхода Рис. 122 Схема узла питания при переменном

статических реле защиты оперативном токе

Варисторы RV1и RV2 типа СН1 защищают реле от перенапряжений со стороны питания (сети). Нелинейные сопротивления (варисторы) ограничивают верхние уровни приходящих волн перенапряжений.

Типы серийных реле защиты

Реле защиты, основные узлы которых выполнены на ОУ или логических ИМС, называются статическими. В число реле, созданных на базе ОУ, входит большая серия реле тока типа РСТ (реле статическое тока), реле напряжения типа РСН (реле статическое напряжения), реле тока обратной последовательности типа РТФ (реле тока фильтровое) и реле мощности серии РМ (реле мощности). Одним из наиболее сложных статических реле является комплектное реле сопротивления типа БРЭ-2801, содержащее три однофазных дистанционных органа и предназначенное для использования в качестве измерительного органа дистанционных защит линий и трансформаторов 110-500 кВ.

Статические реле максимального тока серий РСТ-11 - РСТ-14. Эти реле предназначены для использования в качестве измерительных органов токовых защит, работающих как мгновенно, так и с выдержкой времени, если не требуются специальные меры по отстройке защиты от апериодических составляющих и высших гармоник, которые могут содержаться в первичных токах защищаемого объекта.

Схема реле выполнена на времяимпульсном принципе, гарантирующем хорошую помехоустойчивость реле и четкую работу при больших кратностях тока повреждения, когда погрешность трансформаторов тока может достигать больших значений (80%).

Реле РСТ-11 и РСТ-12 рассчитаны на питание переменным оперативным током 220 В частотой соответственной 50 Гц и 60Гц; реле РСТ-13 и РСТ-14 рассчитаны на питание постоянным током 220 В, а их рабочие частоты равны соответственно 50 и 60 Гц.

В условном обозначении реле первым указывается номер серии реле. Рядом с ним располагается двухзначное число, обозначающее максимальную уставку по току реле данного типоисполнения (семь вариантов типовых исполнений): 04 - на ток 0,2 А; 09 - 0,6 А; 14-2 А; 19 – 6 А; 24 – 20 А; 29 – 60 А; 32 –120 А. Третий знак условного обозначения - цифры 1 или 5. Цифра «1» показывает, что реле собрано для переднего подключения соединительных проводов, а цифра «5» - для заднего подключения проводов. В конце условного обозначения дается вид климатического исполнения реле: УХЛ4 - для умеренного климата и 04 - для тропических условий. Пример условного обозначения: РСТ-13-19-1-УХЛ4. Это реле относится к реле максимального тока, предназначенных для использования в сетях 50 Гц на объектах с

постоянным оперативным током 220 В, наибольшая уставка по току 6 А, с передним подключением проводов, реле должно работать в условиях умеренного климата. Структурная схема реле РСТ-13 приведена на рис. 123.

Рис. 123 Структурная схема реле тока серии РСТ-13

Измерительным узлом реле является промежуточный трансформатор тока ТА, а узлом формирования служит выпрямительный мост V1. Преобразующей частью УС является одно-пороговый компаратор А1 , который используется одновременно как первая ступень сравнения, определяющая ток срабатывания реле - поступающий сигнал сравнивается с заданным опорным напряжением. Для установки опорного сигнала, с помощью которого задается уставка реле, предусмотрены пять переключателей уставок SB1-SB5.Ими шунтируется часть резисторов, образующих делитель напряжения, питающийся от БП ±15 В. При размыкании переключателей изменяется доля напряжения, подаваемая на вход компаратора.

Выходной сигнал компаратора А1 поступает на следующую ступень сравнения - вре-мясравнивающую цепочку, состоящую из резисторов R7, R8, диода VD2,конденсатора С2 и стабилитрона VD3. Пороговым элементом этой цепочки и одновременно исполнительной частью УС служит триггер Шмитта А2.

Узел выхода реле состоит из транзистора VT1 и выходного электромагнитного реле РП-13 на рабочее напряжение 110 В. В компараторе А1 и триггере Шмитта используются ОУ типа К140УД7.

Коэффициент возврата реле РСТ превышает значение 0,9, а время действия при составляет не более 60 мс, а при 3 - 35 мс. Предельный ток, размыкаемый контактами реле, не должен превышать 1 А на постоянном токе и 2 А на переменном. Мощность, потребляемая реле из сети оперативного тока, составляет 7 Вт.

Чтобы выставить заданный ток срабатывания реле, нужно с помощью отвертки поставить соответствующие переключатели SB1-SB5в выступающее положение. Ток уставки равен