Схемы защит на полупроводниках

а) Бесконтактные схемы на статических элементах

Любая защита состоит из реагирующих (измерительных) орга­нов ИО и логической части ЛЧ, на выходе которой устанавли­вается выходное реле Р_вых, посылаю­щее команду на отключение выключа­теля (рис. 11-43). В защитах на полупроводниковых элементах с помощью последних выпол­няются как измерительные органы, так и логическая часть, в результате чего схема защиты получается бескон­тактной.

Бесконтактные схемы, выполненные на надежных элементах, обладают боль­шей надежностью и требуют меньшего ухода, чем многоконтактные схемы с электромеханическими реле. Этими принципиальными преимуществами бесконтактных схем объяс­няется имеющаяся тенденция к их внедрению в релейной защите.

В бесконтактных схемах применяются единичные контактные реле в качестве выходных реле Р_вых защиты и т. д. В последнее время для этой цели пытаются использовать как более надежные и малогабаритные герметичные, магнитоуправляемые, безъякорные реле (г е р к о н ы) [Л. 108].

Устройство основных реагирующих органов на полупровод­никах (реле тока, мощности, сопротивления) было разобрано выше. Теперь кратко рассмотрим общие вопросы по выполнению логи­ческой части схем с помощью полупроводниковых элементов.

б) Логические элементы и выполняемые ими операции

Логическая часть защиты воспринимает сигналы основных органов, реагирующих на состояние сети, и по опреде­ленной предусмотренной схемой программе в зависимости от ха­рактера и сочетания поступивших сиг­налов производит операции, обес­печивая действие или недействие за­щиты.

Логическую часть сложных защит можно подразделить на несколько со­ставных элементов, выполняющих от­дельные простейшие операции. На вход такого простейшего логического элемента ЛЭ, условно изображенного на рис. 11-44, подаются сигналы, которые при определенном сочетании вызывают появление выход­ного сигнала. Под сигналами в бесконтактных схемах на полу проводниках подразумевается появление или изменение напря­жения на зажимах логических элементов. Если логический эле­мент не работает, то напряжение на его выходе U_вых равно нулю или меньше заданного значения U_с.р. При действии элемента U_вых ≠ 0 или больше U_c.р. Обычно каждый сигнал обозначается определенной буквой и ему приписываются два условных цифро­вых значения: 0 и 1. Нуль означает отсутствие сигнала, а еди­ница — его появление.

Такое обозначение используется для условной записи логиче­ских функций, характеризующих зависимость выходного сигнала от входных [Л. 82—87]. Для облегчения проектирования разрабо­тана теория проектирования и анализа сложных логических схем, основанная на использовании математических дисциплин, в част­ности алгебры логики [Л. 105].

Логические схемы релейной защиты относительно просты и пока не требовали применения подобных методов анализа. Однако наименование основных логических операций и формы их записи были заимствованы из алгебры логики и стали применяться при рассмотрении бесконтактных схем защиты.

В схемах релейной защиты используются в основном три простейших логических операции, условно названные (как и в алгебре логики) ИЛИ, И, НЕ. Каждая из этих операций может выполняться с помощью контактных и бесконтактных элементов.

Схема, осуществляющая операцию ИЛИ, показана на рис. 11-45. Сигналы на входе обозначены А, В и С, авыходной сигнал — буквой X. Сигнал X на выходе схемы ИЛИ возникает при появ­лении хотя бы одного входного сигнала: или А, или В, или С.

На рис. 11-45, б приведена контактная схема, выполняющая операцию ИЛИ. Контакты электромеханических реле А, В и С соединяются в этом случае параллельно. При срабатывании любого из них появляется выходной сигнал, поступающий на следующий элемент схемы. В защите эта операция очень распространена. Например, по схеме ИЛИ выполняется пуск любой защиты (рис. 11-45, б). В этом случае реле А, В, С — пусковые.

Бесконтактная схема ИЛИ применяется в ана­логичных случаях и может выполняться с помощью активных сопротивлений, диодов или триодов. Схема ИЛИ на активных сопротивлениях r показана на рис. 11-45, в. При отсутствии напряжения U_вх, или, иначе говоря, входных сигналов на зажи­мах А, В и С сопротивлений r, напряжение Uх = 0. Это означает, что выходного сигнала нет.

При подаче напряжения U_вх хотя бы на один входной зажим А, или В, или С появляется напряжение U_х = U _вх — U_r, т. е. возни­кает выходной сигнал.

Схема с диодами (рис. 11-45, г) работает аналогично. При отсут­ствии входных сигналов выходной сигнал U_x также отсутствует. В случае появления положительного сигнала (напряжения) на одном из диодов А, или В, или С последний открывается и на его выходе в точке X возникает положительный сигнал U_х = U_вх — Ir_д, где I и r_д — ток и сопротивление открытого диода.

На рис. 11-45, д приведена схема ИЛИ на диодах, применяемая в тех случаях, когда в точке X нормально дежурит положительное напряжение +Е. Подобные условия имеют место, если элемент ИЛИ подает сигнал на триод усилителя. При подаче отрицатель­ного напряжения U_вх на один из зажимов А, или В, или С соответ­ствующий диод открывается и на выходе схемы (на зажиме X) появляется отрицательное напряжение U_х = U_вх — Ir _д. Во всех рассмотренных схемах в сопротивлении элемента ИЛИ (r или r_д)

теряется часть энергии, подводимой к входу элемента. За счет этого мощность выходного сигнала получается меньше входного, происходит ослабление сигнала.

