Дистанционная защита

Мертвая зона и зона нечеткого действия реле. При КЗ в непосредственной близости от места установки ДЗ (рис.11.18, а) направленное PC может отказать в работе при КЗ в точке К1 или сработать неселективно при КЗ в точке К2. Причиной неправильной работы является нарушение условия действия PC, определяемого выражением (11.16 а), вызванное снижением до нуля напряжения U_p (при близких КЗ), а также неточным равенством коэффициентов преобразования тока I_р трансреактора TAV1 (см. рис.11.17, а). В результате характеристика реле может сместиться в I или III квадрант, что приведет соответственно к отказу или неселективному действию реле при КЗ в зоне смещения характеристики (точки К1 и К2 на рис.11.18, а).

Для устранения мертвой зоны и зоны нечеткой работы реле в рабочий и тормозной контуры реле вводятся дополнительно по значению одинаковые ЭДС "памяти" E_п, создаваемые трансреактором TAV2.

С учетом этого условие срабатывания реле (11.16) примет вид

а при близких КЗ, когда U_р = 0, условие (11.17) превращается в следующее:

При этом условии PC работает, как РНМ с поляризующим напряжением Е_п (вместо U_р = 0), с характеристикой срабатывания, приведенной на рис.11.18,6. Чтобы сохранить круговую характеристику при всех КЗ, при которых U_р > 0 с добавлением дополнительной ЭДС Е_п по (11.17), последняя должна совпадать по фазе с U_p и иметь возможно меньшее значение -- не превышать 2-3% нормального уровня U_р и оставаться неизменным при К⁽²⁾ между фазами, напряжение которых U_р, подводится к данному PC. Для выполнения этих условий на вход TAV2 (рис.11.17, а) подается напряжение фазы, не подводимой к TV1. Например, если U_p = U_AB, то U_п = U_Co. Поскольку напряжение U_C сдвинуто относительно междуфазного напряжения повредившихся фаз (U_AB) (рис.11.18, г), чтобы обеспечить совпадение по фазе вторичной ЭДС Е_п с U_р, в цепь первичной обмотки TAV2 введен конденсатор С6, емкостное сопротивление которого в сочетании с индуктивностью первичной обмотки трансреактора образует резонансный контур, настроенный в резонанс при f = 50 Гц. При такой схеме ток в первичной обмотке I_П совпадает по фазе с напряжением U_п = U_Co, подведенным к TAV2, а вторичная ЭДС Е_п отстает на 90° от вызвавшего ее тока I_п и совпадает по фазе с U_р = U_AB.

При трехфазных КЗ, когда все напряжения снижаются до нуля, ЭДС Е_п поддерживается некоторое время за счет разряда конденсатора С. При этом ЭДС памяти создает быстро затухающий ток I_С в обоих контурах (рис.11.18, д), обеспечивая работу PC при исчезновении напряжения.

По рассмотренной схеме (рис.11.17, а) ЧЭАЗ выпускает PC, используемые в качестве ДО I и II ступеней в РЗ типа ЭПЗ-1636. Третья ступень в комплекте этой защиты осуществляется с помощью PC типа КРС-1, схема которого приведена на рис.11.19, а.

Условие срабатывания реле КРС-1:

Для устранения мертвой зоны и четкой работы при малых значениях U_p (при близких КЗ) характеристика срабатывания реле -- окружность смещена в III квадрант на 6-12% Z_c.p (в тормозной контур реле вводится резистор R14). Конструкции обоих PC подробно рассмотрены в [30]. Выполнение заданной уставки Z_c.p осуществляется изменением числа витков первичных обмоток ТAV1 и числа витков вторичной обмотки TV1 (рис.11.19, б). В качестве НИ, реагирующего на знак тока в реле сопротивления ДЗ-2 и КРС-1, первоначально использовалось магнитоэлектрическое реле. Однако вследствие несовершенства его конструкции завод заменил его на НИ на полупроводниковых реле с ОУ (см. гл. 2 и рис. 11.20).

Направленное PC с эллиптической характеристикой срабатывания. С помощью PC III ступени РЗ типа ЭП1636 (рис.11.19, б) может быть реализована круговая и эллиптическая характеристика (см. рис.11.14, г), обеспечивающая лучшую отстройку ДО от токов нагрузки. Для получения эллиптической характеристики срабатывания PC используется дополнительная цепочка, состоящая из диода VD8 и активных сопротивлений R25-R27 (рис.11.19, б). Эта цепочка шунтирует РО, срезая положительные полуволны переменной составляющей разности мгновенных значений U₁ и U₂, благодаря чему и обеспечивается эллиптическая характеристика срабатывания реле, показанная на рис.11.14, г и 11.19, в.

Как видно из диаграммы, построенной на рис.11.19, в, точки С и 0 характеристики PC получаются, когда векторы U₁ и U₂ либо совпадают по фазе, либо сдвинуты на угол 180°. В обоих случаях переменные составляющие на выходах VS1 и VS2 совпадают по фазе и, следовательно, их разность, прикладываемая к сглаживающему фильтру и НИ, близка к нулю. Когда вектор U₂ сдвинут относительно вектора U₁ на 90° (точки E и D на рис.11.19, в), соответственно сдвинуты и мгновенные значения напряжений на выходах диодных мостов VS1 и VS2. Переменная составляющая разности мгновенных значений этих напряжений, приложенная к сглаживающему фильтру и НИ, получается в этом случае максимальной. Шунтирование переменной составляющей через цепочку VD8-R25-R27 равносильно уменьшению тока в НИ, действующего в сторону срабатывания. В результате рабочее напряжение U₁ уравновешивается меньшим значением U₂ и характеристика срабатывания PC сжимается (точки D и E смещаются в положения D' и E') (рис.11.19, в). Промежуточным значениям углов между U₁ и U₂ соответствуют точки характеристики, располагающиеся на эллипсе с осями ОС и D'E' (рис.11.19, в). Регулировка эллипсности осуществляется с помощью сопротивлений R25-R27. Для уменьшения вибрации НИ при работе PC с эллиптической характеристикой параллельно НИ подключен конденсатор С5.

