Дифференциально-фазная защита шин с токовым пуском разработана в Институте автоматики (г. Киев) [22, 24]. Защита выпускалась опытным заводом этого института и внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию в ряде энергосистем Советского Союза.
Выполнение, принцип действия и работа защиты.
На рис. 5.9 приведена структурная схема ДФЗШ. Комплект защиты подключается к вторичным цепям измерительных трансформаторов тока ТТ1, ТТ2, ..., ТТп непосредственно (дифференциальный контур 7) и через трансреакторы ТР1, ТР2, .... ТРп (фазный контур II).
Рис. 5.9. Структурная схема дифференциально-фазной защиты шин
Контур I является обычным дифференциальным контуром на циркуляцию токов, на от известных устройств такого рода, в связи с чем целесообразно более подробное рассмотрение схемы и работы фазной части защиты. Работа фазного органа основана на фиксации изменения формы напряжений на выходе контура II.
Рис. 5.10. Эскизы кривых напряжения на выходе фазного контура II: а — КЗ в точке К1 (в зоне действия защиты); б — КЗ в точке К2 (внешнее);
Un(In) —полуволны напряжений, пропорциональные токам в присоединениях; ∆UС — напряжение срабатывания фазного органа (ФО) защиты
Орган ФО реагирует на скважность полуволн выпрямленного напряжения, пропорционального первичным токам присоединений. На рис. 5.10 представлены упрощенные эскизы осциллограмм напряжения на входе фазного органа ФО в двух режимах: при внешнем КЗ; при КЗ в зоне действия защиты. По принципу действия фазный орган в первом случае должен не срабатывать, во втором — срабатывать.
При КЗ в зоне действия защиты (точка К1 на рис. 5.9) в выпрямленном напряжении на выходе фазного контура образуется определенная скважность и фазный орган ФО, настроенный на фиксированную величину этой скважности, срабатывая, генерирует второй разрешающий сигнал на вход схемы совпадения И, после чего срабатывает выходное реле РП, замыкая цепи отключения выключателей В1, B2, ..., Bn присоединений защищаемой системы шин. При внешнем КЗ (точка К2 на рис. 5.9) величина скважности выпрямленного напряжения оказывается недостаточной для запуска ФО, который блокирует возможное неправильное действие от дифференциальной токовой части схемы.
Принципиальная схема ДФЗШ для двойной системы шин с обходной, с ШСВ и ОВ при фиксированном распределении элементов приведена на рис. 5.11.
Защита содержит:
три пуско-избирательных органа, два из которых (ПИO1, ПИО2) являются избирательными, а третий (ПО) —пусковым;
сигнальный орган (СО) для контроля исправности вторичных цепей от трансформаторов тока; с помощью СО осуществляется подача напряжения питания в устройство защиты при КЗ, а также сигнализация и вывод защиты из действия при повреждениях в контролируемых токовых цепях;
датчики — трансреакторы ТР1—ТР9 в цепях тока всех присоединений, ШСВ и ОВ;
логическую часть защиты (рис. 5.12), обеспечивающую ускоренное отключение ШСВ и ОВ при опробовании поврежденных шин, запуск устройства резервирования УРОВ и сигнализацию.
Что касается схемы цепей постоянного тока рассматриваемой защиты, то она в общем аналогична применяемым в схемах дифференциальных токовых защит шин с фиксированным распределением элементов. Выбор поврежденной системы шин при ненарушенной фиксации осуществляется пуско-избирательными органами. При наличии внешних связей между системами шин (например, параллельных линий), для случая работы с отключенным ШСВ контакты выходного реле общего пускового органа должны быть зашунтированы переключателем П. В этом случае комплект защиты представляет, в сущности, две самостоятельные защиты шин соответствующих систем.
При работе в режиме с нарушенной фиксацией распределения элементов необходимо переключателем П зашунтировать (положение II) контакты выходных реле пуско-избирательных органов ПИО1 — ПИО2, при этом защита будет отключать обе системы шин при повреждении на одной из них. Цепи ШСВ охватываются фазными контурами избирательных органов, но отделяются разделительными диодами Д1—Д12 от фазных контуров пускового органа ПО.
В комплекте защиты содержатся необходимые электромеханические реле, с помощью которых осуществляются вывод защиты шин при нарушениях в цепях переменного тока, ускорение отключения ШСВ и ОВ при опробовании поврежденных шин, запуск УРОВ, сигнализация.
При обрывах токовых цепей от ТТ присоединений защищаемых систем шин замыкаются выходные контакты СО.1 и включается обмотка электромеханического реле времени РВ с временем срабатывания 10—20 с. После срабатывания РВ защита автоматически выводится из действия размыкающими контактами промежуточного реле РП1, которое запускается замыкающими контактами реле времени РВ.