Схемы на триодах не рассматриваются, так как они приме­няются редко.

В алгебре логики операция ИЛИ называется также логической суммой и обозначается знаком «+» или V. Она записывается в общем виде уравнением: А + В + С = X, где «+» читается как ИЛИ. Условное изображение элемента ИЛИ, применяемое в струк­турных схемах, приведено на рис. 11-45, а.

Схемы, выполняющие операцию И (рис. 11-46). Сигнал X на выходе этой схемы возникает только при одновременном появлении сигналов на всех входах схемы (А и В на рис. 11-46). Подобная операция имеет место, например, в схеме максимальной направлен­ной защиты, которая посылает импульс на реле времени, если сработает токовое реле и реле мощности, или в схеме дистан ционной защиты, которая приходит в действие, если сработают пусковой орган защиты и дистанционный, и т. д.

В контактных схемах операция И выполняется последова­тельным соединением контактов реле А и В (рис. 11-46, б).

Схема И с двумя входными сигналами А и В, построенная на диодах, показана на рис. 11-46, в. Нормально сигналы А и В отсутствуют. При появлении сигнала А в виде положительного напряжения U_сА диод Д₁ открывается и по сопротивлениям R₁, R₂ проходит ток.

Потенциал точки X равен падению напряжения на R₂, его величина мала и недостаточна для приведения в действие эле­мента, подключенного к выходу схемы X.

При появлении одного (положительного) сигнала В диод Д₁ закрыт и не пропускает сигнал В в точку X. Если же сигналы А и В появятся одновременно, то сигнал В закроет диод Д₁, высокий положительный потенциал от сигнала А попадет в точку X и поступит на элемент, подключенный к выходу схемы.

Аналогично работает второй вариант схемы И, изображенной на рис. 11-46, г. При отсутствии сигналов А и В диоды. Д₁ и Д₂ открыты. Выходное напряжение U_х равно падению напряжения в R₁ и R₂, оно близко к нулю и недостаточно для действия элемента, подсоединенного к выходу схемы. При появлении одного из сигналов (А или В) напряжение U_х не меняется. Если же появятся два положительных сигнала А и В и величина каждого сигнала U_са и U_св > U_{о п}, то оба диода закроются и на выходе схемы появится напряжение U_х= U_оп, достаточное для действия элемента N.

В третьем варианте (рис. 11-46, д) напряжение U_х на выходе схемы (в точке X) появляется только при условии, что на в с е входные зажимы схемы А и В поданы напряжения положитель­ного знака: Е_А и Е_в > Е_оп. В этом случае диоды Д_а и Д_в заперты и U_х = U_оп. При появлении только одного сигнала, например Е_А, диод Дв, не имеющий сигнала, под действием Е_оп открыт и шунтирует выходные зажимы X — 0, поэтому напряжение Uх — 0 и выходной сигнал отсутствует.

Условное изображение схемы И показано на рис. 11-46, о. В алгебре логики операция И рассматривается как логическое умножение, обозначае­мое знаком или ^.

Условная запись этой операции имеет вид А X В = X, где знак умноже­ния X читается как И.

Схема, выполняющая операцию НЕ или НЕТ (рис. 11-47). При отсутствии входного сигнала А (рис. 11-47, а) на выходе схемы имеется сигнал X, при появлении входного сигнала А сигнал на выходе схемы исчезает. Сигнал X будет, если не будет сигнала А.

Примером операции НЕ может служить схема блокировки защиты от исчезновения напряжения (рис. 11-47, б). Нормально через замкнутые контакты реле Н на защиту подается плюс. В слу­чае обрыва цепи напряжения (по­является сигнал А) реле Н сраба­тывает, его контакты размыкаются и снимают плюс с защиты.

Аналогичная операция в бес­контактных схемах имеет много вариантов исполнения. На рис. 11-47, в показана схема НЕ, выпол­няемая с помощью транзистора Т. Нормально на базу Т подано по­ложительное смещение. Триод Т закрыт. На выходе схемы X под­держивается отрицательное напряжение, поступающее через R₂. При подаче на вход схемы А отрицательного сигнала триод откры­вается и шунтирует выход схемы. Напряжение в точке X падает до нуля (если принять, что сопротивление открытого триода R= 0). Условное изображение схемы НЕ показано на рис. 11-47. В алгебре логики операция НЕ называется логическим отрицанием или инверсией и записывается в виде уравнения X = .

Элемент НЕ преобразует поступающий на вход сигнал на обрат­ный по величине и знаку. Например, если на входе, т. е. на базе триода, сигнал отсутствует и положительным смещением (+Ес) триод заперт, то напряжение на выходе триода эмиттер — кол­лектор отлично от нуля, а зажим X имеет отрицательный знак. Если же на вход подан отрицательный потенциал U_а≥E_C, то триод открыт, напряжение эмиттер — коллектор равно нулю и зажим X имеет положительный потенциал, т. е. обратный входному. Это свойство элемента НЕ, выпол­ненного на триоде, называют инвертированием сигнала, а сам элемент НЕ — инвертором. Такое название нельзя считать точным, так как в электротехнике инвертором называют устройство, преобразующее постоянный ток в переменный.

