Н.В. Чернобровов Релейная защита

реле РБМ-271, РБМ-277, РБМ-278 — двустороннего действия и имеют два замыкающихся контакта двустороннего действия.

2-13. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЕ

Магнитоэлектрическое реле (рис. 2-41) состоит из постоянного магнита 1, подвижной рамки 2, на которой намотана обмотка 3, питающаяся током Iр, и контактов 4. Принцип работы магнитоэлектрических реле основан на взаимодействии тока Iр в обмотке рамки с магнитным потоком постоянного магнита Ф.

Сила, действующая на обмотку рамки, определяется по закону Био и Савара и равна:

где ВМ – индукция магнитного поля постоянного магнита; Ip – ток в обмотке рамки; l - активная длина витка обмотки; wp – число витков обмотки рамки.

Вращающий момент, образованный силами Fэ равен:

Угол поворота рамки принимается небольшим (5—10 ), а форма полюсов магнита подбирается таким образом, чтобы магнитное поле было равномерным. В этом случае магнитная индукция ВМ является постоянной и, следовательно, момент Мэ можно считать пропорциональным току Ip в обмотке реле, т. е.

Знак момента Мэ и силы Fэ зависит от направления тока Iр в подвижной рамке реле. При показанном на рис. 2-41 направлении Iр направление силы Fэ определено с помощью правила «левой руки». При изменении направления Iр изменится и направ-

ление Fэ,

Таким образом, магнитоэлектрические реагируют на н а п р а в л е н и е т о к а и поэтому, так же как и поляризованные реле, не могут работать на переменном токе. Магнитоэлектрические реле имеют высокую чувствительность и малое потребление. Мощность срабатывания достигает 10-8 — 10-10 Вт и превосходит чувствительность поляризованных реле, что объясняется наличием сильного поля постоянного магнита 1.

Обладая малым потреблением, магнитоэлектрические реле имеют слабую контактною систему с малой отключающей способностью. Зазор между контактами очень мал — около 0,5— 0,3 мм. Для повышения чувствительности противодействующая пружина в магнитоэлектрических реле имеет небольшой момент, по-

этому магнитоэлектрические реле отличаются плохим возвратом. Надежный возврат этих реле часто обеспечивается подачей в обмотку реле тормозного тока, действующего на размыкания контактов. Время действия реле равно 0,1—0,2 с.

Указанные недостатки необходимо учитывать при использовании магнитоэлектрических реле в схемах защиты. Магнитоэлектрические реле широко применяются в качестве нульиндикаторов в схемах на выпрямленном токе.

2-14. РЕЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Применение полупроводниковых приборов (диодов и триодов) [Л. 14, 15] позволяет уменьшить размеры реле, снизить потребление мощности от измерительных трансформато-

51

ров, повысить чувствительность, улучшить характеристики и выполнить реле без контактов и движущихся частей.

Полупроводниковые приборы имеют большие разбросы характеристик, зависимость параметров от температуры и нелинейность сопротивлений. Однако при учете этих недостатков в процессе конструирования их нежелательное влияние на параметры реле можно ограничить до допустимых пределов.

С использованием полупроводников могут выполняться как основные реле (т. е. реле тока, напряжения, мощности и сопротивления), так и элементы логической части схем защит.

Простые реле, реагирующие на одну электрическую величину— ток или напряжение, выполняются, как правило, на выпрямленном токе с помощью диодов. В качестве реагирующего (исполнительного) органа при этом используются высокочувствительные электромагнитные, поляризованные или магнитоэлектрические реле.

Более сложные реле, такие как реле мощности и сопротивления, реагирующие на две электрические величины — ток и напряжение, могут выполняться с использованием полупроводников на одном из следующих принципов [Л. 18, 17, 45, 87, 105 :

1) на с р а в н е н и и а б с о л ю т н ы х з н а ч е н и й д в у х э л е к т р и ч е -

поставляются по величине с помощью специальных схем сравнения (фазочувствительных схем);

2) на с р а в н е н и и ф а з м г н о в е н н ы х з н а ч е н и й д в у х э л е к т р и -

. .

ч е с к и х в е л и ч и н U 1 и U II.

Реле такого типа выполняются с помощью фазосравнивающих схем, позволяющих опре-

. .

делить сдвиг фаз между U 1 и U II.

В обоих случаях сравниваемые величины U1 и UII являются линейными функциями тока Iр и напряжения Uр подводимых к реле, а именно:

Изменяя коэффициенты k1, — k4, можно получить реле разных типов и с различными характеристиками. К ним в первую очередь относятся реле направления мощности и реле сопротивления.

