Основы релейной защиты и автоматики распределительных сетей. Основы релейной защиты и автоматики распределительных сетей 1 Назначение релейной защиты и автоматики
 Скачать 5.63 Mb.
|
|
Рис.15 Структурная схема максимальной токовой защиты Ток защищаемого объекта контролируется измерительным (пусковым) органом защиты ИО . Пусковой орган срабатывает, если контролируе- мая величина тока контр I становится больше максимально возможного рабочего значения max раб I контр I max раб I Хотя любое короткое замыкание сопровождается увеличением тока, фиксация данного признака не позволяет сделать однозначного вывода о повреждении объекта. Пусть линии сетевого участка, представленного на Рис.16, оборудованы максимальной токовой защитой. Рис.16 Пример выбора выдержек времени В случае возникновения короткого замыкания на линии 3 Л в точке К по условиям селективности должна быть подана команда на отключение выключателя 3 Q . Короткое замыкание приводит к протеканию тока по- вреждения по всем линиям, что вызывает срабатывание пусковых орга- нов всех трех защит. Требование селективности обеспечивает логиче- ская часть ЛЧ путем создания задержки на срабатывание, выбираемой по следующему правилу. Защита, наиболее удаленная от источника пи- тания, должна иметь минимальное время срабатывания. По мере при- ближения к источнику питания выдержки времени защит увеличивают- ся на величину t , называемую ступенью селективности. Для приве- денного примера 3 2 3 1 2 0; ; t t t t t t t Ступень селективности учитывает время отключения выключателей, погрешности элемента задержки на срабатывание. Обычно t прини- мается равной (0,4 – 0,6) сек. Исполнительный элемент ИЭ воспринимает сигнал логической части и формирует команду на отключение выключателя. Сигнальный орган СО фиксирует срабатывание защиты. Элементы максимальной токовой защиты - пусковой, логический, ис- полнительный, сигнальный выполняются на реле. Под термином «реле» понимается группа приборов автоматического управления, скачкооб- разно меняющих свое состояние при достижении входной величины оп- ределенного значения, то есть обладающих релейной характеристикой срабатывания (Рис.17). Рис.17 Релейная характеристика срабатывания: вх x - входная величина ; вых x - выходная величина. Реле могут выполняться на электромагнитном и индукционном принци- пах, на аналоговой или цифровой микроэлектронике. Электромагнитные реле тока Конструктивно реле представляет стальной сердечник 1, с размещен- ными на нем обмотками 2 (Рис.18). В зазоре между полюсами электро- магнита размещен стальной подвижный якорь 3 с закрепленным на нем контактом 4. В исходном состоянии якорь удерживается за счет пружи- ны 6 и упора 7. При протекании тока по обмотке реле создается элек- тромагнитная сила 2 2 2 р э м I w F k R где k - коэффициент пропорциональности, учитывающий особенности конструктивного выполнения реле тока; р I - ток в реле; w - число витков обмоток; м R - сопротивление магнитной цепи. Рис.18 Схема электромагнитного реле тока Реле сработает, когда электромагнитная сила э F преодолеет момент, создаваемый противодействующей пружиной, и контакты 4, 5 замкнут- ся. Ток, при котором срабатывает реле, называется током срабатывания реле ср I В момент срабатывания э пр F F , тогда 2 2 2 пр м ср F R I kw и 1 м ср пр R I F k w Из последнего выражения следует, что оперативно величину тока сра- батывания реле можно регулировать, меняя сопротивление противодей- ствующей пружины и число витков обмоток реле. Если после срабатывания реле уменьшать ток в обмотке, то при некото- ром значении тока, называемом током возврата реле, якорь реле вернет- ся в исходное состояние. Отношение тока возврата реле вр I к току сра- батывания ср I является нормативным параметром и называется коэф- фициентом возврата реле: вр в ср I k I Полупроводниковые реле В настоящее время выпускается большое количество статических реле различных модификаций. Однако