Реле сопротивления с характеристиками в виде окружности, смещенной относительно начала координат. Еcли принять в (11.15), определяющем характер связи U₁ и U₂ с U_р и I_p, , то характеристика PC будет изображаться окружностью, смещенной относительно начала координат при в сторону III квадранта, а при -- в сторону I квадранта. Если же принять = 0, получим , a -- характеристика в виде окружности с центром в начале координат.

8.Реле сопротивления на сравнении ФАЗ двух электрических величин. выполняемые на ИМС

Принцип построения и способы сравнения фаз. На сравнении фаз двух величин можно получать PC с характеристиками срабатывания в виде окружности, прямой линии и в виде эллипса [47].

В качестве сравниваемых величин используются напряжения U₁ и U₂, образованные по (11.14) и связанные с сопротивлением на зажимах реле Z_p уравнениями (11.14а):

Векторы сопротивлений и являются постоянными величинами, определяющими положение и форму характеристики срабатывания на комплексной плоскости Z, часто называемыми векторами особых точек. Активные и реактивные составляющие этих векторов являются координатами двух "особых точек", через которые должна проходить характеристика реле. Схема PC, построенного на сравнении фаз, должна осуществлять измерение угла ц между U₁, и U₂ и сравнение его значения с заданными углами ш₁ и ш₂, определяющими границы угла ц (рис.11.21, а), в пределах которых реле должно срабатывать:

Для определения граничных условий срабатывания по выражению (11.19) в отечественных PC используются схемы сравнения (СС), построенные на времяимпульсном принципе.

Времяимпульсный принцип пояснялся в гл. 2 при рассмотрении устройства органов направления мощности. По этому принципу сравнение фаз двух напряжений U₁ и U₂ осуществляется косвенно измерением, а затем сопоставлением времени совпадения и несовпадения их мгновенных значений.

На рис. 11.21, б показаны синусоиды мгновенных значений u₁ = U_m1sinщt и u₂ = U_m2sin(щt - - ц), сдвинутые по фазе на угол ц. В заштрихованной части положительного полупериода U₁ знаки мгновенных значений u₁ и u₂ одинаковы, а в незаштрихованной -- различны. В отрицательном полупериоде U₁ картина совпадения и несовпадения повторяется. Угол несовпадения знаков ц_нс = ц (углу сдвига фаз), угол совпадения ц_с = р - ц. Этим значениям (ц_нс и ц_с) соответствуют времена несовпадения и совпадения:

Из (11.20) следует вывод, что, измерив значения t_нс и t_c, можно однозначно определить значение сдвига фаз между сравниваемыми напряжениями (U₁ и U₂).

Условие срабатывания PC определяется значением t_нс (t_c) ? t_y (заданная уставка) либо соотношением длительностей импульсов несовпадения и совпадения t_нс к t_c (или t_c к t_нс), например t_нс < t_c (или наоборот).

В первом случае реле срабатывает, если t_нс > t_y, и не действует, если t_нс < t_y. Заданному значению t_y соответствует наименьший угол сдвига фаз между U₁ и U₂:

Во втором случае задается значение К в выражении t_нс ? Kt_c.

Для получения круговой характеристики PC принимается t_y = Т/4 = 0,005 с, К = 1. При этом t_нс = t_c. Тогда условие срабатывания PC (11.18) для первого и второго вариантов примет вид:

Функциональная схема устройства сравнения фаз (УС), построенного на времяимпульсном принципе, и диаграммы, характеризующие его работу, приведены на рис.11.22 и 11.23. Устройство сравнения УС (рис.11.22) содержит блок 1 ФИН, формирующий импульсы напряжения, характеризующие продолжительность времени t_нс и t_c сравниваемых величин, и блок 2 РО, сравнивающий длительность импульсов с заданным t_y или друг с другом. Блок 2 действует на выходной элемент 3, формирующий сигнал срабатывания реле. Блок 1 фиксирует совпадение и несовпадение знаков мгновенных значений входных напряжений U₁ и U₂ и образует выходные сигналы в виде прямоугольных импульсов напряжения разных полярностей, показанных на рис.11.23, а. В течение времени, когда знаки мгновенных значений U₁ и U₂ совпадают, выходной сигнал блока 1 имеет положительный знак + U_c, а во время их несовпадения -- отрицательный знак -U_нс. Продолжительность сигнала + U_c равна времени совпадения t_c, а сигнала -U_нс -- времени t_нс. Эти сигналы (+U_c = t_c и -U_нс = t_нс.) поступают на вход блока 2, который сопоставляет длительность входных сигналов, определяя таким образом соотношение времен t_c и t_нс, а затем сравнивает t_нс с заданным временем t_y либо с Kt_с. Блок 2, действующий по первому варианту, принято называть РО1, а по второму -- РО2. Блоки 2 и 3 рассматриваются иногда как единый орган сравнения, включающий в себя измерительный и выходной элементы.

9.Схемы трех основных функциональных элементов pc, построенных на сравнении фаз

Реле сопротивления состоит из функциональных элементов, входящих в состав общей структурной схемы PC (см. рис.11.15) и структурной схемы (рис.11.22). Схемы этих элементов однотипны, они применяются с небольшими изменениями в реле на сравнении фаз двух, трех и четырех сравниваемых величин.

Преобразователи напряжения и тока воспринимают сигналы (U_p и I_р), поступающие от ТН и ТТ, уменьшают их и превращают в напряжения, пропорциональные U_p и I_р и совпадающие с ними по фазе. В качестве преобразователей используются промежуточные ТН (ПТН) и ТТ (ПТТ), их упрощенные схемы приведены на рис.11.24.