в) Дополнительные функциональные элементы логических схем

Кроме основных логических элементов ИЛИ, И, НЕ имеются дополнительные элементы. В качестве дополнительных элементов логических схем применяются: усилители сигналов; элементы замедления на срабатывание и возврат (осуществляющие функции реле времени и промежуточных реле замедленного действия); релейные элементы, реагирую­щие на появление сигнала; элементы памяти.

Усилители служат для увеличения мощности выходных сигна­лов до значения, необходимого для надежного действия элементов схемы, реагирующих на этот сигнал. Усилители применяются на выходе схем сравнения измерительных органов для обеспечения надежной работы реагирующего элемента и на выходе логических схем (ИЛИ и И) в активных сопротивлениях, в которых, как указы­валось выше, теряется значительная мощность приходящих сиг­налов.

В логических схемах обычно используются однокаскадные усилители с нормально открытым или закрытым транзистором. Для усиления сигнала в измерительных органах в большинстве случаев применяются двух- и трехкаскадные усилители.

Однокаскадный усилитель с нормально закрытым транзисто­ром Т₁ показан на рис. 11-48, а. Транзистор Т₁ включен по схеме с общим эмиттером¹, так как эта схема по сравнению со схемами с общей базой и общим коллектором (рис. 11-48, в и г) обеспечивает наибольший коэффициент усиления по мощности.

На входные зажимы 1 и 2 (база — эмиттер) подается положи­тельное относительно эмиттера напряжение смещения + Е_с и управляющий сигнал U_вх, противоположный по отношению к Е_с полярности (рис. 11-48, а). Результирующее напряжение база — эмиттер

U_б=Е_с-U_вх (11-45)

Коллектор транзистора с проводимостью р-п-р должен полу­чать отрицательный по отношению к эмиттеру потенциал — Е_к, напряжение между коллектором и эмиттером U_{э. к} является выход­ным напряжением усилителя и, как видно из схемы, равно:

U_э.к = U_вых = E_к-I_кR_к. (11-46)

При U _вх = 0 на базу подается положительное смещение Е_с, запирающее триод. В этом случае ток коллектора, питающий нагрузку, I_к = 0, а коллекторное напряжение U_k = — Е_к (при этом потенциал точки 3 имеет отрицательный знак).

При появлении входного сигнала U_вх > Е_c напряжение на базе (база — эмиттер) согласно (11-45) становится отрицательным, триод Т₁ открывается, в нагрузке R_к появляется ток коллектора I_k выходное напряжение согласно (11-46) уменьшается и в пределе при полном открытии триода становится равным нулю, если пре небречь очень малым внутренним сопротивлением открытого три­ода. Величина коллекторного тока I_к будет меняться с изменением тока базы I_б (или напряжения базы U_б) (рис. 11-48, д)

Эта характеристика показывает, что при I_б = I_б.нас ток I_к достигает максимального значения (I_к.макс ⁼ Е_к/R_к) и при даль­нейшем росте I_б не изменяется. Точке В соответствует (рис. 11-48,д) полное открытие триода. Этот режим называется режимом «н а с ы щ е н и я».

Начальной точке А кривой I_к = f(I_б) соответствует полное закрытие триода. Этот режим работы триода называется ре­жимом «о т с е ч к и». В промежутке между точками А и В триод работает в режиме линейного усиления

Усиление тока, осуществляемое усилителем, характеризуется коэффициентом усиления тока β = I_k/I_б. Величина β в зависи­мости от типа триода лежит в пределах от 10 до 100. Усиление по мощности определяется отношением выходной мощности Р_вых = I²_kR_вых к входной Р_вх = I²_бR_вых ЦВ_ВХ с учетом, что I_к = βI_б получим коэффициент усиления по мощности:

Различают два режима работы усилителя: режим линей­ного усиления, при котором триод работает на прямоли­нейном участке А В кривой I_к = f (I_б), и ключевой режим, когда триод нормально закрыт, а при появлении входного сигнала U_вх, которому соответствует I_б > I_б.нас, скачком переходит в режим насыщения и полностью открывается (рис. 11-48, д).

В этом режиме триод работает как ключ или контактное реле, замыкающее и размыкающее цепь нагрузки (рис. 11-48, ё). Поэтому такой режим работы усилителя называется ключевым или релейным. В схемах релейной защиты усилители обычно ра­ботают в ключевом режиме. Параметры усилителя, работающего в ключевом режиме, подбираются так, чтобы при появлении вход­ного сигнала U_вх (рис. 11-48, д) триод полностью открывался и да­вал на выходе ток I_к.маkс.

Усилитель снормально открытым триодом показан на рис. 11-48, б. Нормально при отсутствии входного сигнала (U_вх = 0) триод Т₁ открыт отрицатель

¹ В этой схеме эмиттер непосредственно связан с входным 2 и с выход­ным зажимом 4 триода, т. е. является общим элементом входа я выхода схемы. Потенциал общих выводов 2, 4 условно принимается равным нулю.