принцип их действия практически одинаков и сводится к сравнению подводимого измеряемого сигнала с опорным (Рис.19). Рис.19 Структурная схема статического реле защиты Реле состоит из следующих основных блоков: 1. Входной преобразователь ВП содержит измерительный преобразова- тель, на вход которого подается сигнал от трансформаторов тока защи- щаемого объекта. Измерительные преобразователи представляют собой промежуточные трансформаторы или трансреакторы, которые транс- формируют входной сигнал до величины, определяемой условиями управления операционными усилителями. Одновременно преобразова- тели отделяют полупроводниковую часть реле от вторичных цепей за- щищаемого объекта. Наряду с основными функциями они решают зада- чу защиты реле от высокочастотных наводок. Пример простейшего пре- образователя тока представлен на Рис.20. Рис.20 Преобразователь тока с выпрямителем 2. Для получения нужной характеристики реле выходной сигнал, пода- ваемый с преобразователя, необходимо подвергнуть специальной обра- ботке в узле формирования УФ. Способ и объем такой обработки опре- деляется конкретным типом реле. Типовые звенья УФ и их характеристики рассмотрены ниже. Повторитель напряжения. Повторитель напряжения образуется пу- тем соединения выхода операционного усилителя с его инвертирущим входом (Рис.21).Подобный вид обратной связи называют 100% отрица- тельной обратной связью. Для схемы характерно высокое входное со- противление и малое выходное. Повторитель напряжения обычно включают между источником сигнала и нагрузкой с целью исключить влияние нагрузки на выходное напряжение источника. Рис.21 Повторитель напряжения Коэффициент усиления повторителя напряжения 1. U вых вх k U U Инвертирующий усилитель . Схема простейшего инвертирующего усилителя показана на Рис.22. Рис.22 Инвертирующий усилитель 32 Коэффициент усиления схемы определяется соотношением сопротивле- ний в цепях входа и обратной связи 2 1 U k R R . Это соотношение с достаточной степенью точности может быть применено к реальным операционным усилителям. Инвертирующий усилитель применяется в основном в тех случаях, ко- гда нужен усилитель, к которому не предъявляются требования высоко- го входного сопротивления, и когда нужно проинвертировать или про- суммировать несколько входных сигналов. Неинвертирующий усилитель . Схема неинвертирующего усилителя показана на Рис.23. Рис.23 Неинвертирующий усилитель Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. На инвертирующий вход подается часть выходного напря- жения с помощью отрицательной обратной связи и резистивного дели- теля. Коэффициент усиления схемы с идеальным операционным усили- телем может быть определен из выражения 2 1 1 U R k R . Благодаря высокому входному сопротивлению неинвертирующий уси- литель часто применяют в качестве масштабирующего усилителя. Усилители-ограничители . В реле защиты часто требуется ограничить уровень выходного напряжения. Ограничения можно выполнить за счет включения в цепь обратной связи параллельно сопротивлению двух встречно включенных стабилитронов (Рис.24). При подъеме выходного напряжения более 0,7 ст U В сопротивление обратной связи шунтируется и рост выходного напряжения прекраща- ется. Схемы сумматоров . Выходное напряжение в схеме сумматора пропор- ционально сумме входных напряжений. Они обладают малым собствен- ным потреблением и успешно применяются в схемах формирователей сигналов. В качестве примера на Рис.25 показана схема сумматора для трех сигналов на основе инвертирующего усилителя. Рис.24 Усилитель-ограничитель Рис.25 Схема сумматора Выходное напряжение для этой схемы 1 1 2 2 3 3 ( ) вых OC U U R U R U R R Активные фильтры. Активные фильтры часто применяются в технике релейной защиты в силу своей простоты при настройке, отсутствии не- линейных индуктивностей, малых габаритов и потребления. В силу своего назначения могут выполняться как фильтры нижних час- тот ФНЧ, фильтры