Промежуточные ТН. Первичная обмотка w₁ промежуточного ПТН (рис.11.24, а) включается на междуфазное напряжение U_p = U_мф. Вторичное напряжение на зажимах 1 и 2 ПТН U_вых = K_нU_р, где К_н -- коэффициент преобразования (трансформации ПТН) U_вх в U_вых. Промежуточное ТН работает в режиме, близком к холостому ходу, поэтому К_н = U_вых/U_вх = w₂/w₁ и выбирается таким, чтобы U_вых не превышало значения, допустимого для полупроводниковых элементов схемы. Вторичная обмотка ПТН обычно замкнута на делитель напряжения R. Изменение уставки срабатывания PC осуществляется двумя способами: ступенями -- изменением ответвлений на w₂ и плавно -- изменением сопротивления R:

где К_рег = 1, если движок делителя находится в точке 1'; К_прU = К_регК_н -- результирующий коэффициент преобразования U_p.

Промежуточные ТТ. Первичная обмотка ПТТ состоит из двух секций с одинаковым числом витков w₁. Каждая секция включается на ток соответствующей фазы (в ДЗ от междуфазных КЗ -- по табл. 11.1) так, чтобы создаваемые ими МДС были направлены встречно (рис.11.24, б). Преобразователи тока должны преобразовывать входной ток I_р в пропорциональное ему вторичное напряжение U_ПТТ = I_p, для чего вторичная обмотка ПТТ замыкается на резистор R (рис.11.24, б), с которого снимается U_вых = I_вых R. С учетом коэффициента трансформации K_т получим

где .

Как и в ПТН, регулирование уставки может осуществляться ступенчато -- регулированием К_т либо плавно -- изменением R.

На рис. 11.24, в изображена схема ПТТ, применяемая в ДЗ ЩДЭ-2801, выпускаемой ЧЭАЗ. Выходное напряжение снимается с делителя R1 и R2, средняя точка которого соединяется с нулевой шинкой. Потенциалы точек 1 и 2 имеют противоположную полярность относительно нулевой шинки. Это позволяет получить два напряжения разной полярности (+U_Т1 и -U_Т2), которые, как было показано в §11.7, необходимы для получения особых точек, определяющих характеристику срабатывания. Регулирование уставки PC производится включением параллельно делителю R1-R2 резисторов R4 и R5 переключателями SB1 и SB2.

В схеме установлен варистор R3, сопротивление которого уменьшается с увеличением приложенного к нему напряжения. При больших токах I_р варистор ограничивает уровень U_вых. Общим требованием для всех преобразователей является точность преобразования, которая обеспечивается при работе преобразователей в линейной части характеристики U_вых = f(U_вх). Выходное напряжение ПТН и напряжения с выхода ПТТ U_T1 и U_T2 передаются на следующий элемент ИО, формирующий из этих напряжений сравниваемые напряжения по (11.14).

Устройство формирования сравниваемых напряжений (УФ). Получив с выхода ПНТ и ПТТ преобразованные значения U_p и I_p, в виде напряжений K_прUU_p и К_прII_р, устройство формиро-ания производит их сложение с помощью сумматора, построенного на инвертирующем ОУ (рассмотренном в § 2.5). В результате этой операции на выходе сумматора должно быть получено одно из п сравниваемых напряжений типа U₁, U₂, ..., U_j,...,U_n, построенных по выражениям (11.14), например напряжение U_j:

Координаты особой точки на плоскости Z, соответствующей данному напряжению U_j, как уже отмечалось, определяются вектором сопротивления Z_j = -К_Ij /K_Uj.

Как видно из рис.11.25, напряжения с промежуточных трансформаторов ПТН (TVL) и ПТТ (TAL) передаются на инвертирующий вход ОУ по отдельным цепям, в которые включаются (в общем случае) комплексные сопротивления Z_l и Z₂, а в цепь ОС вводится сопротивление Z_oc. Неинвертирующий вход соединяется с нулевой точкой. При появлении на И-входе напряжений от промежуточных трансформаторов ОУ осуществляет их суммирование с усилением каждого входного сигнала в K_п pаз (где К_п -- коэффициент передачи, равный коэффициенту усиления инвертирующего ОУ). Его значение (см. § 2.5) определяется отношением сопротивления Z_OC к сопротивлению цепи, по которой поступает данный сигнал. В рассматриваемой схеме для сигнала от ПТН К_п ПТН = Z_OC/Z₁, а для сигнала, идущего от ПТТ, К_п ПТН = Z_OC/Z₂.

В результате сложения входных сигналов с умножением их на удельный коэффициент передачи К_у.П на выходе суммирующего ОУ формируется заданное напряжение, например U_j, в соответствии с (11.24) и (11.14):

Сопоставляя (11.25) и (11.24), можно установить, что в сформированном напряжении U_j коэффициенты K_Uj и К_Ij имеют следующий вид:

а вектор особой точки j

Аналогично формируются все остальные n -- j сравниваемые величины. Количество формируемых величин (напряжений типа U_j) зависит от формы характеристики срабатывания (например, для окружности п = 2, для четырехугольника п = 4).

Из (11.25) и рис.11.25, а следует, что коэффициенты при U_p и I_p реализуются посредством коэффициентов преобразования напряжения и тока (U_p, и I_p), применяемых в вспомогательных измерительных трансформаторах, и сопротивлений Z₁, Z₂ и Z₃ в цепях тока и напряжения сумматора на ОУ. Эти величины определяются при разработке дистанционных органов защиты и остаются неизменными в процессе эксплуатации. Эксплуатационный персонал может регулировать только уставки ИО. Коэффициенты К_Uj в (11.14) являются действительными числами и реализуются в виде сопротивления резисторов R_н, а коэффициент К_Ij должен быть комплексной величиной и реализовываться активным сопротивлением резистора R_т и реактивным сопротивлением X, обычно выполняемым в виде конденсатора (рис.11.25, б). Активные и реактивные составляющие K_I определяют значения координат jX и R особых точек, например точки 1, показанной на рис.11.25, в.

Из (11.25а) следует, что коэффициенты K_Uj и К_Ij образуются с помощью входных сопротивлений в схеме сумматора (Z₁, Z₂, Z₃) и параметров элементов ПНТ и ПТТ. Определив значения K_Uj и K_Ij, можно найти значение Z_j и координаты особой точки j на комплексной плоскости R, jX.

