РЕЛЕ. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ – ТЕХНИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АППАРАТУРЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Релейная защита любой электроустановки содержит три основные части: измерительную, логическую и выходную. В измерительную часть входят измерительные и пусковые органы защиты, которые воздействуют на логическую часть при отклонении электрических параметров (тока, напряжения, мощности, сопротивления) от значений, 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 выполнялись только с помощью электромеханических реле.

Во всех органах защиты, за исключением измерительных, чаще всего применяют электромагнитные реле клапанного типа или со втягивающимся якорем.

Таким образом, в релейной защите используется весьма большое количество самых разных электромеханических устройств. Это привело к значительному усложнению производства релейной аппаратуры и ее обслуживания.

Современная энергетика развивается ускоренными темпами. Растет протяженность линий электропередачи, уровень рабочего напряжения уже превышает миллион вольт. На опорных подстанциях устанавливают трансформаторы с пропускной мощностью в несколько миллионов киловольт-ампер. В огромном количестве сооружаются линии и подстанции в распределительных сетях и на промышленных предприятиях.

Все это оборудование должно быть оснащено релейной защитой с самыми различными характеристиками. Во все увеличивающихся объемах должен быть обеспечен выпуск аппаратуры для релейной защиты. 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.

Возможный выход из создавшегося положения открылся благодаря успехам современной полупроводниковой схемотехники, а в первую очередь – созданию интегральных микросхем.

В последние годы в технике релейной защиты начала успешно применятся аппаратура, содержащая интегральные микросхемы. Использование микросхем позволило заметно улучшить характеристики защит по сравнению с традиционными на базе электромеханических реле.

Интегральные микросхемы относятся к категории электронных устройств средней степени интеграции, реализующих одну или несколько однородных функций.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает релейную аппаратуру только на серийных микросхемах средней степени интеграции.

Имеется два основных вида интегральных микросхем. Один вид – это так называемые логические микросхемы. Их роль заключается в том, что они обеспечивают подобно промежуточным реле выдачу управляющих команд в логической части защиты.

Логические микросхемы действуют при поступлении на их входы определенных сочетаний из двух управляющих сигналов – один из них называется нулевым и обозначается цифрой 0, а другой – единичным и обозначается цифрой 1. Эти сигналы поступают в виде напряжений постоянного тока. Нулевой сигнал – это напряжение “низкого”, или “нулевого”, уровня, а единичный – это напряжение “высокого”, или “единичного”, уровня.

На выходе микросхемы всегда держится один из таких сигналов. В исходном состоянии в зависимости от характера выполняемой операции на выходе микросхем устанавливается либо нулевой, либо единичный сигнал. При действии микросхемы происходит замена имеющегося выходного сигнала сигналом другого уровня. Такое действие аналогично замыканию или размыканию контакта промежуточного реле при образовании цепочки на его срабатывание.

Другой вид интегральных микросхем, называемых аналоговыми или линейными, представляют собой усилительное устройство высокой чувствительности. Оно имеет обычно два отдельных входных и общий выходной зажимы.

Кроме них имеются зажимы для подачи напряжений питания, а в некоторых вариантах исполнения – также дополнительные зажимы для компенсации внутренних искажающих сигналов.

В аналоговых микросхемах производится усиление напряжения, представляющего собой разность напряжений, подаваемых на входные зажимы. Аналоговые микросхемы имеют очень большой коэффициент усиления. Выходное сопротивление таких микросхем весьма мало, и в применяемых схемах его обычно не учитывают. Практически можно считать, что сигнал на выходе аналогового усилителя отсутствует только тогда, когда оба входных тока или их разность равны нулю. При появлении входного тока благодаря тому, что коэффициент усиления операционного усилителя стремится к бесконечности, напряжение на выходе сразу же достигает максимального значения, близкого к напряжению питания. Оно оценивается как напряжение насыщения. Знак этого напряжения определяется знаком разности входных токов.

В связи с тем, что аналоговые микросхемы были впервые применены для выполнения математических действий в ЭВМ, их стали называть операционными усилителями (ОУ).

Серийная аппаратура релейной защиты, выполнена на основе интегральных микросхем, изготавливается в двух видах.

Один вид - это аппараты, представляющие собой отдельные органы измерительной или логической частей защиты. По аналогии с электромеханическими реле за такими органами сохранено название реле защиты. В интегральном исполнении выпускаются различные реле: тока, напряжения, направления мощности, сопротивления, а также времени.

В электроустановках из таких реле монтируют измерительную часть устройств релейной защиты. Наряду с этим логическая часть подобных устройств может выполняться как на электромагнитных реле, так и на базе логических микросхем в сочетании с контактными выходными элементами.