ным напряжением (током), поданным через сопротивление R₂ на базу триода. Сопротивление триода в этом режиме равно нулю, и поэтому нагрузка R_н, подключенная на выходные зажимы 2 и 4. зашунтирована.

Двухкаскадные усилители. Принцип выполнения и работа двухкаскадного усилителя были рассмотрены в § 2.

Триггер 1. В бесконтактных схемах релейной защиты находят применение двухкаскадные усилители с положительной обрат­ной связью, работающие в релейном режиме. Такие схемы, называемые триггерами, переходят из состояния недействия (U_вых = 0) в состояние работы (U_вых= U) мгновенно (скачкообраз­но), если входное напряжение достигает определенного значения: U_вх ≥ U_с.p. При снижении U_вх до U_воз выходное напряжение U_вых мгновенно падает до нуля и схема возвращается в исходное состояние.

Такая схема работает как обычное электромеханическое реле. Наряду с подобными самовозвращающимися схемами, называе­мыми схемами с одним устойчивым состоянием, применяются триггерные схемы с двумя устойчивыми состояниями, действующие так же, как и предыдущая схема. Она мгновенно переходит в новое состояние при появлении U_вх ≥ U_{с. p}, но остается в новом положе­нии как угодно долго, пока не появится новый сигнал, возвра­щающий ее в первоначальное состояние.

Подобные схемы позво­ляют фиксировать появление сигнала, «запомнить» его.

Имеется и третья разновидность — это схема с одним устойчи­вым состоянием, возвращающаяся в начальное положение через определенное время t_воз. Такие схемы используются в качестве элемента с замедленным возвратом, фиксирующего на некоторое время появление сигнала.

На рис. 11-49, а и б приведены схема и характеристика работы триггера с одним устойчивым состоянием и самовозвратом, выпол­няющего функции бесконтактного реле. Особенностью схемы яв­ляется наличие обратной связи, осуществляемой с помощью сопро­тивления R_э, через которое проходят эмиттерные токи I_э1 и I_Э2 обоих триодов T₁ и Т₂.

Состояние схемы — недействие, срабатывание, возврат — зависят, как уже было отмечено, от значе­ния U_вх. При U_вх = 0 триод Т₁ закрыт, а Т₂ под действием отрицатель­ного потенциала, подаваемого на его базу через сопротивление R₃, открыт. По сопротивлению R_э протекает эмиттерный ток I_э2 открытого триода Т₂.

^{__________________}

¹ Триггер — (trigger), английское слово, означающее в переводе спус­ковое устройство, курок (ружья); образно характеризует принцип дей­ствия схемы.

Ток I_э2 создает падение напряжения на за­жимах R_э U_э = I_э2R_Э= U'_э. Принимая внутреннее сопротивление открытого триода Т₂ равным нулю, можно считать, что (рис. 11-49,а) и U_вых— U_э. Это напряжение мало и недостаточно для создания выходного сигнала, соответствующего срабатыванию схемы. Триггер находится в состоянии недействия. Напряжение U'_э через сопротивления R₆, R₁ и R₂ прикладывается между эмит­тером и базой триода T₁, запирая последний. Это состояние триггера характеризуется на диаграмме работы триггера точкой 1.

Для срабатывания триггера необходимо подать на его входные зажимы 1 и 2 напряжение U_вх= U_{с. p} (точка 2 на рис. 11-49, б). Это напряжение должно быть противоположно по знаку и равно по величине или больше напряжения U'_э, запирающего триод Т₁. В результате этого триод Т₁ начинает открываться, его сопротивление уменьшается, при этом отрицательный потен­циал, подаваемый через сопротивление R₃ на коллектор T₁ и на базу T₂, начинает уменьшаться. Вследствие этого триод Т₂ начи­нает закрываться, ток эмиттера I_э2 уменьшается, что влечет за собой уменьшение напряжения U_э, определяющего смещение на базе Т₁. Это способствует открытию триода T₁ и закрытию триода Т₂ из-за снижения отрицательного потенциала на базе последнего. Процесс протекает лавинообразно и завершается полным откры­тием T₁ и закрытием Т₂.

В результате закрытия Т₂ U_выхскачком увеличивается до Е_к (точка 3 на рис. 11-49,6). Триггер сработал. Дальнейшее увеличение U_вх> U_{с. p} не изменит U_вых, так как оно достигло своего предельного значения Е_к. Теперь U_э = I_э1R_э= U"_э.

При уменьшении U_вх, подводимого к базе Т₁, до U_вх> U"_э потенциал базы Т₁ становится положительным и триод Т₁ начинает закрываться. В результате этого потенциал на базе Т₂ начинает уменьшаться, вызывая открытие Т₂. Как и в предыдущем случае, процесс нарастает лавинообразно, завершаясь закрытием Т₁ и открытием Т₂, Выходное напряжение U_вых скачкообразно падает от Е_к до U'_э, и схема возвращается в начальное состояние.

Лавинообразный процесс закрытия и открытия триодов про­исходит практически мгновенно, т. е. скачком, как это требуется от устройства, работающего в релейном режиме.