В общем случае положение точки на комплексной плоскости определяется вектором комплексного сопротивления Z_n = -K_In/K_Un. Необходимые значения K_Un и K_In для получения требуемого U_n находятся по (11.25 б) соответствующим подбором величин, определяющих эти коэффициенты. Для образования К_U в выражениях (11.14) и (11.14а) служит резистор R_н, включенный в цепь, питаемую напряжением ПТН, а для образования K_I -- резистор R_т (рис.11.25) и конденсатор Х_C. По типовой схеме на рис.11.25 выполняются сумматоры напряжений U₁ и U₂, а значения этих напряжений и коэффициентов K_Un и К_In определяются выражениями (11.25). С выхода сумматоров УФ n сформированных напряжений U₁ - U_n поступают на схему сравнения их фаз.

Схема сравнения фаз СС, применяемая в отечественных ДО обычно выполняется на времяимпульсном принципе. В §11.10 пояснено, что условием срабатывания подобного ДО является наличие непрерывного (в течение не менее полупериода промышленной частоты) несовпадения знаков мгновенных значений п сравниваемых величин.

С учетом этого рассматриваемая схема сравнения состоит (рис.11.26, а) из формирователя импульсов несовпадения ФИН, выявляющего длительность несовпадения знаков сравниваемых напряжений U₁ - U_n, поступающих на вход СС, и реагирующего органа РО, на вход которого приходит сигнал ФИН о наличии несовпадения знаков U₁ - U_n. Реагирующий орган сравнивает длительность этого сигнала t_нс с заданной величиной t_y или с длительностью сигнала о совпадении t_c.

Схема сравнения выдает сигнал о срабатывании ДО, если t_нс ? t_y.

Формирователь импульсов несовпадения (рис.11.26, б). Основными элементами схемы ФИН являются: двухполупериодный диодный селектор (избиратель) положительных и отрицательных сигналов, выполняемый на основе диодной сборки VD'₁, VD'₂, ..., VD'_n (селектор положительных сигналов) и сборки VD''₁, VD''₂, ..., VD''_n (селектор отрицательных сигналов) и операционный усилитель ОУ, формирующий выходные сигналы (импульсы напряжения отрицательного знака при несовпадении знаков сравниваемых величин и положительного -- при их совпадении). Инвертирующий вход 1 ОУ подключается к селектору положительных сигналов С⁽⁺⁾ и напряжению источника питания отрицательной полярности -Е_п = 15В в точке т делителя напряжения R1-R3, а неинвертирующий вход 2 ОУ -- к селектору отрицательных сигналов С^(-) и напряжению источника питания положительного знака +Е_п = 15В в точке п делителя R2-R4. Для получения необходимых уровней напряжения в точках т и п делителей напряжения значения их сопротивления выбираются по условию R1 = R2, R3 = R4, при этом R3 и R4 >> R1 и R2.

Между точками т и п делителей и входами 1 и 2 ОУ подключены диоды VD1, VD2, которые ограничивают уровень напряжения на входе ОУ. Диод VD1 открывается только при появлении положительного входного напряжения на шинке С⁽⁺⁾, возникающего под воздействием мгновенного значения входного сигнала, достаточного для открытия диодов VD1' - VD'_n. Аналогично под воздействием отрицательного входного напряжения открывается диод VD2.

Рассмотрим кратко работу схемы ФИН в режиме совпадения знаков входных сигналов и при их несовпадении. Следует учесть, что ОУ включен по дифференциальной (без ОС) схеме и поэтому работает в нелинейной насыщенной части входной характеристики. При появлении входного напряжения U_вх = U₂ - U₁ выходное напряжение ОУ U_вых = ± U_OУ max =12ч13 В. Знак U_вых определяется знаком U₂ - U₁: при +U₂ > U₁ U_вых имеет положительный знак; при U₁ > U₂ -- отрицательный. При несовпадении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений на вход селектора поступают одновременно разнополярные сигналы. Под действием наибольшего напряжения положительного знака открывается соответствующий диод положительного селектора (например, если наибольшим в данный момент является +U₂, то открыт диод VD2'). В этот же момент времени наибольшее входное напряжение отрицательного знака откроет один из диодов VD1",…, VD''_n селектора отрицательной полярности. Под действием появившихся на выходе С⁽⁺⁾ и С^(-) напряжений откроются диоды VD1 и VD2 соответственно.

С учетом этого напряжения на инвертирующем входе 1 и неинвертирующем 2 будут равны падению напряжения в открытых диодах VD1 и соответственно в VD2, но различными по знаку (на входе 1 "+", на входе 2 "-").

Напряжения U₁ = +ДU_o VD1, U₂ = -ДU_o VD1 а дифференциальное входное напряжение U₂ - U₂ = -ДU_o VD1 - (+ДU_o VD1) = = -2ДU_o VD1. В соответствии с этим на выходе ОУ установится напряжение отрицательного знака U_вых = -U_OУ max.

Рассматривая схему на рис.11.26, б при совпадении знаков входных сигналов (сначала положительных, а затем отрицательных) и определяя, как и в предыдущем режиме, работу селектора и диодов VD1 и VD2, можно показать, что входное напряжение U₂ - U₁ будет иметь положительный знак, соответственно положительным по знаку будет выходной сигнал ОУ:

U_вых = +U_ОУ mах.

Из приведенного рассмотрения следует, что на выходе схемы ФИН при несовпадении знаков сравниваемых напряжений появляется сигнал отрицательного знака, а при совпадении --сигнал положительного знака.

Эти сигналы поступают на реагирующий орган (РО) схемы сравнения, где на основе их сопоставления выдается соответствующий сигнал (о действии или недействии ИО сопротивления ДЗ).