Рис. 5.11. Однолинейная принципиальная схема дифференциальнофиксированном распределении элементов при наличии обходной системы шин, фазной защиты с токовым пуском для двойной системы шин при
Второй замыкающий контакт сигнального органа СО используется для подачи оперативного постоянного тока на схему защиты только на время КЗ на шинах или некоторых внешних КЗ. Кнопка Кн1 предназначена для деблокировки цепи самоудерживания реле РП1.
При опробовании одной из систем шин подачей напряжения через ОВ или ШСВ схема защиты переводится в положение «нефиксированное распределение элементов» (положение II переключателя П). После этого вручную замыкают контакты ключа управления КУ1 (КУ2), далее срабатывают РПВ1 (РПВ2), контакты которых запускают реле РПЗ. Последнее размыкает цепи группы отключающих реле РО1, РО2 выключателей СШ1 и СШ2.
При КЗ на опробуемой системе шин срабатывает пусковой орган защиты и запускается реле РП2, замыкающие контакты РП2.1, РП2.2 которого замыкают цепи отключения ОВ и ШСВ. После определенной выдержки времени контакты реле РПВ1 (РПВ2) замыкаются и схема защиты переходит в исходное состояние. Таким образом предотвращается полное отключение (погашение) защищаемых систем шин при опробовании одной из систем с КЗ.
Особенностью работы защиты шин является то, что в нормальном режиме оперативный постоянный ток на полупроводниковую часть схемы не подается. Подача оперативного тока осуществляется высокочувствительным сигнальным органом СО, который запускается при всех видах повреждений. Такое построение схемы существенно повышает аппаратурную надежность полупроводниковой защиты шин, так как в этом случае увеличивается вероятность безотказной работы схемы по внезапным отказам за счет уменьшения времени нахождения элементов защиты под напряжением. Это время практически не превышает нескольких десятков секунд за год эксплуатации. Безотказная работа схемы в этом случае будет определяться факторами старения элементов.
Принцип действия пуско-избирательных органов ДФЗШ основан на одновременном сравнении токов и фаз (направления) этих токов в присоединениях защищаемой системы шин. Пуско-избирательные устройства содержат дифференциальные и фазные органы, выполненные пофазно, с реагирующими органами в виде чувствительных полупроводниковых нуль-индикаторов. Дифференциальный орган запускает защиту при появлении тока небаланса в дифференциальном контуре, превышающем ток уставки.
Рис. 5.12. Упрощенная схема цепей оперативного постоянного тока и цепей сигнализации
Фазный орган не блокирует защиту при КЗ в зоне и блокирует ее при сквозных КЗ, когда возможна ложная работа дифференциального токового органа от тока небаланса, обусловленного погрешностями ТТ присоединений.
Выполнение и работа пуско-избирательного органа.
Принципиальная схема пуско-избирательного органа ДФЗШ приведена на рис. 5.13. Первичная обмотка трансреактора Тр1 включена в дифференциальный контур I на циркуляцию токов. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансреактора дифференциального органа, пропорциональное току дифференциальной цепи, подается на делитель R1—R2. Регулировка уставки срабатывания органа осуществляется на стороне переменного напряжения при помощи резистора R2.
Дифференциальный токовый вход схемы выполнен на известном принципе сравнения двух напряжений, одно из которых—Uс,3 пропорционально току в дифференциальном контуре, другое — постоянно по своей величине.
Рис. 5.13. Принципиальная схема пускового и пуско-избирательного органов защиты шин:
R1, R3, R4, R6—R12, R14—R24— резисторы; R2, R5, R13—переменные резисторы; C1—С7 — конденсаторы; Д1—Д18, Д23, Д24 — диоды; Д19—Д22 — стабилитроны
Постоянное опорное напряжение снимается со стабилитрона Д21. При получении напряжения Uс,з, пропорционального току, используется схема «расщепления» однофазного напряжения от вторичной обмотки трансреактора Тр1 в трехфазное с последующим выпрямлением. Применение такой схемы позволяет получить требуемое высокое быстродействие токовой части схемы защиты.
Сигналы от фазного контура II поступают на вход транзистора Т1. Регулировка чувствительности фазного органа осуществляется резистором R5. В исходном состоянии транзистор Т1 фазной части схемы открыт по цепи R8—Д8. При КЗ вне зоны действия защиты напряжение на резисторе R6 имеет вид, близкий к виду, приведенному на рис. 5.10,6. При этом на минусовый вывод диода Д8 непрерывно поступают положительные импульсы, запирающие его.
