Полупроводниковые приборы в схемах релейной защиты

Полупроводниковые реле

Общие сведения. Полупроводниковые реле в отноше­нии быстродействия, чувствительности, селективности и на­дежности превосходят электромагнитные. В ряде случаев полупроводниковые реле обладают характеристиками, ко­торые невозможно получить с помощью электромагнитных реле.

Полупроводниковые реле защиты содержат измерительный орган и логическую часть.

В измерительном органе непрерывные выходные величины преобразуются в дискретный выходной сигнал.

Дискретный выходной сигнал посту­пает на вход логической части, выдающей управляющий сигнал чаще всего на электромагнитное реле.

Измерительный орган полупроводникового реле тока обычно имеет на входе трансформатор тока, нагруженный на малое активное сопротивление. Напряжение на этом сопротивлении пропорционально первичному току в контро­лируемой сети.

В измерительных органах используются следующие три принципа:

1) сравнение однородных физических величин, напри­мер напряжений. В момент равенства измеряемого и опор­ного напряжений на выходе появляется нулевой сигнал, который приводит к срабатыванию нуль-органа. На выходе появляется дискретный сигнал. Регулируя опорное напря­жение, можно менять уставку срабатывания. Реализация такого принципа показана на рис. 8.11. Выпрямленный сигнал, пропорциональный напряжению или току, по­дается на мост R1, R2, R3, VD1. В момент равенства на­пряжений на R2 и VD1 на выходе моста появляется нуле­вой сигнал, который приводит в действие нуль-орган. Глав­ным источником погрешности полупроводниковых реле яв­ляется зависимость параметров полупроводниковых прибо­ров от температуры. Поэтому в схемы вводится темпера­турная компенсация. В данной схеме для температурной компенсации последовательно со стабилитроном VD1 вклю­чается в прямом направлении диод. С ростом температуры у стабилитрона падение напряжения растет, а у диода в проводящем направлении падает;

2) проявление физического эффекта, возникающего, при определенном значении измеряемого напряжения, — скачок в нелинейной характеристике туннельного диода, релейная характеристика триггера Шмидта и др.;

3) преобразование непрерывного входного сигнала и опорного напряжения в цифровую форму. После этого производится сравнение входного сигнала с опорным на­пряжением.

Обработка входного сигнала в цифровой фор­ме может производиться по требуемому алгоритму вычисли­тельного устройства. Последний принцип наиболее перспек­тивен ввиду высокой универсальности и стремительного развития вычислительной техники.

Реле тока. Функциональная схема трехфазного полупроводниково­го реле тока представлена на рис. 8.12. Пропорциональ­ные токам напряжения трех фаз подводятся к промежуточ­ным трансформаторам Т1—ТЗ. Между первичной и вторич­ной обмотками установлен экран. На выходе трансформа­торов включены нелинейные резисторы. Эти меры защищают усилители ОУ Al—A3 от перенапряжений. Сигнал со вторичных обмоток трансформаторов, пропорциональный контролируемому току, подается на входы ОУ Al—A3. На эти же усилители подается опорное напряжение с резисто­ра R. Входные и опорные напряжения сравниваются между собой. При их равенстве на выходе усилителей Al—A3 появляется выходной сигнал, который через элемент ИЛИ, блок расширения импульса А5 и оконечный усилитель А4 подается на исполнительный орган. В блоке А5 кратковременный импульс преобразуется в импульс большой дли-тельности. Светоизлучающие диоды VD1 – VD3 сигнализируют о фазе, в которой произошла перегрузка.

Для того чтобы схема не реагировала на кратковременные и безопасные для защищаемой цепи перегрузки, вводится выдержка времени (рис. 8.13). Для этого один сигнал с элемента ИЛИ подается на элемент И непосредственно, второй – с выдержкой времени, определяемой цепочкой R1, C1. Сигнал на выходе реле появляется только тогда, когда на элемент И придут оба сигнала.

Реле напряжения. В схеме трехфазного реле напряжения (рис. 8.14.) напряжение срабатывания регулируется резистором R1.

Реле может работать как максимальное (переключатель S в положении 1) и как минимальное (переключатель S в положении 2). Коэффициент возврата реле регулируется в широком диапазоне с помощью резистора R2, которым изменяется коэффициент положительной обратной связи в усилителях А1, А2, А3.