Таким образом, в течение каждого полупериода изменения U₁ и U₂ на выходе схемы ФИН появляется положительный сигнал U_вых = +U_c при совпадении знаков сравниваемых величин и отрицательный сигнал -U_нс во время их несовпадения. Продолжительность положительного сигнала равна времени совпадения t_c, а отрицательного -- времени несовпадения t_нс = Т/2 - t_c. Выходные сигналы отрицательной и положительной полярностей поступают на вход схемы РО, производящего сравнение их длительности.

Реагирующие органы. При рассмотрении структурной схемы формирования импульсов отмечалось, что имеется два варианта исполнения реагирующего органа: РО1, в котором осуществляется сравнение времени несовпадения t_нс с заданным временем (уставкой) t_y, и РО2, сравнивающего t_нс с t_c.

Реагирующий орган РО1 (рис. 11.27, а). Схема РО1 состоит из элемента выдержки R1-C1 (с t_c.p до 0,1 с), транзистора VT1, входного и выходного логических элементов И-НЕ (выполняющих функции инвертора), D1, D2 и диода VD2, разрешающего при несовпадении знаков сравниваемых напряжений пуск элемента задержки. При совпадении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений с выхода ФИН на вход реагирующего органа поступает сигнал +U_c (логическая 1). При этом диод VD1 открывается, на выходе D1 появляется сигнал на уровне логического 0, потенциал в точке 1 имеет нулевой уровень, VT1 открывается, потенциал в точке 2 становится равен логическому 0, а на выходе D2 логической 1. Это означает, что ИО не действует. Конденсатор С1 разряжен, так как потенциал на его обкладках равен нулю.

При несовпадении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений на входе схемы появляется сигнал отрицательного уровня -U_нс (логический 0). В этом случае VD1 закрыт и на входе инвертора D1 присутствует сигнал, равный 0, а на выходе сигнал 1; потенциал точки 1 (а следовательно, и базы VT1) равен падению напряжения в открытом диоде VD2, транзистор остается открытым, на выходе схемы сохраняется единичный сигнал. Конденсатор С1 начинает заряжаться током, проходящим от источника питания через R2 и R1. Потенциал точки 1 (базы VT1) постепенно увеличивается, и, когда он становится равным потенциалу эмиттера, транзистор закрывается, потенциал точки 2 повышается до 1, D2 переключается, его выходной сигнал изменяется с 1 на логический 0, что соответствует срабатыванию PC. Это происходит при условии, что t_нс > t_y.

Схема возвращается в исходное состояние, как только снова наступает совпадение сравниваемых величин, благодаря снижению практически до нуля потенциала точки 1 и происходящему вследствие этого разряду конденсатора С1 по контуру) образованному диодом VD2 и связанным с нулевой шинкой выходному контуру D1. Время замедления t_y задается сопротивлением резисторов R2 и R1 на уровне 10 мс. Напряжение срабатывания определяется порогом переключения инвертора D2. Реагирующий орган типа РО1 используется в PC II и III ступеней в ДЗ ШДЭ-2801. Для I ступени обычно применяется РО2.

Реагирующий орган РО2 имеет большее быстродействие (около Т/4). В этом органе осуществляется сравнение времени несовпадения t_нс с t_с (рис.11.27, б). Схема состоит из выпрямителя VS; стабилитрона VD7, уравнивающего значения отрицательных и положительных входных сигналов; интегратора А1 на ОУ (см. §2.19), сопоставляющего длительность сигналов (-t_нс и + t_с); порогового устройства в виде логического элемента D1, работающего в режиме ключа и выдающего сигнал срабатывания реле при t_нс > t_c. Выходные импульсы напряжения (+U_c и -U_нс) проходят через выпрямитель, и с помощью стабилитрона VD7 их амплитуды стабилизируются на одинаковом уровне U_с = U_нс. Постоянство и равенство значений обоих импульсов необходимо для обеспечения стабильности характеристик PC. При несовпадении знаков сравниваемых напряжений отрицательный сигнал в виде выпрямленного и стабилизированного отрицательного напряжения -U_нс поступает через диод VD5 и резистор R3 на И-вход 1 операционного усилителя А1.

Под действием этого напряжения начинается заряд конденсатора С1 через сопротивление R3, и на выходе ОУ интегратора возникает положительное напряжение, противоположное по знаку напряжению на входе ОУ. По мере заряда конденсатора С1 напряжение U_инт = U_С1 нарастает и поскольку в начальной части экспоненциальная характеристика заряда практически прямолинейна, то U_инт = U_С1 = t_нс. При достижении напряжением U_С1 значения порогового напряжения U_п логического элемента D1 на выходе последнего появляется сигнал, означающий, что PC сработало.

Во время совпадения знаков U₁ и U₂ входное положительное импульсное напряжение +U_с после выпрямления и стабилизации через диод VD6 и R2 поступает на И-вход ОУ. Напряжение на обкладках конденсатора меняет полярность, и с этого момента начинается разряд конденсатора (или, иначе говоря, его заряд в обратном направлении) через R2. В процессе разряда напряжение на конденсаторе ДU_C1 уменьшается пропорционально времени t_c. Для действия PC необходимо, чтобы за время t_нс = Kt_c (при котором отношение t_нс/t_c = К = 1) U_c достигло U_п (порога срабатывания D1). Скорости заряда и разряда С1, определяющие соотношение t_нс и t_c, зависят от значений R3 и R2, которые подбирают исходя из заданных значений К. Предусмотрена возможность изменения R2 переключателем.

Для получения характеристики в виде окружности необходимо иметь К = 1 или t_нс = t_c. В этом случае R₂ = R₃. При R₂ ? R₃ характеристика принимает вид овала.

10.Реле сопротивления со сложными характеристиками срабатывания, выполненные НА ИМС

Виды и особенности сложных характеристик. Сложными принято называть характеристики, имеющие форму многоугольника либо образованные из сочетания дуг окружностей с отрезками прямых (рис.11.28).