Полупроводниковые реле на сравнении абсолютных значений двух электрических величин, или, как их часто называют, реле на выпрямленном токе, разработаны в различных вариантах и получили широкое распространение.

Полупроводниковые реле на сравнении фаз разработаны в меньшей степени, но имеют определенную перспективу применения.

Ведутся также разработки реле на сравнении абсолютных значений и сравнении фаз с использованием эффекта Холла [Л. 13, 87, 17].

2-15. РЕЛЕ НА ВЫПРЯМЛЕННОМ ТОКЕ, РЕАГИРУЮЩИЕ НА ОДНУ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ВЕЛИЧИНУ

К реле, реагирующим на одну электрическую величину, относятся реле тока и напряжения. Наибольшее распространение получили реле, включаемые на ток или напряжение сети через выпрямители, выполняемые с помощью полупроводник овых диодов.

52

.

ряда Фурье [Л. 29 и 95], согласно которому выпрямленный ток | I | состоит из постоянной слагающей и гармонических составляющих с нарастающей частотой и убывающими амплитудами.

При двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока i = Iтsin t [см. Л. 29 и 95] переменные слагающие ряда Фурье состоят только из четных косинусоидальных гармоник.

В этом случае выпрямленный ток

где Id— постоянная слагающая ряда Фурье; I2, I4, I6 … — амплитуды 2, 4, 6-й ... гармоник ряда; = 2 f1 - угловая скорость выпрямляемого тока I, имеющего частоту

f1= 50 Гц.

Выражая постоянную и гармонические составляющие через амплитуду выпрямляемого тока 1т, получаем:

Из (2-40) следует, что среднее значение выпрямленного тока | I | равно сумме средних значений его составляющих, и так как среднее значение каждой гармон ической составляющей за период равно нулю, то Iср = Id.

Составляющие 4-й гармоники и выше очень малы, и поэтому ими пренебрегают, считая, что переменная слагающая выпрямленного тока состоит в основном из 2-й

и частотой f2=2 f1 = 100 Гц, т. е. так, как это было принято в (2-39а).

Пульсация выпрямленного тока вызывает вибрацию контактов исполнительного органа Р, поэтому ее необходимо устранять 1. Для этой цели применяются специальные устройства, сглаживающие кривую выпрямленного тока.

У с т р о й с т в о д л я с г л а ж и в а н и я т о к а ограничивает попадание переменных составляющих тока в реле. Подобные устройства показаны на рис. 2-43. В схеме на рис. 2-43, а последовательно с обмоткой реле Р включен дроссель L, индуктивное сопротивление которого хL, = L= 2 fL имеет значительную величину для переменной составляющей с f = 100 Гц и равно нулю для постоянного тока. В результате постоянная составляющая выпрямленного тока свободно проходит в реле, а величина переменной ограничивается.

В схеме на рис. 2-43, б обмотка реле Р зашунтирована конденсатором С с сопротивлени-

1

ем хс = Ñ которое обратно пропорционально f. Поэтому большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которой хс мало, замыкается через конденсатор С, минуя реле. Для постоянной составляющей конденсатор является бесконечно большим

54

1 В рассматриваемых нише схемах сравнения абсолютных значений двух электриче- ских величин пульсация выпрямленного тока вызывает кроме вибрации нежелател ь- ную зависимость срабатывания реле от угла сдвига между сравниваемыми величинами.

сопротивлением, и поэтому она полностью замыкается через реле.

В схеме на рис. 2-43, в применен контур LС, настроенный в резонанс на частоту 2-й гармоники 100 Гц, преобладающей в выпрямленном токе. Такой фильтр свободно пропускает постоянную составляющую через индуктивность L и представляет большое сопротивление для переменной слагающей. Схемы на рис. 2-43, а, б дают наилучший результат для источников переменного тока с малым сопротивлением по отношению к нагрузкам (реле Р); схема на рис. 2-43, в более эффективна для источников с большим по отношению к нагрузке сопротивлением.

Все приведенные схемы содержат индуктивность и емкость, замедляющие нарастание постоянной составляющей тока в обмотке реле, что вызывает замедление их действия. Особенно большое замедление создают схемы на рис. 2-43, а я б.