Характеристика триггера на рис. 11-49, б является типовой характеристикой бесконтактного реле. При увеличении входного напряжения от нуля до U_{с. p} = U'_э выходное напряжение скачком изменяется от U_вых1 до предельного значения U_вых3 = Е_к иреле срабатывает. Напряжение, при котором происходит скачкообраз­ное увеличение выходного напряжения, называется напряже­нием срабатывания бесконтактного реле. При уменьше­нии входного напряжения от U_{с. p} до U_воз= U"_э выходное напря­жение скачком падает от U_вых3 до U_вых1 (точка 5); это означает, что бесконтактное реле вернулось в начальное положение. Соот­ветствующее этому входное напряжение U"_э называется напряже­нием возврата бесконтактного реле.

г) Логические схемы на типовых элементах

По условию производства, конструирования и эксплуатации целесообразна типизация логических схем и выполнение их на унифицированных типовых элементах. В этом направлении ве­дутся разработки, в частности для промышленной автоматики предложена серия логических элементов [Л. 54, 82] системы ЛОГИКА.

Эти серии могут использоваться и в устройствах релей­ной защиты. В качестве основного типового элемента в системе ЛОГИКА принят элемент, построенный на сочетании двух логи­ческих схем ИЛИ и НЕ. С учетом, что схема НЕ осуществляет инверсию сигнала, такой типовой элемент называется также «ИЛИ с инверсией».

Схема ИЛИ выполнена на активных сопротивлениях R, а схема НЕ — на полупроводниковом триоде типа р-п-р. Все остальные элементы логических схем выполняются в виде различных сочета­ний этого типового элемента.

Схема элемента ИЛИ — НЕ приведена на рис. 11-50, а. Здесь показано два элемента ИЛИ — НЕ 1 и 2. На вход А, В, С эле­мента 1 подается сигнал отрицательного знака по отношению к общей точке схемы 0 ( U_вх< 0). При отсутствии сигнала U_вх= 0, на базу триода Т₁ подано положительное напряжение смещения + Е_см, триод Т₁ заперт и на его выходе имеется напряжение

U_вых= U_к= — Е_к.

При появлении отрицательного сигнала U_вх> Е_см триод Т₁ открывается и U_вых= 0. Такой элемент ИЛИ — НЕ обладает важной особенностью. При подаче на его вход сигнала U_вх, условно принимаемого равным 1, выходной сигнал отсутствует, U_вых= 0, а при входном сигнале U_вх = 0 выходной сигнал отличен от нуля (или условно U_вых = 1). Эта особенность должна учитываться при образовании логических схем ИЛИ, И, НЕ, путем сочетания типо­вых элементов «ИЛИ с инверсией».

Так, для осуществления логической опе­рации ИЛИ необходимо соединить последовательно два эле­мента ИЛИ — НЕ (элементы 1 и 2 на рис. 11-50). Тогда при подаче на зажимы А, или В, или С элемента 1 отрицательного сигнала — U_вхтриод Т₁ открывается, а триод Т₂ закрывается, в результате чего на выходе элемента 2 появляется сигнал U_вых= Е_к. При U_вх = 0 сигнал на выходе элемента 1 равен 1, а на выходе элемента 2 равен 0. Таким образом, рассмотренное сочетание двух элементов ИЛИ — НЕ действует как логическая схема ИЛИ, при этом нали­чие триодов позволяет усилить сигнал элемента ИЛИ, компенсируя ослабление входного сигнала в сопротивлениях R схемы.

Логическая операция И для двух сигналов А и В осуществляется путем соединения элементов ИЛИ — НЕ по схеме 11-50, б. В этой схеме каждый элемент 1 и 2 преобразует входные сигналы, равные 1, в сигнал, равный 0, а элемент 3 преобразует 0 на выходе в сигнал, равный 1. Выходы триодов элементов 1 и 2 соединены параллельно, поэтому входной сигнал на элементе 3 равен 0 только при условии, что выходные сигналы элемента 1 и элемента 2 равны 1. В этом случае на выходе элемента 3 появится сигнал, равный 1. Если же хотя бы народном иаэлементов 1 или 2 сигнал равен 0, то сигнал на входе элемента 3 равен 1, а на выходе элемента 3 — 0.

Элементы серии ЛОГИКА следует рассматривать как пример типовых элементов. Окончательных общепринятых типовых эле­ментов пока еще не создано.

Элементы выдержки времени. В качестве элемента выдержки времени в схемах на полупроводниках применяются конденсатор­ные реле времени, в которых для создания выдержки времени 1_Р используется продолжительность заряда (или разряда) конден­сатора С, включенного последовательно с активным сопротивле­нием R.

Принцип устройства реле времени, осно­ванного на заряде конденсатора, показан на рис. 11-51. Реле состоит из зарядной цепи RС, делителя напряжения на сопротивле­ниях R₁ и R₂ и реагирующего органа (нуль-индикатора) РО, вклю­ченного между точками а и b через диод Д. Нормально конденсатор зашунтирован пусковым устройством П, напряжение U_с = О, при этом потенциал точки а больше потенциала точки b (U_а > U_b), поэтому диод Д заперт и ток в РО отсутствует.

