Дифференциально-фазная защита шин с формирователями и дифференциальным токовым пусковым органом (ДФЗШФ), разработанная в Новочеркасском политехническом институте [21, 26], является трехфазным трехсистемным устройством. Отличительной особенностью защиты являются формирователи прямоугольных импульсов, обеспечивающие селективную работу защиты в условиях насыщения ТТ с полной погрешностью до 90 %. Формирование импульсов производится из вторичных токов ТТ присоединений по моментам перехода тока через уровень ί на участках достаточно точной трансформации ТТ. Выходной сигнал формирователя в широком диапазоне кратностей тока практически не зависит от погрешностей ТТ, благодаря чему защита работает с насыщенными ТТ так же, как и с ненасыщенными, т. е. практически исключено влияние насыщения ТТ на работу ДФЗШФ. В защите достигнута практическая независимость селективности действия и устойчивости функционирования от погрешностей ТТ в установившихся и переходных режимах.
Защита в основном предназначена для двойной системы СШ с одним выключателем на присоединение с нефиксированным присоединением элементов к сборным шинам, и с этой целью она снабжена комплектом реле положения шинных разъединителей. С небольшими видоизменениями она может быть применена при любых схемах РУ (с одинарной, секционированной СШ, в полуторной схеме и др.).
Структурная схема ДФЗШФ (одной фазы) приведена на рис. 5.16. В ее состав входят формирователи импульсов Ф, реле положения шинных разъединителей Р1 и Р2, блоки разделения импульсов первой БРИ1 и второй БРИ2 систем шин, реле сравнения фаз первой РСФ1 и второй РСФ2 системы шин, пусковой орган ПО, блоки выходных реле БВР1 и БВР2 и блок питания БП (на рис. 5.16 не показан).
Рис. 5.16. Структурная схема ДФЗШФ
На каждом из присоединений установлены формирователи Ф, выходы которых через контакты реле положения шинных разъединителей Р1 и Р2 подключаются к БРИ1 либо к БРИ2. Указанные блоки производят разделение выходных импульсов формирователей по полярности и подают их на одну из систем вспомогательных шинок СШВ1 и СШВ2, Таким образом, к вспомогательным шинкам СШВ1 подключаются формирователи присоединений, работающих на первую систему защищаемых шин СШ1, а к СШВ2 — работающие на СШ2.
Реле сравнения фаз РСФ1 и РСФ2 осуществляют сравнение фаз токов присоединений, подключенных к СШ1 и СШ2, т. е. они являются избирательными органами защиты.
Пусковые органы ПО включены на геометрическую сумму токов всех присоединений (исключая ШСВ) и являются общими для обеих систем шин. Для отключения поврежденной системы шин необходимо выполнение двух условий:
срабатывание одного или нескольких пусковых дифференциальных токовых органов;
срабатывание одного или нескольких избирательных органов поврежденной системы шин.
С этой целью блоки выходного реле БВР1 и БВР2 подключены к выходам логических схем совпадения И, на входы которых подаются сигналы от ПО и РСФ.
Рис. 5.17. Формирователь ДФЗШФ
Рис. 5.18. Принципиальная схема реле сравнения фаз ДФЗШФ: Т2 — выходной транзистор РСФ; Р — выходное реле РСФ
В цепях отключения каждого из выключателей также предусмотрены контакты реле положения шинных разъединителей (на рис. 5.16 не показаны), обеспечивающие селективное отключение присоединений поврежденной СШ.
Формирователи импульсов Ф предназначены для обеспечения селективности действия защиты при насыщении ТТ в установившихся и переходных режимах. Они формируют передний фронт импульсов в момент перехода тока через заданный уровень в сторону увеличения абсолютной величины сигнала. Принципиальная схема формирователя приведена на рис. 5.17.
В состав формирователя входят:
промежуточный трансформатор тока ТТП, нагруженный на резистор R1;
два стабилитрона Д1 и Д2, заряжающие конденсатор С с шунтирующим резистором R2, задающим постоянную времени разряда С при запертых стабилитронах;
параметрический стабилизатор напряжения на стабилитронах Д3 и Д4 с токоограничивающим резистором R3.
Стабилитроны Д1, Д2 и конденсатор С предназначены для растягивания импульсов на выходе формирователя до последующего момента перехода тока ТТП через заданный уровень формирования ί. Максимальная продолжительность сигнала на выходе формирователя после исчезновения тока в первичной цепи ТТП не превышает 30 мс.
Уровень формирования iф определяется резистором R1 и стабилитронами Д1 и Д2. Для регулирования ίф можно изменить число витков первичной обмотки ТТП ω1п, если в схеме защиты используются ТТ с различными номинальными вторичными токами 5 или 1 А.