В тех случаях, когда увеличение времени действия недопустимо, может применяться более сложная схема (рис. 2-43, г). В этой схеме подлежащий выпрямлению ток I расщепляется на три составляющие I1, I2 и I3, равные по величине и взаимно сдвинутые по фазе

на 120° с помощью индуктивных и емкостных сопротивлений. Ток рис. 2-43, г и д). Каждый из этих токов самостоятельно выпрямляется, затем они суммируют-

ся и подаются, в обмотку реле. Результирующий ток в реле Iр весьма близок к постоянному. Эта схема не влияет на быстродействие реле.

Имеется второй вариант выполнения реле тока и напряжения: на выпрямленном токе. По этому варианту (рис. 2-44, а) измеряемая величина Uи сравнивается с эталонной величиной Uэ, изменяющейся по другому закону или имеющей постоянное значение (как показано на рис. 2-44, б). Реле работает, если Uи ≥ Uэ

Реле на выпрямленном токе отличаются малым потреблением и небольшими размера-

ми.

2-16. РЕЛЕ НА ВЫПРЯМЛЕННОМ ТОКЕ, СРАВНИВАЮЩИЕ АБСОЛЮТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ДВУХ НАПРЯЖЕНИЙ U1 и UII

а) Принципы выполнения и работы

Общие принципы выполнения и структурная схема всех видов реле на сравнении абсо-

. .

лютных значений двух напряжений U 1 и U 11 одинаковые и показаны в виде блок-схемы на рис. 2-45. Реле состоят из суммирующего устройства 1 выпрямителей 2 (В1 и В 2), схемы

55

Напряжение и ток сети U ð и I p подводятся к суммирующему устройству, на выходе кото-

. .

рого с помощью вспомогательных трансформаторов образуются два напряжения U 1 и U 11 , по выражениям (2-38). Каждое из этих напряжении выпрямляется двухполупериодными выпрямителями В1, В2 на полупроводниковых диодах. На их выходе получаются выпрям-

Выпрямленные напряжения подводятся к схеме сравнения 3, где они вычитаются друг из друга, образуя на выходе схемы напряжение

На это напряжение к выходным зажимам схемы сравнения включается исполнительный орган 4.

. .

Реле должно действовать при условии, что |U 1 | ≤ |U 11 |.

В соответствии с этим исполнительный орган 4 должен действовать только при положительных значениях Uвых; это означает, что исполнительный орган должен быть направленным, т. е. реагировать на полярность подводимого к нему напряжения.

Напряжение U1, вызывающее работу реле, называется рабочим, а UII — тормозным; соответственно именуются элементы схемы, связанные с U1 и UII.

Изменяя с помощью суммирующего устройства характер зависимости сравниваемых напряжений U1 и UII от Uр и Ip, можно получить как реле мощности, так и различные виды реле сопротивлений.

Рассмотренное реле работает на выпрямленном токе.

б) Выполнение основных элементов реле

Суммирующее (формирующее) устройство служит для образования (ф о р м и р о в а н и

ле сопротивления (см. § и-ш, и;, иимшаи из схемы обмотку Вг, получим направленное реле сопротивления (см. § 11-10, в).

Как уже отмечалось, напряжения U1 и UII, образуемые суммирующим устройством, должны иметь линейную зависимость от Uр и Ip. Для выполнения этого требования э. д. с. вторичных обмоток трансформаторов ТА и ТВ, ИЗ которых формируются напряжения U1 и UII, должны быть строго пропорциональны: ЕА1 И ЕА2. — напряжению Uр, а ЕВ1 и ЕВ2— току Ip.

56

Чтобы получить вторичную э. д. с, пропорциональную Uр, трансформатор ТА выполняется в виде трансформатора напряжения. Электродвижущая сила, индуктируемая напряжением Uр

стоянное значение, то ЕА1 и ЕА2 пропорциональны Uр.

Электродвижущая сила ЕВ ≡ Ip получается от трансформатора ТВ, который для этой цели выполняется в виде т р а н с р е а к т о р а .

Трансреактор (рис. 2-46, б) представляет собой трансформатор с воздушным зазором в магнитопроводе. Первичная обмотка трансреактора, так же как и у трансформатора тока, включается последовательно в цепь первичного тока (в схеме на рис. 2-46, а в цепь тока Ip). Вторичная обмотка трансреактора замыкается на большое сопротивление нагрузки zН и по существу (в отличие от трансформатора тока) работает в р а з о м к н у т о м режиме. Как следствие этого вторичный ток I2 очень мал, и поэтому можно считать, что магнитный поток трансреактора Ф1 создается только н. с. первичной обмотки, равной в нашем случае Ipw1.