При появлении сигнала на входе реле времени пусковое устрой­ство П срабатывает и дешунтирует конденсатор С, после чего он начинает заряжаться током I₃, протекающим по контуру RС. При этом напряжение U_с растет по экспоненциальному закону:

Графически зависимость U_с = f(t) показана на рис. 11-51, б. По мере заряда конденсатора потенциал в точке а приближается к потенциалу точки b. Когда U_с достигнет напряжения на сопротив­лении R₁ делителя напряжения (U₁ на рис. 11-51, б), потенциалы точек а и b уравниваются, затем U _а = U — U_с станет меньше U_b, тогда диод Д откроется и реагирующий орган сработает. Время, в течение которого конденсатор С заряжается до напряже­ния точки в делителя, является выдержкой времени реле (t_р), а U_с = U₁ = U_{с. p}.

Аналитически значение t_р можно получить из (11-47), приняв U_с = U_с.p

Из (11-48) и рис. 11-51, б следует, что t_рзависит от С, R, U_{с. p} и U. Выдержка времени реле обычно регулируется изменением R, что меняет скорость нарастания U_с. При прекращении входного сигнала пусковое устройство П вновь шунтирует конденсатор С, он разряжается и нуль-индикатор прекращает свою работу (реле времени возвращается). Разряд продолжается в течение сотых до­лей секунды, после чего реле вновь готово к действию.

Основная трудность выполнения конденсаторного реле времени состоит в обеспечении его точности. Погрешность реле времени, применяемых в релейной защите, должна удовлетворять условию Δt≤ 0,1 ÷ 0,2 с.

Для получения требуемой точности необходимо:

1) обеспечить стабильность емкости С и тока утечки конден­
сатора С, сопротивления R, питающего напряжения U и напряже­
ния срабатывания U_{с. p};

2) иметь отношение U_{с. p} / U ≤ 0,63, при этом реле работает на крутой части характеристики U_с =f(t) и колебания U_{с. p} весьма незначи­тельно влияют на изме­нение t_р;

3) исключить влия­ние подпитки конденсатора С в процессе его заряда через побочные цепи, кроме цепи RС.

На рассмотренном принципе разработано большое количество вариантов схем исполнения реле времени.

В виде примера реле времени, применяемого в схемах защиты, приведена конструкция реле, разработанного ВНИИЭ (рис. 11-52).

Реле состоит из пускового устройства, выполненного с помощью тран­зистора (триода) Т₁ типа р-n-р, зарядного контура R С, делителя напряжения Д₃—Д₆ и реагирующего нуль-индикатора, выполненного посредством три­одов Т₂ и Т₃ типа п-р-п. Точки а и b соответствуют тем же точкам на схеме рис. 11-51.

Нормально триод Т₁ и диод Д₁ открыты и шунтируют емкость С. На базу триода Т₂ подается положительное по отношению к эмиттеру смещение через резистор R₃, и он открывается током базы, замыкающимся по этому сопротив­лению. При этом на базу Т₃ через открытый триод Т₂ подается отрицатель­ный по отношению к эмиттеру потенциал, вследствие чего триод Т₃ закры­вается и ток в реле Р отсутствует. Диод Д₂ закрыт, так как на него подано напряжение обратного знака. При поступлении сигнала А на вход реле вре­мени триод Т₁ закрывается и конденсатор С начинает заряжаться. Диоды Д₁ и Д₂ закрыты, поэтому процесс заряда зависит только от параметров кон­тура RС. Когда потенциалы точек a и b сравняются, диод Д₂ откроется и по­даст напряжение точки а к базе триода Г₂- Параметры цепей подобраны так, что потенциал точки а получается ниже потенциала точки b, поэтому триод T₂ закрывается.

В результате этого база триода Т₃ получает положительный потенциал через сопротивление R₄. Триод Т₃ открывается, и в реле Р появляется ток коллектора, под действием которого оно срабатывает. При снятии сигнала А триоды Т_г, Т₂, Т₃ возвращаются в первоначальное состояние, а конденсатор С разряжается за 0,02 с. Напряжение, питающее схему реле времени, ста­билизируется с помощью опорных диодов Д₃ — Д₆.

Данное реле имеет выдержку времени до 9 с. Погрешность реле не более ±0,15 с при изменении температуры от 25 до +50 °С.

д) Примеры схем бесконтактных релейных защит на полупро­водниках

В качестве примера бесконтактной защиты на полупроводни­ках, разработанной ВНИИЭлектропривод на типовых элементах ЛОГИКА, в приложении приводится схема максимальной защиты, выпускаемая ЧЭАЗ для линий 6—10 кВ. Ниже приводится более сложная схема одноступенчатой трехсистемной дистанционной за­щиты, разработанная ВНИИЭ [Л. 56]. Эта защита предназначена для использования в качестве резервной от междуфазных к. з. на линиях 110—220 кВ.

Структурная схема защиты представлена на рис. 11-53. Защита состоит из дистанционного органа 1, выполнен­ного с помощью трех направленных реле сопротивления с эллипти-

ческой характеристикой; пускового органа 2, реагирующего на I₂ и I₀; логической схемы 3, осуществляемой с помощью элементов ИЛИ, И и усилителей У; конденсаторного реле времени 4 и испол­нительного органа 5. Все элементы схемы выполнены на полупро­водниках, кроме исполнительного органа, в качестве которого ис­пользуется электромеханическое реле типа РП-7.