верхних частот ФВЧ, полосовые фильтры ПФ, ре- жекторные фильтры РФ. На Рис.26 показаны примеры амплитудно- частотных характеристик таких фильтров, представляющих собой зави- симость выходного напряжения от частоты входного. На каждой их характеристик могут быть выделены три полосы частот: а - полоса пропускания, где выходное напряжение имеет наибольшее зна- чение; с - полоса подавление, где выходное напряжение минимально; b - переходная полоса, полоса частот в пределах которой выходное напря- жение меняется от максимального до минимального значения или на- оборот. Чем уже переходная характеристика, тем ближе характеристика фильтра к идеальной. Рис.26 Амплитудно-частотные характеристики активных фильтров В реле защиты широко применяются активные фильтры второго поряд- ка, в которых содержится два RC-звена. Такой выбор считается опти- мальным с точки зрения функциональных возможностей фильтра С и обеспечения требований быстродействия защиты. На Рис.27 представ- лены примеры фильтра нижних частот с многопетлевой обратной связи и полосно-пропускающего фильтра. а) б) Рис.27 Примеры активных фильтров: а) фильтр нижних частот с многопетлевой обратной связью; б) полосно-пропускающий фильтр . Описанные схемы охватывают только часть наиболее часто встречаю- щихся вариантов выполнения блоков узла формирования. 3. В схеме сравнения СС сформированные сигналы измерительного тракта сравниваются с опорным напряжением, называемым уставкой реле. Для срабатывания реле необходимо, чтобы входной сигнал превы- сил заданное значение опорного сигнала. В релейной защите в качестве элементов схемы сравнения широко используются компараторы. На- пряжение на выходе компаратора находится на одном из двух фиксиро- ванных уровней: на верхнем, если напряжение на неинвертирующем входе компаратора больше напряжения на инвертирующем входе; и на нижнем, при противоположных соотношениях напряжений. Для работы в качестве компаратора может быть применен обычный операционный усилитель. Одна из типовых схем компаратора приведе- на на Рис.28. 36 Рис.28 Пример выполнения компаратора для однополярных сигналов На первый вход подается измеряемый сигнал, на второй - опорный. Ес- ли измеряемое напряжение меньше опорного, то на выходе схемы дер- жится максимальное выходное напряжение, совпадающее по знаку с опорным. Как только измеряемое напряжение превысит опорное поляр- ность выходного сигнала меняется на противоположную. Диоды защи- щают входы операционного усилителя от повышенных значений разно- сти сравниваемых напряжений. Приведенная схема обладает существенным недостатком, который про- является в случае примерного равенства сравниваемых напряжений - неустойчивость опрокидывания. Для устранения "дребезга" компарато- ра широко применяется схема инвертирующего триггера Шмитта, Рис.29. Триггер Шмитта представляет собой компаратор с одним зазем- ленным входом, заданным опорным напряжением и положительной об- ратной связью. Рис.29 Триггер Шмитта и его передаточная характеристика Передаточная характеристика такой схемы имеет четко выраженный "релейный" характер. 4. Выходная часть ВЧ выполняется с помощью электромагнитного или герконового реле. Одна из возможных схем выходной части статическо- го реле показана на Рис.30. На один из концов обмотки реле 1 К подает- ся "плюс" оперативного тока 220 В, а другой подключается к коллекто- ру транзистора 1 VT . Транзистор управляется сигналом от схемы срав- нения. Рис.30 Схема выходной части статического реле 5. Для питания полупроводниковых элементов на схему реле должно быть подано напряжение 15В . Если источником оперативного пита- ния является аккумуляторная батарея на 220В , то применяются специ- альные интегральные микросхемы, или питание может быть организо- вано с помощью стабилитронов, Рис. 31. Рис.31 Схема питания реле от сети постоянного оперативного тока 220В В качестве примера на Рис.32 приведена структурная схема токового