57

Благодаря наличию воздушного зазора δ магнитное сопротивление Rм магнитопровода трансреактора имеет повышенное значение и определяется в основном сопротивлением воздушного зазора. Это уменьшает величину магнитного потока Ф1 по сравнению с его значением при том же токе Ip в таком же, но замкнутом стальном магнитопроводе и ограничивает насыщение магнитопровода трансформатора.

Величина воздушного зазора δ подбирается так, чтобы в желаемом диапазоне токов Ip магнитопровод трансреактора не н а с ы щ а л с я . При соблюдении этого условия коэффициент к в выражении (2-42а) будет постоянной величиной и, как следствие этого, зависимость Е2 от Ip будет линейной (рис. 2-46, г), и следовательно условие Е2 ≡ Ip будет обеспечено. Следует отметить, что коэффициент k в (2-42 а) определяет соотношение между величинами вторичной э. д. с. Е2 и первичным током I1 = Ip. Из (2-42 а) k = Е2/IР. Это выражение показывает, что коэффициент k имеет размерность сопротивления. С учетом, что ток I1 (Ip) сдвинут относительно Е2 на 90°, величина к может рассматриваться, как некоторое реактивное сопротивление х в цепи первичного тока Ip или как сопротивление взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками трансреактора. Таким образом; трансреактор равноценен реактору с сопротивлением х= к, включенным в цепь тока Ip. Этим и объясняется его название трансформаторный реактор или сокращенно трансреактор.

Из всего сказанного выше следует, что трансреактор преобразует первичный ток Ip во вторичное напряжение Е2, пропорциональное первичному току, и может работать с разомкнутой вторичной обмоткой аналогично трансформатору напряжения. Эти особенности трансреактора объясняются наличием воздушного зазора в его магнитопроводе. Обычный трансформатор тока не может обеспечить линейной зависимости Е2 от Ip из-за насыщения магнитопровода и не допускает работы с разомкнутой вторичной обмоткой, так как при этом за счет исчезновения размагничивающего действия тока I2 резко возрастает магнитный поток Ф1 вследствие чего увеличиваются до опасного значения вызываемые им э. д. с. E2 и вихревые токи в магнитопроводе.

Трансреакторы применяются не только в суммирующих устройствах, они широко используются в схемах и устройствах современных релейных защит.

Выпрямители. Выпрямление напряжений U1 и UII осуществляется по д в у х п о л у - п е р и о д н о й схеме выпрямительными мостами из полупроводниковых диодов. Сглаживание выпрямленных напряжений производится с помощью схем на рис. 2-43.

Схемы сравнения [Л. 87, 105]. Сравнение величины двух выпрямленных напряжений

пропорциональные им токи, или магнитным путем, сравнивая магнитные потоки, пропорциональные напряжениям U1 и UII. В соответствии с этим применяются три схемы сравнения: на равновесии (на балансе) напряжений, на балансе (циркуляции) токов и на балансе магнитных потоков (рис. 2-47).

В. с х е м е с р а в н е н и я на р а в н о в е с и и (бал а н с е ) н а п р я ж е н и й (рис. 2-47, а) выпрямители В1 и В2 соединяются между собой одноименными полюсами (плюс с плюсом и минус с минусом). В рассечку провода к зажимам т — п включается реле (испол-

влиянием разности |U 1 |—|U 11 |в исполнительном органе появляется ток Ip, направление ко-

. .

торого зависит от того, какое из напряжений больше. При |U 1 |> |U 11 | ток Ip имеет положи-

. .

тельный знак и ИО работает, при |U 11 |> |U 1 | ток /р имеет отрицательный знак и ИО не действует.

Резисторы R1 и R2 шунтируют выпрямители и образуют контур с малым сопротивлением, по которому проходит ток Ip помимо выпрямителей, представляющих большое сопротивление для токов обратного напряжения. В рассмотренной схеме балансируются (уравно-

58

выпрямители В1 и В2 соединяются последовательно разнополярными зажимами. Исполнительный орган ИО включается к зажимам тп параллельно обоим выпрямителям. Сравнива-

через ИО навстречу друг другу. В реле ИО проходит ток Ip = | I 1 | — | I 11 | . Направление этого тока зависит от того, какое из напряжений U1 или UII больше. При равенстве U1 и UII ток Ip = 0. Таким образом, в данной схеме сравнение U1 и UII производится путем вычитания создаваемых ими токов в обмотке реле. Балластные сопротивления R1 и R2 устанавливаются для того, чтобы исполнительный орган не оказался зашунтированным сопротивлением работающего выпрямителя приемной стороны (так называется выпрямитель, имеющий меньшее напряжение). Необходимость балластных сопротивлений зависит от соотношения сопротивлений реле и выпрямителей.