Реле сопротивления РС действуют на элемент ИЛИ, выполнен­ный на трех диодах по схеме рис. 11-45. Для увеличения мощности выход схемы ИЛИ₁ заведен на усилитель У₁.

Пусковое реле в данной защите не является обязательным, поскольку дистанционный орган защиты отстроен от нагрузки. Пусковой орган предусмотрен для исключения неправильной ра­боты защиты при нарушениях в питающих ее цепях напряжения и отстройки от нагрузки и качаний в симметричном режиме. Выход­ной сигнал пускового реле I₂ и I₀ воздействует на элемент времен­ной памяти ВП, который как бы запоминает полученный сигнал и продолжает его передавать в течение 0,1 с после прекращения дей­ствия реле I₂ и I₀. Такая работа ВП равносильна замедлению воз­врата пускового реле и необходима Для надежного действия последнего при трехфазных к. з., когда токи несимметрии I₂ и I₀ воз­никают кратковременно, лишь в начале к. з., в течение 0,01—0,03 с.

Защита приходит в действие, если на элемент И поступает вход­ной сигнал от пускового органа (через элемент ИЛИ₂) и от дистан­ционного органа одновременно. Возникающий при этом выходной сигнал на элементе И усиливается усилителем У₂ и подается на реле времени В. По истечении заданной выдержки времени t₃ реле вре­мени срабатывает и посылает сигнал на исполнительный орган, который с помощью поляризованного реле РП-7 дает команду на отключение выключателя линии.

Для обеспечения действия защиты при симметричных трехфаз­ных к. з., когда импульс, подаваемый пусковым органом (реаги­рующим на первоначальную несимметрию), прекращается значи­тельно раньше, чем срабатывает реле времени защиты, предусмот­рена обратная связь с выхода усилителя У₂. Одновременно с пода­чей сигнала на реле времени по цепи обратной связи подается сиг­нал на элемент ИЛИ₂, Благодаря этому при трехфазных к. з. после прекращения сигнала от пускового органа элемент ИЛИ₂ будет продолжать посылку сигнала на элемент И за счет обратной связи. Таким образом, создается своеобразная цепь самоудерживания от дистанционных органов схемы, обеспечивающая действие защиты при кратковременном срабатывании пускового органа.

Полные схемы элементов защит показаны на рис. 11-54 и 11-55.

Пусковой орган (рис. 11-54) реагирует на I ₂ и I₀, которые полу­чаются от фильтра обратной последовательности Ф₂ и трансформатора Т₀ и выпрямляются мостами В₁ и В_г. На стороне выпрямленного тока мосты соеди­нены параллельно. Для сглаживания выпрямленного напряжения предусмот­рен конденсатор С₃. Напряжение между точками 1 и 2 (рис. 11-54) определя­ется величиной большого тока (I₂ или I₀).

Реагирующим элементом пускового органа, обладающим временной памятью, являются триоды Т₃ и Т₄.

Параметры сопротивлений (R₁₂ — R₁₀ и R₁₄ — R₁₁) подобраны таким образом, что потенциал эмиттера триода Т₃ при отсутствии I₂ и I₀ получается выше потенциала базы, вследствие чего триод Т₃ закрыт. При этом на базу Т₄ подается положительный потенциал (через R₁₅). Триод T₄ открыт и напря­жение на выходных зажимах органа 11-7 равно нулю, так как они зашунтированы открытым триодом T₄.

При появлении I_г или I₀ выпрямленный ток I замыкается по сопротивле­нию R₁₀ и на его зажимах появляется напряжение U = IR₁₀, пропорциональ­ное этим токам. При определенном значении I₂ или I₀ потенциал точки 2 повышается настолько, что диод Д₆ закрывается, вызывая увеличение потен­циала в точке 3. В результате этого триод Т₃ открывается, а триод Т₄ вслед­ствие понижения потенциала в точке 4 закрывается, размыкая цепь между II и 7. На выходе пускового органа (точки II и 7) появляется напряжение, означающее, что он сработал.

При исчезновении I₂ и I₀ триод Т₃ снова закрывается. Но благодаря памяти, осуществленной с помощью заряженного конденсатора С₅, Т₄ откры­вается не сразу, а только через 0,01 с, пока не разрядится С₅. Эта емкость была заряжена при предшествующем открытии триода Т₃ током, протекавшим по цепи С₅ — R₁₁. Потенциал точки 4, от которого зависит состояние триода Т₄, по мере разряда емкости С₅ повышается. По окончании разряда, продолжающегося 0,01 с, потенциалы точек 4 и 7 (базы и эмиттера) становятся равными, триод T₄ открывается и выходное пряжение (сигнал) на зажимах 11-7 исчезает. Таким образом, с помощью конденсатора С₅ осуществляется временное запоминание появления I₂ или I₀. Регулирование уставки срабатывания реле производится изменением напряжения, снимаемого с фильтров обратной I₂ и нулевой I₀ последовательностей.

  на

Д и с т а н ц и о н н ы й о р г а н. В качестве реле сопротивлений РС (рис.11-54) применяются реле, рассмотренные в § 11-6. Они включаются на междуфазное напряжение и разность фазных токов по табл. 11-1.