Логический элемент И обеспечивает срабатывание реле в случае, когда напряжение хотя бы в одной фазе падает ниже допустимого значения (переключатель S в положении 2).

Источник

Полупроводниковые приборы в схемах релейной защиты

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ

Обобщенная функциональная схема. На рис.2.38 изображена функциональная схема, характерная для различных видов полупроводниковых ИО, применяемых в отечественных устройствах РЗ. Эта схема состоит из таких же структурных частей, как и общая структурная схема на рис.2.1, но, с учетом особенностей элементной базы, она дополнена блоком – источником питания, необходимым для обеспечения действия полупроводниковых элементов. Поэтому ниже рассматриваются особенности функции каждой структурной части при выполнении ИО на ИМС и реализующие их элементы.

ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИО

Изучение принципов выполнения схем различных видов ИО (реле) следует начать с рассмотрения отдельных типовых схем функциональных элементов, с помощью которых реализуются описанные выше функции структурных частей ИО, поскольку из этих элементов компонуются схемы измерительных органов полупроводниковых РЗ. К таким элементам относятся промежуточные преобразователи тока и напряжения, частотные фильтры, выпрямители, сумматоры напряжений, схемы сравнения и ряд других элементов, построенных в большинстве случаев на ИМС [40, 45, 53].

Функциональные элементы воспринимающей части ИО. В качестве функциональных элементов этой части используются преобразователи тока, напряжения и выпрямители.

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИО

Функциональные элементы, применяемые в преобразующей, сравнивающей и исполнительных частях ИО, выполняются на аналоговых ИМС. В качестве такой микросхемы служат интегральные операционные усилители (ИОУ), являющиеся основным видом аналоговых микросхем, применяемых для преобразования непрерывных сигналов. Они выполняются в виде многокаскадных транзисторных усилителей постоянного тока с непосредственными (гальваническими) связями. От остальных усилителей этого типа ОУ отличаются высокой точностью преобразования входных сигналов и универсальностью применения. В релейной защите ОУ получили широкое распространение в качестве базовых элементов для построения измерительных органов РЗ.

2.16. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В УСТРОЙСТВАХ РЗ

Инвертирующий операционный усилитель выполняется на ОУ с параллельной отрицательной ОС (ООС) по напряжению (рис.2.45, a). Неинвертирующий вход Н соединен с общей (нулевой) шинкой непосредственно или через резистор, поэтому UH = 0. Входной сигнал UBX1 подается через резистор R1 на И-вход ОУ. На этот же вход по цепи ОС через резистор ROC поступает напряжение с выхода ОУ: UOC = –KOCUВЫХ. Коэффициент KOC показывает, какая часть выходного напряжения передается на вход усилителя: KOC = R1/(R1 + ROC).

Определим основной параметр усилителя: КуИ = UBЫX/UBX1. Полагая, что ОУ имеет идеальные параметры (КуОУ =, ZВХ ОУ = ), принимаем напряжение между входными зажимами ОУ UВХ.Д = UН–И = UH– UИ = 0. Отсюда следует, что UИ = UH, а так как UH = 0, то потенциал И-входа (UИ) инвертирующего усилителя будет равен нулю.

ПРОСТЕЙШИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ НА ОУ

Сумматоры напряжения. Сумматоры осуществляют сложение (алгебраическое и геометрическое) нескольких напряжений и используются в качестве устройства, формирующего две и больше сравниваемые величины в ИО по выражениям (2.20).

Сумматор выполняется по схеме инвертирующего усилителя, у которого к И-входу подводится не одно, а несколько суммируемых напряжений. Рассмотрим схему (рис.2.49) алгебраического сложения n напряжений: U1 + U2 + . + Un. Каждое напряжение подводится к И-входу ОУ через свой резистор R1, R2. Rn.

СХЕМЫ СРАВНЕНИЯ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Схемы сравнения двух абсолютных значений электрических величин. Схемы сравнения абсолютных значений получили распространение в ИО, где сравниваются выпрямленные напряжения |UI| и |UII|. Применяются две схемы сравнения: на равновесии сравниваемых напряжений или на балансе токов, пропорциональных сравниваемым напряжениям (рис.2.61).