Рассмотренная схема называется схемой с циркулирующими токами, поскольку в проводах, соединяющих выпрямители В1 и В2, всегда проходит (циркулирует) ток.

В с х е м е с магнитным сравнением (рис. 2-47, в) исполнительный орган выполняется с двумя обмотками Рг и Р2.

Каждая из обмоток подключается к своему выпрямителю так, чтобы токи в них имели встречное направление.

При этом условии токи Ip1 и Ip2 создают встречно-направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые и сравниваются между собой в магнитопроводе реле.

На рис. 2-47, б показана полная схема реле направления мощности на фазочувствительной схеме при сравнении напряжений U1 и UII на принципе баланса токов. Для упрощения в схеме не показаны сглаживающие устройства.

Исполнительный орган. Как уже отмечалось, исполнительный орган включается на выходные зажимы схемы сравнения и должен действовать только при положительных значениях тока или напряжения на этих зажимах. Поэтому исполнительный орган должен выполняться с помощью направленных реле постоянного тока, реагирующих на знак тока Ip.

Устройство подобного типа часто называют н у л ь - и н д и к а т о р о м , поскольку оно реагирует на отклонение от нуля выходного тока или напряжения, т. е. реагирует не на величину, а на знак входного сигнала. К рассматриваемому реагирующему (исполнительному) органу (нуль-индикатору) предъявляются четыре основных требования: высокая чувствительность, т. е. способность реагировать на знак возможно меньшего сигнала (тока или напряжения); малое потребление мощности; быстрота действия; надежность работы.

59

Вкачестве исполнительных органов (нуль-индикаторов), отвечающих предъявленным требованиям, могут использоваться:

1) высокочувствительные электромеханические реле — поля ризованные или магнитоэлектрические;

2) электромеханические реле, включаемые через полупроводниковый усилитель;

3) бесконтактные реле на полупроводниковых приборах.

Наиболее простым и довольно часто применяемым вариантом является первый: использование поляризованных или магнитоэлектрических реле.

Втех случаях, когда требуется повышенная чувствительность, применяется включение

электромеханических реле через усилитель постоянного тока. Потребление мощности при срабатывании таких усилителей составляет около 3 • 10-5 Вт.

Усилитель постоянного тока реагирует на знак входного сигнала, поэтому исполнительное реле, включаемое на его выходе, может быть ненаправленным, так как усилитель

будет подавать в него ток только при положительных значениях Uвых схемы сравнения. Поэтому имеется возможность применения обычного более грубого электромагнитного реле с более надежной контактной системой.

Еще большее повышение чувствительности при полном исключении электромеханических конструкций можно получить при применении усилителя, работающего в релейном

режиме. Мощность, необходимая для срабатывания такого реле, равна примерно 10-5 - 10-6 Вт.

В виде примера на рис. 2-49 приведена одна из наиболее простых схем усилителя, разработанная лабораторией Энергосетьпроекта, которая может применяться в качестве нульиндикатора по второму варианту.

Поскольку основным элементом усилителя являются полупроводниковые триоды (транзисторы), напомним некоторые особенности их работы [Л. 15, 16, 17, 105].

Плоскостной полупроводниковый триод (транзистор) (рис. 2-48, а) пред-

ставляет м о н о к р и с т а л л (германия или кремния), состоящий из трех слоев

с чередующейся проводимостью: р-п-р или п-р-п. В области полупроводника с проводимостью п основными (преобладающими) носителями заряда являются отрицательные электроны, а в области с проводимостью р — положительные дырки. Рассмотрим транзистор типа р-п-р. Нижняя область транзистора (рис. 2-48, а) называется э м и т т е р о м (Э), средняя

— б а з о й (Б) и верхняя — к о л л е к т о р о м (К). База по сравнению с эмиттером и коллектором имеет очень маленькую ширину слоя и значительно меньшую концентрацию носителей заряда.

Эмиттер, база и коллектор выполняют функции, аналогичные функциям катода, сетки и анода электронной лампы (рис. 2-48, а и б), при этом роль управляющей сетки лампы выполняет база транзистора.

Полупроводниковый триод состоит из двух переходов р-п и п-р: один — между эмиттером и базой, называемый эмиттерным, и второй — между базой и коллектором, называемый коллекторным.

Переход р-п работает как выпрямитель, пропускающий ток только в одном направлении при подаче на него внешнего напряжения прямой полярности, т. е. при подводе плюса к области -р. и минуса к области п. При отсутствии внешнего напряжения пере-

60