Сложные характеристики по сравнению с круговыми и эллиптическими позволяют повысить чувствительность PC к повреждениям через переходное сопротивление R_п и увеличить их зону действия на протяженных ЛЭП, обеспечивая при этом отстройку от сопротивлений в максимальных нагрузочных режимах. Реле со сложными характеристиками выполняются на сравнении фаз или абсолютных значений трех, четырех напряжений, образованных по (11.14). Практическое применение нашли характеристики в форме четырехугольника, треугольника и комбинированная в виде сочетания окружности с четырехугольником.

Реле с четырехугольной характеристикой, выполняемое с помощью двух PC (PCI и РС2), соединенных по схеме И (рис.11.29, а). Оба реле основаны на сравнении фаз двух напряжений, пропорциональных U_р и I_р. Характеристика срабатывания каждого реле имеет вид двух пересекающихся прямых (рис.11.29, б).

Из их сочетания образуется четырехугольная характеристика ABCD желаемой формы. Зона действия каждого реле отмечена штриховкой. Выходные сигналы о срабатывании схем сравнения реле РС1 и РС2 действуют на логический элемент И. Сигнал на его выходе возникает только при одновременном срабатывании РС1 и РС2. В этом случае вектор Z'_p = U_р/I_р будет находиться внутри четырехугольника ABCD. Если же конец вектора Z_p выходит за пределы четырехугольника (например, Z_p = Z_p), работает только одно из двух реле, выходной сигнал на элементе И отсутствует -- комбинированное реле не действует.

На таком же принципе можно получить четырехугольную характеристику из сочетания PC, основанных на сравнении абсолютных значений, но в этом случае требуется использовать четыре реле с характеристиками в виде прямых линий (АВ, СВ, CD, DA), действующих по логической схеме И. Комбинированные PC получаются сложными, многоэлементными, недостаточно быстродействующими.

Реле сопротивления ДЗ с четырехугольной характеристикой, выполняемое на сравнении фаз четырех величин в одной схеме сравнения. В основу построения подобного ИО в отечественных ДЗ положена структурная схема, упрощенно показанная на рис.11.29, в с одной схемой сравнения, осуществляющей одновременное сравнение фаз нескольких величин -- в данном случае четырех.

Сравниваемые величины (в виде напряжений U₁ - U₄) формируются, как обычно, по (11.14а):

В этих уравнениях сопротивления Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ определяют положение особых точек ХС.

Характеристиками срабатывания у четырехугольника с особыми точками, определяющими его форму, площадь действия реле на комплексной плоскости R, jX (и соответствующую ей зону действия ИО на контролируемом им участке сети), являются четыре вершины 1, 2, 3, 4, показанные на рис.11.30, а. Поэтому при формировании напряжений U₁ - U₄ коэффициенты К_U1 - - К_U4 и К_I1 - K _I4 должны быть подобраны так, чтобы особые точки совпадали с вершинами заданного четырехугольника, показанного на рис.11.30, а. Из (11.26) следует важный вывод о том, что фазные соотношения (иначе говоря, сдвиги фаз) между векторами сравниваемых напряжений U₁, U₂, U₃, U₄ соответствуют (а точнее, равны) фазным соотношениям между векторами (Z_p - Z₁), (Z_p - Z₂), (Z_p - Z₃), (Z_p - Z₄).

Положение последних будет изменяться с изменением конца вектора Z_p = U_p/I_p, которое зависит от режима контролируемой сети. Для выявления фазных соотношений U₁ - U₄, при которых ИО должен срабатывать, рассмотрим, как будут изменяться фазные соотношения векторов (Z_p - Z₁),..., (Z_p - Z₄) при повреждении в зоне действия, охваченной четырехугольной характеристикой, когда Z_p = Z', и вне ее при Z_p = Z".

Как видно из векторной диаграммы на рис.11.30, а, в первом случае (соответствующем КЗ в зоне действия ИО) угол б' между крайними векторами рассматриваемой системы векторов (разности двух сопротивлений), а следовательно, и векторов U₁ - U₄ всегда больше 180° (б' > р). Во втором случае, соответствующем КЗ вне зоны действия ДЗ (рис.11.30, б), угол б" между крайними векторами всегда меньше 180° (б" < р). В третьем случае -- при КЗ на границе срабатывания защиты угол б = 180° (на рис.11.30 не показан). В каждом из перечисленных случаев углы б между пучком векторов U₁ - U₄ будут такими же, как между пучками векторов сопротивлений. Это означает, что по фиксации факта расположения векторов U₁ - U₄, осуществляемой в схеме сравнения при б > 180°, на выходе схемы появится сигнал о срабатывании PC (ДО), а при б < 180° -- сигнал о недействии реле (ДО).

Обнаружить отмеченные фазные различия в процессе сравнения фаз можно, сопоставляя знаки мгновенных значений синусоидальных напряжений U₁ - U₄ с помощью времяимпульсного метода.

Действительно, из рассмотрения диаграмм мгновенных значений сравниваемых напряжений u₁ - u₄ (рис.11.31, б) можно заключить, что при повреждении в зоне действия PC мгновенные значения u₁ - u₂ в каждый момент полупериода Т/2 = 0,01 с имеют разные знаки, совпадение их знаков исключается, так как векторы четырех напряжений всегда расположены в обеих полуплоскостях. Если же повреждение возникло вне плоскости, охваченной характеристикой (рис. 11.31, а), то в течение каждого полупериода имеет место хотя бы кратковременное совпадение знаков всех четырех напряжений. Таким образом, по совпадению и несовпадению фаз можно выявить зону КЗ и построить на этой основе PC с четырехугольной характеристикой. Совпадение или несовпадение знаков сравниваемых напряжений определяется с помощью специальной схемы сравнения.

Функциональная схема PC с четырехугольной характеристикой срабатывания, построенная на сопоставлении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений, приведена на рис.11.32. В состав схемы входят четыре устройства: промежуточные измерительные трансформаторы напряжения ПТН и тока ПТТ, сигналы с которых поступают на формирователь сравниваемых напряжений ФИН; устройство формирования, состоящее из четырех элементов УФ1-УФ4, образующих четыре сравниваемых напряжения U₁ - U₄.