Реле РС состоит из промежуточного трансформатора напряжения ТН и трансформаторов ТР, с помощью которых получаются напряжения U ₁ и U _II.

Эти напряжения выпрямляются выпрямителями В₃ и В₄, а затем сравниваются посредством схемы сравнения, построенной на балансе напряжения. На вы­ходных зажимах тип получается напряжение _тп = | ₁| — | _II |, подво­димое к нуль-индикатору.

Нуль-индикатор является двухкаскадным усилителем на триодах Т₁ (типа р-п-р) и Т₂(типа п-р-п).

Триод Т₂ является общим для всех трех реле РС. Для этого выходной зажим 1 триода Т₁ каждого реле связан с базой Т₂ через диод Д₅ по схеме ИЛИ.

При отсутствии напряжения на зажимах m и n или при его отрицатель­ном знаке триод Т₁ открыт, на диоды Д₅ подается обратное напряжение и они закрываются. База триода Т₂ имеет по отношению к эмиттеру положитель­ный потенциал (через R₅), поэтому триод Т₂ открыт и напряжение на выход­ных зажимах 1—3 равно нулю.

При появлении положительного напряжения на выходе схемы сравне­ния (зажимы m и n) триод Т₁ закрывается. Конденсатор С₂ начинает заря­жаться, и когда потенциал точки 7 станет равным потенциалу в точке 3, диод Д₅ откроется, в результате чего потенциал базы Т₂ станет ниже потен­циала эмиттера и триод Т₂ откроется. На выходных зажимах 1—3 появляется напряжение, воздействующее на логическую часть защиты.

Конденсаторы С₁ служат для регулирования величины малой оси эллип­тической характеристики срабатывания реле. Конденсатор С₂ создает замед­ление срабатывания реле на 0,1 с.

Логическая схема защиты изображена на рис. 11-55. Она состоит из логических элементов ИЛИ₂ (рис. 11-53) и И (R₂₁, R₂₂, R₂₃, R₂₉, Д₈, Д₉), усилителя У₂ (рис. 11-53), реле времени РВ и выходного реле РП.

К зажиму 1 схемы подается сигнал от дистанционного органа, а к за­жиму II — от пускового. Сопротивления R₂₁ и R₂₉ образуют элемент ИЛИ₂, выходом которого является точка 8. При появлении сигнала // от пускового органа ИЛИ от обратной связи через сопротивление R₂₉ в точке 8 появляется напряжение.

Точка 9 является выходом элемента И₂ и одновременно входом усили­теля У₂, состоящего из двух триодов Т₅ и Т₆. Элемент И образуется с помощью диода Д₉ и сопротивления R₂₂, по которому поступает сигнал 1 от дистанци­онного органа, и точки 8, с которой приходит сигнал II от пускового реле.

Если пусковой и дистанционные органы защиты не действуют, то сигналы I и II отсутствуют. При этом потенциал базы триода Т₅ (точка 9) ниже, чем у его эмиттера (точка 7), вследствие чего Т₅ закрыт. Закрыт также и диод Д₉ поскольку на него подано обратное напряжение. Усилитель У₂ и реле времени не работают. В случае появления сигнала // потенциал точки 9 (от которого зависит работа Т₅) не меняется, так как диод Д₉ закрыт и не пропускает сигнал //. При появлении сигнала / потенциал зажима / повы­шается, но при этом открывается диод Д₉, в результате чего потенциал точки 9 остается ниже точки 7 и триод Т₅ не работает.

При действии пускового и дистанционного органов сигналы / и // появ­ляются одновременно. Сигнал // держит диод Д₉ запертым, и благодаря этому под влиянием сигнала / потенциал точки 9 повышается.

Таким образом, на выходе элемента И появляется сигнал, в результате которого триод Т₅ открывается, а Т₆ закрывается. Это вызывает повышение потенциала, т. е. появление сигнала на выходном зажиме /// усилителя У₂.

При появлении сигнала /// триод Т₇ закрывается и дешунтирует кон­денсатор С₈, чем осуществляется пуск реле времени. Последнее работает так же, как и схема на рис. 11-52.

Нуль-индикатор реле времени состоит из триодов Т₈ и Т₉. При срабаты­
вании реле времени (т. е. открытии триода Т₉) под действием коллекторного
тока триода Т₉ приходит в действие выходное реле РП, которое подает им­
пульс на отключение.

Сигнал /// по цепи обратной связи R₂₉ поддерживает повышенный потен­циал в точке 8, не позволяющий работать диоду Д₉. Таким образом поддер­живается работа У₂ и реле времени при трехфазных к. з., сопровождающихся кратковременным появлением сигнала II.

Рассмотренная защита имеет в 4 раза меньшие габариты по сравнению с аналогичной одноступенчатой дистанционной защитой с реле типа КРС-131. Потребление цепей напряжения защиты равно 3 В·А, а токовых цепей со­ставляет 1 В • А при токе 5 А. Для устранения мертвой зоны предусматри­вается смещение характеристики реле сопротивления в IIIквадранте при­мерно на 10%. Угол φ_м.ч имеет две уставки: 60 и 80°.

Дата добавления: 2014-12-23