Другим видом изделий является комплектная аппаратура, представляющая собой набор устройств релейной защиты целого присоединения, собранных в кассеты, которые монтируются на панелях или в шкафах заводского производства.

На энергетические объекты такие панели и шкафы поставляются в полностью готовом состоянии и нуждаются только в привязке ко вторичным цепям присоединений.

В схемах реле защиты преимущественно используются операционные усилители. Логические микросхемы применяют главным образом для реле времени и в логической части комплектных панелей и шкафов релейной защиты.

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

У реле защиты,содержащих операционные усилители, имеется ряд узлов, которыми не располагают электромеханические реле.

Обобщенная структурная схема статического реле защиты, в котором применены ОУ, показана на следующем рис.

Структурная схема статического реле защиты:

УП - узел питания; УИ - узел измерения; УФ - узел формирования; УС - узел сравнения (ПЧ - преобразующая часть, СС - схема сравнения, ИЧ - исполнительная часть); УВ - узел выхода.

У таких реле имеется пять основных узлов:

1. Узел измерения (УИ), содержащий измерительные преобразователи или датчики тока и напряжения, подаваемых на реле от измерительных трансформаторов тока и напряжения защищаемого объекта;

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

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

4. Узел выхода (УВ) обеспечивает действие содержащегося в нем электромеханического реле при поступлении управляющего сигнала из узла сравнения;

5. Узел питания (УП) предназначен для получения от источника оперативного тока защищаемого объекта стабилизированных напряжений постоянного тока, требующихся для работы интегральных микросхем и исполнительного выходного реле. Для каждого типа реле указывается, к какому источнику оперативного тока оно должно подключаться.

Содержащиеся в УИ измерительные преобразователи (датчики) представляют собой промежуточные трансформаторы или трансреакторы, предназначенные для отделения полупроводниковой части реле от вторичных цепей защищаемого объекта. Одновременно эти преобразователи служат для трансформации токов и напряжений. Уровень трансформированных сигналов выбирается по условиям управления операционными усилителями.

Число датчиков определяется схемой реле. В токовых реле применяют один или несколько датчиков тока, а в реле напряжения - соответствующее число датчиков напряжения.

В реле сопротивления и в реле направления мощности устанавливают как датчики тока, так и датчики напряжения.

ТИПЫ СЕРИЙНЫХ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

В последние годы появилось несколько типов реле защиты, основные узлы которых выполнены на операционных усилителях или логических интегральных микросхемах. Такие реле получили наименование статических. В число реле, созданных на базе ОУ, входит большая серия реле тока типа РСТ и серия реле напряжения типа РСН. Несколько раньше были внедрены в производство реле тока обратной последовательности серии РТФ и статические реле направления мощности серии РМ. Одним из наиболее сложных из освоенных 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.

Наряду с указанными имеется еще несколько типов статических реле защиты, которые либо имеют ограниченную область применения, либо не содержат операционных усилителей.

СТАТИЧЕСКИЕ РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА СЕРИЙ РСТ11-РСТ14 предназначены для использования в качестве измерительных органов токовых защит, как мгновенного действия, так и работающих с выдержкой времени любых присоединений электроустановок. Они пригодны для всех случаев, когда 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. Принятое исполнение обеспечивает также четкую работу реле при больших кратностях тока повреждения по отношению к номинальному току трансформаторов тока, когда их погрешность может достигать 80-90%. Реле обладают повышенной сейсмостойкостью и рассчитаны для применения на объектах атомной энергетики.

РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО И МИНИМАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ входят в серии РСН 14 – РСН 17, каждая из которых имеет несколько типовых исполнений. Реле РСН 14 и РСН 15 являются реле максимального напряжения, которые реагируют на повышение напряжения в сети защищаемого объекта, а реле РСН 16 и РСН 17 представляют собой реле минимального напряжения, срабатывающие при понижении напряжения в сети.

По своему устройству реле серий РСН 14 – РСН 17 подобны реле РСТ. Различаются они лишь тем, что вместо датчика тока в них установлен датчик напряжения.

РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ входят в состав серии РСН 13. Они используются в качестве пусковых органов защит, реагирующих на несимметричные КЗ. Измерительная часть реле рассчитана на подключение к источнику трехфазного напряжения переменного тока с линейным напряжением, равным 100 В. Рабочая частота составляет 50 Гц или 60 Гц. Для питания реле оперативным током требуется источник постоянного тока напряжением 220 В.

Напряжение срабатывания обратной последовательности может устанавливаться в пределах от 6 до 24.6 В (линейных) ступенями через 0.6 В.