Каждый формирующий элемент является сумматором, осуществляющим сложение напряжений, поступивших с ПТН и ПТТ; частотные фильтры Ф1-Ф4 служат для подавления высших гармоник, появляющихся в переходном режиме при КЗ на длинных ВЛ СВН (500-1150, а иногда и 330 кВ). В PC, предназначенных для ДЗ ЛЭП 110-220 кВ, частотные фильтры могут не применяться. В ФИН производится сравнение знаков мгновенных значений сформированных напряжений U_l - U₄. При одновременном совпадении знаков всех четырех напряжений на выходе ФИН появляется импульс напряжения U_c+ в течение времени их совпадения t_c. В случае несовпадения знаков формируется импульс U_нс- с t_нc.

При КЗ в зоне действия реле знаки сравниваемых напряжений различны. Отрицательный сигнал U_нс- о их несовпадении воздействует на элемент времени непрерывно в течение каждого полупериода и продолжается до прекращения КЗ. Поскольку продолжительность сигнала t_нс ? t_у (t_y -- уставка элемента времени), то элемент времени срабатывает, и на его выходе через t = t_у появляется сигнал, означающий, что реле подействовало. При повреждении вне зоны в течение каждого полупериода изменения мгновенных значений u₁ - u₄ обязательно появляется положительный сигнал о совпадении знаков. Длительность сигнала о несовпадении t_нс будет всегда меньше Т/2, и элемент времени не успевает сработать (t_нс < Т/2).

Принципиальная схема PC с четырехугольной характеристикой срабатывания, выполненная на ИМС, изображена с некоторыми упрощениями на рис.11.33. Измерительный орган построен по структурной схеме и состоит из промежуточных трансформаторов напряжения TVL и тока TAL, сумматоров А1-А4, образующих сравниваемые напряжения U_l - U₄, устройства сравнения УС, содержащего формирователь импульсов несовпадения знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений ФИН и РО1. Данное PC предназначено для использования в сетях 110-330кВ, поэтому частотный фильтр не предусматривается. Все элементы схемы выполнены по унифицированным схемам, описанным в § 11.10.

Контролируемые напряжения и токи U_p, и I_р подводятся к TVL и TAL, осуществляющим их преобразование, в результате которого на выходе TVL появляется напряжение U_п.н = K_п.нU_p, а на выходе TAL два разнополярных напряжения U_ПТ1 = К_ПТ1I_р и U_ПТ2 = -К_ПТ1I_р, снимаемые с зажимов Т1 и Т2 выходного делителя напряжения Rт₁, Rт₂ (рис.11.33). Эти напряжения поступают на вход схемы каждого устройства формирования УФ1-УФ4, выполняемых в виде сумматора на ОУ по схеме, рассмотренной в §2.19. Входные сигналы проходят через специально подобранные сопротивления к инвертирующему входу ОУ каждого сумматора по трем цепям: 1 -- от TVL, 2 и 3 от TAL. В результате сложения сигналов на выходе сумматоров (А1-А4) образуются напряжения U₁ - U₄ по (11.26). Коэффициенты К_U и K_I в этих выражениях определяются сопротивлениями R и X, установленными во входных цепях сумматоров, и параметрами промежуточных трансформаторов (их коэффициентами трансформации и регулируемыми сопротивлениями R, на которые замкнуты встречные обмотки). Значения этих величин должны выбираться так, чтобы они обеспечивали формирование К_U и K_I, необходимые для образования напряжений U₁ - U₄, позволяющих получить PC с заданной характеристикой.

Поясним, как обеспечивается формирование К_U и K_I в схеме УФ. Характеристика срабатывания задается четырьмя особыми точками 1-4, которые являются вершинами четырехугольника (рис.11.34).

Положение особых точек на комплексной плоскости определяется векторами комплексных сопротивлений Z_l, Z₂, Z₃, Z₄ (рис.11.34) и записывается в виде равенства Z_n = R_n + jX_n. Активные и реактивные составляющие R_n, X_n являются координатами особых точек. Знаки ортогональных составляющих этих точек зависят от квадранта комплексной плоскости, в котором расположена особая точка. Согласно (11.14) каждое сопротивление является функцией K_U и K_I соответствующего напряжения U₁ - U₄ (11.26). Коэффициенты К_U принимаются равными К_U1 = К_U2 = К_U3 = К_U4 = К. Коэффициент К_U реализуется с помощью резистора R1, включенного во вторичную цепь каждого сумматора, идущего с выхода TVL (рис.11.33). Коэффициенты K_I воспроизводятся посредством резисторов R и конденсаторов С. Применяются два способа формирования K_I: путем последовательного соединения R и С с включением их в цепь 2 или путем параллельного включения С в цепь 2 и резистора R -- в цепь 3.

Коэффициент K_I1 для формирования особой точки с Z_l = = R₁ + jX_C1, расположенной в I квадранте комплексной плоскости Z, реализуется цепочкой R1 C1, подключенной между входом 1 сумматора А1 и зажимом Т1. Коэффициент -- для особой точки во II квадранте, где Z₂ = -R + jX, реализуется цепочкой R2 С2, подключаемой к выходу Т1 и резистором R2'(в цепи 3 сумматора А2), подключенный к зажиму Т2 (противоположной полярности). Коэффициент, формирующий особую точку в III квадранте, где Z₃ = -R - jX_C3, реализуется цепочкой R3 С3, подключаемой к зажиму Т2. Коэффициент имитируется цепочкой R4 С4, подключаемой к точке 2 сумматора и к зажиму Т2, и резистором R5. Если требуется характеристика с б = р, то переключателем SB1 вместо R6 включается R5. Если рассматривается направленное PC, у которого вершина 3 характеристики срабатывания проходит через начало координат Z₃ = 0, будет равен нулю и коэффициент, и к сумматору A3 подведется только цепь напряжения от TVL. Для устранения "мертвой зоны", возникающей при U_p, = 0, и обеспечения четкой работы реле при близком КЗ к сумматору A3 подается напряжение E_п от устройства памяти, выполненного по схеме, приведенной на рис.11.18. При этом напряжение, формируемое на выходе A3, U₃ = K_UU_p+E_n.