В схеме сравнения на равновесии напряжений (рис.2.61, а) выпрямители VS1 и VS2 соединяются одноименными полюсами, а в рассечку провода включается реагирующий орган РО. Под влиянием разности напряжений |UI| – |UII| в РО появляется ток IРО. При |UI| > |UII| ток IРО имеет положительный знак, и РО действует. Резисторы R1 и R2 шунтируют выпрямители и образуют контур с малым сопротивлением, по которому проходит ток IVS помимо выпрямителей, представляющих большое сопротивление для токов обратного направления.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ НА ИМС

Общие принципы выполнения. Поскольку отечественная промышленность выпускает полупроводниковые реле тока и напряжения на ИМС, ниже рассмотрены принципы построения ИО только на базе микросхем.

Реле тока и напряжения относятся к ИО с одной воздействующей и одной сравниваемой величинами. Принцип действия таких реле основан на сравнении абсолютного значения контролируемой входной величины (I или U) с эталонной величиной, соответствующей заданному значению контролируемой величины (тока или напряжения), при котором реле должно срабатывать. Воздействующая величина поступает с выхода измерительных ТТ или ТН. Поскольку токи и напряжения сети имеют синусоидальный характер, то для выполнения реле можно использовать либо мгновенные (амплитудные) значения, либо среднее за период значение измеряемой величины. Действующие значения этих величин, как правило, не используются вследствие большей сложности схем их получения. Наиболее распространенными являются ИО тока и напряжения, выполненные на выпрямленном токе (напряжении).

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ (РЕЛЕ) С ДВУМЯ ВХОДНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

К этой группе ИО относятся реле направления мощности (РНМ) и реле сопротивления (PC), входными величинами которых являются напряжение и ток защищаемого объекта (UР и IР).

Для построения РНМ на ИМС используется в основном принцип сравнения фаз двух входных величин (UI и UII), позволяющий получить большее быстродействие, чем у реле, построенных на сравнении абсолютных значений. Ниже рассмотрены реле серии РМ-11 и РМ-12, выпускаемые ЧЭАЗ вместо индукционных реле типов РБМ-171 и РБМ-177. Новые РНМ типа РМ-10 изготовляются из отдельных транзисторов и ИМС (ОУ). В основу работы реле положена схема сравнения фаз двух синусоидальных напряжений u1t=k1UPmsin(ωt + φ) и u2t= k2IPmsinωt, построенная на сопоставлении времени совпадения tСПоднополярных мгновенных значений этих напряжений с заданным временем совпадения (уставкой) tУ, при котором реле должно срабатывать. В §2.18 показано, что значение tHC определяется сдвигом фаз ψ между сравниваемыми напряжениями.

ЭЛЕМЕНТЫ ЛОГИЧЕСКОЙ И ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЧАСТЕЙ УСТРОЙСТВ РЗ

Элементы логической части (ЛЧ). Основными компонентами ЛЧ являются логические элементы (ЛЭ), выполняющие типовые логические операции: органов времени (ОВ), сигнальных органов, органов памяти, продлевающих действие выходного сигнала элемента, триггеров, используемых как двухпозиционные элементы, и др.

В релейно-контактных устройствах все эти элементы выполняются на электромеханических реле, в статических бесконтактных – на базе полупроводниковых приборов, первоначально в неинтегральном, а в последнее время в интегральном исполнении.

ОРГАНЫ ЛОГИКИ НА ИМС

Для выполнения ЛЭ используются цифровые ИМС, предназначенные для преобразования входных двоичных сигналов высокого и низкого уровней (1 и 0) в дискретные выходные сигналы. По выполняемым функциям цифровые микросхемы можно подразделить на схемы, выполняющие логические операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, И, НЕ, ИЛИ (логические схемы), и на схемы функциональных узлов (триггеры, счетчики, дешифраторы и др.). Эта группа ИМС выполняется в виде различных сочетаний типовых логических схем. На чертежах микросхемы изображаются и обозначаются так же, как и соответствующие им логические элементы (см. рис.2.72).

Как правило, одна микросхема обычно состоит из нескольких однотипных логических схем. При этом каждая схема имеет выведенные из корпуса входы и выходы и два общих для всех схем вывода для подсоединения источника питания (рис.2.78, а). При таком исполнении каждая из схем, входящих в микросхему, может использоваться как самостоятельный ЛЭ в разных частях логической схемы РЗ.

Источник