РЕЛЕ ТОКА ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СЕРИЙ РТФ8 И РТФ9 относятся к числу изделий на операционных усилителях, впервые освоенных на Чебоксарском электроаппаратном заводе в начале 80-х годов. Эти реле создавались для замены таких сложных комплексных реле, как РТФ 1М и РТФ 7, громоздких по размерам и неудобных в обслуживании.

Реле РТФ 8 используются в качестве пускового органа токовой защиты обратной последовательности линий и трансформаторов. Реле РТФ 9 применяются для аналогичных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор, когда нужно осуществить несколько ступеней защиты обратной последовательности.

Реле РТФ 8 изготовляются на номинальные токи 1 и 5 А и имеют диапазон уставок по току обратной последовательности от 0.3 до 1.2 номинального. Реле РТФ 9 выпускаются на номинальные токи 1.5 и 10 А и содержат два измерительных органа, имеющих разные диапазоны уставок по току обратной последовательности.

Для первого, более грубого органа пределы составляют от 0.4 до 1.6, а для второго, чувствительного – от 0.04 до 0.16 номинального тока реле. Регулировка уставок производится ступенями по 10 %. Реле предназначено для работы на постоянном оперативном токе напряжением 220 В или 110 В. Рабочая частота реле 50 Гц или 60 Гц. При заказе помимо значения номинального тока реле нужно указывать, на какое напряжение оперативного тока и рабочую частоту должно быть исполнено реле. В качестве выходного применено электромагнитное реле типа РП 13 на 110 В с двумя замыкающими контактами.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ РЕЛЕ ТОКА СЕРИЙ РСТ 15, РСТ 16 применяются в качестве измерительных органов дифференциальной защиты понижающих трансформаторов и мощных электродвигателей. Так же как и другие реле серий РСТ, эти реле имеют сейсмостойкую конструкцию.

Реле РСТ 15, РСТ 16 обладают высокой степенью отстройки от переходных токов небаланса, возникающих при включении трансформаторов и двигателей под напряжение. Поэтому ток срабатывания дифференциальной защиты при применении этих реле можно устанавливать на уровне 0.5 номинального тока трансформатора или двигателя.

Область применения реле серий РСТ 15, РСТ 16 ограничивается объектами, для которых не требуется автоматически загрублять защиту при близких внешних КЗ, т.е. когда не требуется реле с тормозными характеристиками.

Серия реле РСТ 15 предназначена для сетей с промышленной частотой 50 Гц, а серия РСТ 16 - для сетей с частотой 60 Гц. Все реле имеют номинальных ток 5 А и рассчитаны на питание постоянным оперативным током 220 В.

РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ СЕРИЙ РМ 11, РМ 12 являются одними из первых изделий на базе микросхем, внедренных в серийное производство. Эти реле предназначены для замены индукционных реле направления мощности, выпускавшихся до настоящего времени. Индукционные реле обладают рядом принципиальных недостатков, таких как наличие самохода и вибрации контактных систем, низкая механическая устойчивость. Многократные попытки избавить реле от этих недостатков не дали весомых результатов. Поэтому вопрос создания реле направления мощности на новой базе стоял особенно остро.

БЛОК РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ БРЭ 2801 представляет собой комплектное реле, содержащее три дистанционных органа, каждый из которых имеет на выходе отдельное электромагнитное реле типа РП 13 с одной парой переключающих контактов. Такие блоки выпускаются вместо комплектов реле сопротивления типов КРС2 и КРС3. Как и эти реле, блок БРЭ 2801 может использоваться в качестве пускового или измерительного органа дистанционной защиты линий и трансформаторов напряжением 110 кВ и выше.

Реле КРС2 и КРС3 обладают значительными размерами, имеют весьма сложную конструкцию; потребляют довольно большую мощность от измерительных трансформаторов тока и напряжения и могут неправильно работать при нарушениях в цепях напряжения и тока. Благодаря тому что схема блока БРЭ 2801 собрана на ОУ, его габариты и потребление получились меньшими, а возможность неправильного действия при различных нарушениях в цепях резко сократилась.

ТЕХНИКА ОБСЛУЖИВАНИЯ АППАРАТУРЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

НАЛАДКА СТАТИЧЕСКИХ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ несколько отличается по объему от наладки электромеханических реле и имеет свои особенности.

Обычно применяется следующая последовательность работ при наладке статических реле защиты:

1) внешний осмотр и проверка состояния монтажа;

2) механическая регулировка реле и переключателей;

3) измерение сопротивления изоляции;

4) проверка питания реле оперативным током;

5) измерение напряжений постоянного тока в контрольных точках;

6) проверка напряжений (токов) срабатывания электромагнитных реле и герконов;

7) проверка датчиков тока и напряжения;

8) снятие электрических характеристик реле;

9) проверка реле рабочим током и напряжением.