При КЗ в зоне действия защиты в импульсах, как было показано выше (см. рис. 5.10,а), появляется определенная скважность. В результате этого диод Д8, а следовательно, и транзистор Т1 кратковременно закрываются на время подачи положительных импульсов. Таким образом, при подаче управляющего сигнала на вход происходит закрытие транзистора Т1 и разряд предварительно заряженного конденсатора С4 на резистор R10. В паузах между управляющими импульсами (т. е. при открытом состоянии транзистора Т1) происходит заряд конденсатора С4 по цепи: плюс источника питания, переход эмиттер-коллектор транзистора Т1, резистор R12, минус источника питания. Для того чтобы фазный вход транзистора Т2 закрывался только на время пауз между управляющими импульсами, подаваемыми на вход транзистора Т1, параметры резисторов зарядно-разрядного контура R12—С4—R10 выбираются таким образом, чтобы заряд конденсатора С4 происходил с временем t≈10 мс, а разряд—с tρ≈0,5:1 мс. При этом условии закрытое состояние фазного входа на транзисторе Т2 однозначно определяется скважностью управляющих импульсов на выходе фазного контура II.
Нуль-индикатор, собранный на транзисторах Т2, Т3, Т4, Т5, реализует время-импульсную фазочувствительную схему [24]. Входной транзистор Т2 фазочувствительной части схемы открыт по двум цепям R11—Д12 и КД2—Д11 (схема И), Диод Д11 под действием поступающего положительного сигнала с выхода фазного контура II закрывается при КЗ в зоне действия защиты либо при сквозном КЗ, если ток небаланса, вызываемый погрешностями трансформаторов тока, превышает ток уставки защиты.
Работа фазочувствительной части схемы пуско-избирательного органа заключается в преобразовании прямоугольных импульсов, закрывающих транзистор Т2 и поступающих с фазного органа, в пилообразные импульсы, формируемые интегрирующим звеном С5 — (R14+R13). Заряд конденсатора С5 происходит в момент, когда закрыт транзистор Т2, и напряжение на нем определяется длительностью закрывающих импульсов, пропорциональных паузам между управляющими импульсами фазного контура II. Путем сравнения с опорным стабилизированным напряжением U посредством усилительной части фазочувствительной схемы фиксируется длительность этих пауз. При помощи временного резистора R13 можно изменять параметры интегрирующей цепи и тем самым настраивать фазочувствительную схему на срабатывание в пределах любой требуемой скважности между управляющими импульсами фазного органа, т. е. устанавливать нужную ширину зоны действия ДФЗШ. Фазная характеристика защиты приведена на рис. 5.14.
Выполнение и работа сигнального органа.
Принципиальная схема сигнального органа рассматриваемой защиты шин приведена на рис. 5.15. Орган представляет собой трехфазное реле тока (РТТ) высокой чувствительности и термической устойчивости. Реле реагирует а наибольший фазный ток контролируемой цепи.
Рис. 5.14. Совмещенные характеристики пускового органа защиты шин:
1 — теоретическая характеристика срабатывания фазной части органа; 2 -экспериментальная характеристика срабатывания фазной части органа; 3 — характеристика срабатывания токовой части органа
Основу реле составляет узел выбора максимального тока, выполненный на быстро насыщающихся тороидальных трансформаторах тока Тр1—Тр3. Первичные обмотки этих трансформаторов включаются на фазные токи контролируемых цепей.
Рис. 5.15. Принципиальная схема сигнального органа защиты шин
Вторичные обмотки II со средними выводами через выпрямительные диоды Д1—Д6 соединены между собой последовательно. При таком соединении влияние токов в двух фазах на ток срабатывания реле от одной фазы незначительно. Эта часть схемы представляет собой простейший избиратель наибольшего тока — максиселектор тока.
Регулировка уставок срабатывания реле РТТ производится путем изменения величины резисторов R2, R3, R4. Резистором R2 осуществляется плавная подстройка минимального тока срабатывания реле. Стабилитрон Д7 и терморезистор R5 образуют термокомпенсированную цепь, которая обеспечивает точность работы реле при изменении температуры окружающей среды. Фильтр-пробка на частоту 100 Гц для сглаживания пульсаций в выпрямленном токе выполнен на дросселе Др и конденсаторе С2, исполнительный орган реле — на транзисторах Т1 к Т2. При малом уровне входного сигнала стабилитрон Д7 заперт, транзистор Т1 закрыт, Т2 открыт. В этом случае через резистор R7 и переход эмиттер-коллектор Т2 проходит основной ток схемы. Когда входной сигнал достигнет уровня срабатывания, ток в цепи стабилитрона Д7 и терморезистора R5 создает потенциал на базе транзистора Т1, достаточный для его открывания. При этом транзистор Т2 закрывается и весь ток переключается на обмотку реле СО. Коэффициент возврата схемы — более 0,9; уставка по току срабатывания— 0,1; 0,15; 0,2 и 0,3 А; длительно допустимый ток через реле — 10 А.
Опытный завод Института автоматики (г. Киев) освоил выпуск реле РТТ для использования его в качестве сигнальных органов дифференциальных токовых защит шин, а также в других устройствах защиты и противоаварийной автоматики.