Выходные сигналы с сумматоров с устройства формирования УФ (рис.11.33) в виде синусоидальных напряжений U₁ - U₄ приходят на вход схемы ФИН устройства сравнения УС. На рис.11.33 ФИН для упрощения изображен в виде структурного элемента. Схема ФИН представляет собой диодный селектор, выделяющий положительные и отрицательные значения напряжений U₁ - U₄, поступающих на его вход.

При одновременном совпадении знаков мгновенных значений четырех напряжений, характеризующем появление КЗ вне зоны, U_ВХ1 < U_ВХ2, и на выходе операционного усилителя возникает положительный импульс напряжения U_с+. Его продолжительность t_c равна длительности совпадения знаков в течение полупериода промышленной частоты:. Выходной сигнал УФИ U_нс- или U_c+ поступает на PO1.

В схемах ДЗ PC с четырехугольной характеристикой используется в качестве ДО II и III ступеней. При этом признано целесообразным применять реагирующий орган типа РО1, осуществляющий сравнение длительности сигнала несовпадения с заданной уставкой времени.

Реагирующий орган РО1 состоит (см. рис.11.27, а) из двух входных элементов диода VD1, пропускающего только положительные сигналы, и логического элемента D1; элемента задержки, выполненного с помощью транзистора VT1, конденсатора С1, резисторов R1, R2, R3, диода VD2; выходного элемента D2 и D3, работающего в режиме ключа. Логический элемент D2 выдает оперативный сигнал срабатывания реле. На схему подается напряжение от источника питания Е_п = + 15 В.

Работа схемы. При КЗ в зоне действия Z_p < Z_c.p, на вход РО от формирователя импульсов УФИ приходит сигнал отрицательной полярности U_нс- о несовпадении знаков сравниваемых напряжений. Этот сигнал существует непрерывно в течение каждого полупериода промышленной частоты t_нс = Т/2, пока длится КЗ. Как показано выше, при повреждении в зоне одновременное совпадение знаков всех четырех напряжений исключено. Появление отрицательного сигнала U_нс-закрывает диод VD1. При этом на элемент D1 через резистор R4, подключенный к шинке нулевого потенциала, подается логический сигнал 0, при котором на выходе D1 появляется сигнал 1, запирающий диод VD2 на все время, пока на РО1 поступает отрицательный сигнал несовпадения. В течение этого времени под действием напряжения источника питания U_и.п = + 15 В происходит заряд конденсатора С1 по контуру C1-R1-R2. По мере заряда конденсатора С1 потенциал базы транзистора VT1 возрастает и открытый до этого транзистор VT1 начинает закрываться, что приводит к повышению потенциала эмиттера в точке 2 и одновременно на входе логических элементов D2. Через заданное время t_y ? Т/2, определяемое постоянной времени зарядного контура C1, R = R₁ + R₃, потенциал точки 2 превышает U_n, при котором D2 переключается, и на его выходе возникает сигнал срабатывания PC. При появлении положительного сигнала U_c+ о совпадении сравниваемых напряжений, образующемся только при повреждении вне зоны действия PC или в режиме нагрузки, когда Z_p ? Z_c.p, диод VD1 открывается и пропускает на вход D1 сигнал положительного знака. При этом на выходе D1 возникает сигнал противоположного знака -- логический сигнал 0, открывающий диод VD2. Последний замыкает цепь контура, по которому конденсатор С1 практически мгновенно разряжается через резистор R1, VD2 и выход D1. Входное напряжение на базе VT1 становится меньше напряжения на эмиттере, транзистор открывается, и входной сигнал на логическом элементе D2 снижается до уровня нулевой шинки. В результате этого на выходе инвертора D2 возникает логический сигнал 1, означающий недействие PC.

Сигнал U_c+ об одновременном совпадении знаков всех сравниваемых напряжений продолжается в течение времени t_c < Т/2.

В остальную часть полупериода (Т/2 - t_c) знаки сравниваемых величин не совпадают и на вход РО от ФИН приходит отрицательный сигнал U_нс-, во время которого начинается заряд конденсатора С1. Но так как продолжительность t_нс < Т/2, то напряжение на выходе элемента задержки (в точке 2), имеющего уставку t_y > Т/2, не успевает достигнуть значения U_пop, необходимого для срабатывания реле (выходного элемента D2). Уставка срабатывания принимается с некоторым запасом, равным 0,012-0,015 с.

12.Пусковые органы дистанционных защит

Функции пусковых органов, виды и требования к ним. В §11.3 отмечалось, что пусковые органы (ПО) применяются в односистемных ДЗ, выполняемых с переключениями в цепях тока и напряжения, а также в трехсистемных, если они имеют один комплект ДО на две ступени ДЗ или если их ДО не отстроены от максимальной нагрузки. Пусковые органы в этих ДЗ выполняют следующие функции:

1) в односистемных схемах подводят при КЗ к ДО токи и напряжения поврежденных фаз для правильного определения положения места повреждения;

2) в схемах с одним комплектом ДО для I и II ступеней производят переключения, необходимые для изменения уставки срабатывания при КЗ за пределами I зоны;

3) не позволяют ДЗ действовать на отключение в нормальном режиме, если для повышения чувствительности к КЗ ее ДО недостаточно отстроены от нагрузки;

4) при необходимости осуществляют пуск элементов времени II и III ступеней;

5) выполняют роль ДО резервной (обычно III) ступени ДЗ.

Все ПО должны удовлетворять трем основным требованиям: обладать достаточной чувствительностью в пределах заданной зоны действия, иметь надежную отстройку от I_н mах и, по возможности, не действовать при качаниях. В односистемных ДЗ ПО должны четко определять, на каких фазах возникло КЗ, и в зависимости от этого подводить к ДО напряжение и ток, обеспечивающие его правильное действие.