реле типа РСТ-13, выпускаемого отечественной промышленностью. Ток от трансформаторов тока через промежуточный трансформатор TLA подается на выпрямительный мост 1 V , работающий на активную нагрузку 1 R . Далее контролируемый сигнал в виде выпрямленного на- пряжения, пропорционального току, поступает на инвертирующий вход однопорогового компаратора 1 A . На неинвертирующий вход компара- тора подается опорный сигнал с блока задания уставок. Блок задания уставок представляет собой делитель напряжения с переключателями, которыми шунтируются резисторы делителя. При изменении положе- ния переключателей изменяется доля напряжения, подаваемая на вход компаратора. Если значение поступающего сигнала меньше опорного, то конденсатор C заряжен положительным напряжением насыщения усилителя 1 A , примерно на 1-2 В отличающимся от уровня напряжения питания, до напряжения стабилизации стабилитрона 3 VD . На выходе компаратора 2 A напряжение отрицательно, и транзистор 1 VT закрыт. Рис.32 Структурная схема реле тока типа РСТ 13 При увеличении входного сигнала до значения больше опорного на- пряжения компаратор 1 A меняет свое состояние, конденсатор переза- ряжается через сопротивление 2 R , на выходе компаратора 2 A появля- ется напряжение положительной полярности, транзистор 1 VT открыва- ется, реле срабатывает. Времязадающая цепочка, содержащая резисторы 2 3 , R R , конденсатор C и стабилитрон 3 VD обеспечивает отстройку реле от помех, приводящих к кратковременному опрокидыванию компаратора 1 A . Положительная обратная связь усилителя 2 A , выполненная на резисторах 4 5 , R R , обес- печивает гистерезис в переходной характеристике для исключения не- определенности момента переключения, т.е. для предотвращения "дре- безга". По своим техническим данным реле типа РСТ 13 близко к электромаг- нитным реле. Так коэффициент возврата превышает 0,9 , время дейст- вия при 1,2 срр I не более 60 мс, при 3 срр I - не более 35 мс. Микропроцессорные реле тока Цифровое реле тока имеет много общего с цифровыми реле различного назначения и структурно его можно но представить в виде, представ- ленном на Рис.33. Общими для всех цифровых реле являются входные преобразователи, аналого-цифровые преобразователи АЦП, один или несколько микро- процессоров для обработки поступившей информации, клавиатура, дис- плей, блок питания и выходной блок. Рис.33 Структурная схема цифрового реле тока Входные преобразователи обеспечивают гальваническую развязку схемы реле от внешних цепей, нормируют входной сигнал и выполняют его предварительную фильтрацию. Аналого-цифровой преобразователь АЦП выполняет преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорциональное ему циф- ровое значение. Процесс перехода от аналогового сигнала к дискретно- му называется квантованием сигнала, Рис.34. Квантование всегда про- исходит с некоторой потерей информации из-за того, что для точного восстановления первоначального сигнала из его дискретного представ- ления частота выборок должна по крайней мере вдвое превышать самую высокочастотную гармоническую составляющую входного сигнала и, соответственно, из входного сигнала должны быть исключены все гар- моники с частотой, более высокой чем частота квантования. В устрой- ствах релейной защиты и автоматики применяют АЦП с частотой вы- борок от 600 до 2000 Гц. Рис.34 Квантование входного сигнала ( ) x t - входной аналоговый сигнал; 1 T - время дискретизации. Блок питания предназначен для обеспечения стабилизированным на- пряжением всех узлов реле, независимо от возможных изменений пи- тающей сети. Блок питания может работать от сети постоянного или пе- ременного тока. Дисплей и клавиатура позволяют оператору получить информацию от устройства, изменить режим его работы, вводить информацию в реле. Дисплей и клавиатура в цифровых реле реализуются в максимально уп- рощенном виде: дисплей – цифробуквенный, однострочный; клавиатура – несколько кнопок. |