Выходные стабилитроны Д3, Д4 формирователя ограничивают сигнал на входе РСФ и устраняют зависимость сравниваемых сигналов от амплитуды тока ТТ.
Анализ показывает, что при правильно выбранных параметрах формирователя погрешность формирования (разность между моментом достижения напряжения на выходе формирователя значения 0,25 Uст и моментом перехода тока в ТТ через нулевое значение) в диапазоне m от 1,35 до 100 колеблется в пределах от 40 до 20°, а при т=2 указанная погрешность не превышает 30°.
Разделение импульсов формирователя по полуволнам осуществляется при помощи диодных полумостов. Сигналы положительной полярности подаются на шинки +СШВ, а отрицательной — на шинки—СШВ. Подключение выходов формирователей к первой или второй системам вспомогательных шинок СШВ1 или СШВ2 осуществляется контактами реле положения шинных разъединителей.
Реле сравнения фаз (РСФ) реализует логическую операцию неравнозначности с дополнительным введением оператора замедления D(t). Замедление на срабатывание на время t определяет значение угла блокировки.
Принципиальная схема реле сравнения фаз приведена на рис. 5.18. Прямоугольные импульсы с выходов блоков разделения импульсов (БРИ), образующих логические схемы ИЛИ для отдельных полярностей, поступают на вход схемы вычитания импульсов на резисторах R1, R2 и выпрямительном мосте ВМ. При КЗ в зоне действия в течение времени, достаточного для срабатывания выходного реле РСФ (3 мс и более), напряжение имеется только на положительных или отрицательных вспомогательных шинках. В результате на выходе выпрямительного моста в течение заданного времени или более его существует напряжение, превышающее уровень срабатывания порогового элемента на транзисторе Т1, резисторах R3, R4, R5, R6.
Выходное напряжение ВМ переводит транзисторный ключ на транзисторе Т1 в состояние отсечки, и конденсатор С1 заряжается питающим напряжением 12 В.
Рис. 5.19. Пусковой орган ДФЗШФ
Емкость С1 включена непосредственно между коллектором и эмиттером транзистора, что обеспечивает условие быстрого ее разряда при исчезновении напряжения на входе ВМ. Использование интегрирующего звена дает возможность существенно повысить помехоустойчивость реле сравнения фаз, так как кратковременные помехи не могут создать значительного напряжения на конденсаторе С1.
При КЗ вне зоны действия одновременно имеется напряжение на положительных и на отрицательных шинках. Напряжение на выходе выпрямительного моста отсутствует. Это явление имеет место и в нормальных нагрузочных режимах.
Выходным органом реле сравнения фаз является промежуточное реле на герконах, включенное в коллекторную цепь транзистора. Управление последним производится при помощи операционного усилителя А/, производящего сравнение входной величины (напряжения на конденсаторе С1) с заданным значением.
Для защиты р — η-перехода транзистора от перенапряжений при его запирании служит диод Д2.
Пусковыми органами являются дифференциальные токовые реле, включенные в каждой фазе и обладающие малым временем срабатывания (не более 5 мс) и быстрым возвратом (не более 10 мс). Реле надежно работают при насыщении ТТ, допуская работу защиты с ε≤90%.
Принципиальная схема пускового органа приведена на рис. 5.19. Она содержит промежуточный трансформатор тока ТТП с числом первичных обмоток, равным числу присоединений к защищаемым шинам, включая ОВ (кроме ШСВ). Вторичная обмотка ТТП нагружена на резистор R1 и схему расщепления на резисторах R2 и R3 и конденсаторах С1 и С2. Указанная схема повышает быстродействие ПО и уменьшает зону вибрации контактов выходного реле Р при насыщении ТТ.
Рис. 5.20. Осциллограммы работы ДФЗШФ в переходных режимах КЗ в зоне (а) и вне зоны (б) действия:
t - ток проходящий через контакты выходного органа
Измерительным элементом пускового органа является операционный усилитель А/, производящий сравнение входной величины с заданным значением. Многофазный мост Д1—Д6, резисторы R4 и R5, конденсатор С3и стабилитрон Д7 осуществляют выпрямление, сглаживание и стабилизацию сигнала, поступающего на вход A1. Выходным органом является транзистор Т1 и промежуточное реле на герконах Р. Для защиты р — n-перехода транзистора от перенапряжений применен диод Д8.
Контакты Р включены последовательно с контактами выходных реле РСФ, и при срабатывании обоих органов питание подается на обмотки выходных реле, производящих отключение присоединений.
Некоторые результаты лабораторных испытаний образца защиты при внешних КЗ и КЗ в зоне действия приведены на рис. 5.20. Из указанных осциллограмм видно, что защита работает селективно и с высоким быстродействием при значительных погрешностях ТТ.