2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ПАНЕЛЕЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ТИПА ПЗ-5 (ПЭ2105)
Панели содержат комплект реле сопротивления первой ступени защиты AKZ1, комплект реле сопротивления второй ступени защиты AKZ2, устройство блокировки защиты при качаниях АКВ1, устройство блокировки защиты при неисправности цепей напряжения АКВ2, трехфазное реле тока КА1, а также реле времени, промежуточные и указательные реле, испытательные блоки и другую аппаратуру. Элементы устанавливают на стандартной панели размером 800 х 2400 * 550.
Дистанционный орган первой ступени AKZ1 защиты выполнен на основе комплекта реле сопротивления типа КРС-2. Это устройство содержит три направленных реле сопротивления KZ1, KZ2 и KZ3. каждое Из которых включено на соответствующие сочетания электрических величин для измерения сопротивления междуфазной петли КЗ. Кроме того, в комплект AKZ1 входят промежуточные и указательные реле, искрогасительные и другие элементы. Полная схема цепей переменного тока и напряжения комплекта AKZ1 приведены на рис. 7, а. Промежуточные реле и другие элементы комплекта AKZ1 в схеме панели ПЗ-5 используются в несколько измененном виде, как это показано на схеме рис. 7, б.
Рис. 7. Принципиальная схема комплекта реле сопротивления AKZ1 типа КРС-2:
а - цепи переменного тока и напряжения; б - цепи постоянного тока; в - цепи реле сопротивления
Направленные реле сопротивления выполнены на основе сравнения абсолютных величин. Реагирующим органом схемы сравнения является магнитоэлектрическое реле с мощностью срабатывания примерно 2 • ИГ7 Вт при токе срабатывания не более 10 мкА. Схема сравнения содержит два выпрямительных моста, включенных на баланс напряжений. К одному мосту подводится напряжение, пропорциональное току в защищаемом элементе. Выпрямленное напряжение с выхода моста создает в реагирующем органе вращающий момент в сторону срабатывания реле, поэтому этот контур реле называется рабочим. Можно записать, что £р = К другому выпрямительному мосту подводится тормозное напряжение, действие которого противоположно, а численное значение равно Ет = kuU - При |£х| < |£р| выпрямительный мост, тормозного контура закрыт противодействующим напряжением, создаваемым на выходе выпрямительного моста рабочего контура, по реагирующему органу протекает ток в направлении его срабатывания. При достижении им значения тока срабатывания реагирующий орган срабатывает. Принимая приближенно ток срабатывания реагирующего органа равным нулю, уравнение срабатывания реле сопротивления можно записать в виде
(1)
где U, / — напряжение и ток, подводимые к измерительным входам реле сопротивления; ки — коэффициент трансформации промежуточного трансформатора напряжения на входе соответствующей измерительной цепи реле; к,- — коэффициент, численно равный ЭДС на вторичной обмотке трансреактора на входе токовой измерительной цепи реле при токе 1 А в его первичных обмотках (при согласном последовательном их включении).
Разделив обе части уравнения (1) на кц/, получим следующее условие срабатывания реле:
(2)
В комплексной плоскости сопротивлений это уравнение соответствует окружности, проходящей через начало координат и имеющей диаметр,
равный вектору
Такая характеристика срабатывания реле не обеспечивает четкой его направленности. Начало координат, в котором установлена рассматриваемая защита, находится на граничной линии характеристики срабатывания. При КЗ в этой точке поведение реле неопределенно. Для исключения возможных при этом нежелательных срабатываний реле при КЗ "за спиной" конструкция реле выполнена так, что действительная характеристическая окружность реле имеет смещение в I квадрант комплексной плоскости на 1-2% ее диаметра.
Рис. 8. Упрощенная схема реле КРС-2
Создаваемая при этом "мертвая зона" при двухфазных КЗ в начале защищаемого присоединения устраняется введением в рабочий и тормозной контуры напряжения подпитки. Напряжение подпитки Еп образуется от напряжения неповрежденной фазы при помощи трансреактора таким образом, что его фаза совпадает с фазой напряжения kjL. Полное уравнение срабатывания реле при этом принимает вид
(3)
Упрощенная принципиальная схема реле сопротивления комплекта AKZ1 приведена на рис. 8. При малых значениях Еи по сравнению с kuU характеристика реле в комплексной плоскости практически не искажается, так как одинаковые электрические величины вводятся в обе половины уравнения. При близких КЗ, когда значение kuU близко к нулю, уравнение срабатывания реле может быть записано в виде
(40
Это уравнение соответствует характеристике срабатывания реле направления мощности, а так как Ев и kuU совпадают по фазе, то линия максимальных моментов такого реле направления мощности совпадает с углом максимальной чувствительности реле сопротивления.
При трехфазном КЗ в начале защищаемого участка устранение "мертвой зоны" реле обеспечивается особой конструкции контура напряжения подпитки. Этот контур, содержащий (см. рис. 7, в) индуктивность первичной обмотки трансформатора TV1 и емкость конденсатора С4, настраивается на 50 Гц, так что при трехфазном КЗ вблизи места установки защиты напряжение /?„ снижается постепенно в течение нескольких периодов, обеспечивая четкую работу реле сопротивления "по памяти". Контур "памяти" позволяет осуществить надежное действие защиты только в защитах без выдержки времени. Кроме того, контур "памяти"не исключает отказ реле сопротивления при включении защищаемого присоединения на трехфазную закоротку и питании цепей напряжения защиты от трансформатора напряжения, установленного на данном присоединении. Для устранения отмеченных недостатков в реле сопротивления комплекта AKZ1 предусмотрено использование смещения характеристики срабатывания в III квадрант комплексной плоскости сопротивлений. Смещение осуществляется введением в рабочий контур схемы сравнения дополнительной ЭДС, пропорциональной подводимому току, а также включением в тормозной контур дополнительного резистора R19.
При эксплуатации магнитоэлектрических реле были выявлены серьезные недостатки: возможность застревания подвижной части из-за появления коррозии внутри кожуха реле, случаи повреждения изоляции. Коммутационная способность контактов магнитоэлектрических реле мала. Невозможен восстановительный ремонт этих реле. По этим причинам был разработан полупроводниковый нуль-индикатор, исполнительным реле которого является достаточно мощное электромагнитное реле. Нуль-индикатор содержит усилитель, обладающий релейным эффектом. Усилитель выполнен на основе двух микроэлектронных схем. Нагрузкой усилителя является выходной блок. Усилитель и выходной блок нуль- индикатора получают питание от специального блока питания. Устройство и принцип работы полупроводникового нуль-индикатора более подробно описаны в [5].
В реле КРС-2 предусмотрено ступенчатое изменение уставок смещения характеристики срабатывания в III квадрант. Уставки смещения имеют значения 0,06; 0,12; 0,2 в долях сопротивления срабатывания при отсутствии смещения.
Возможно выполнение смещения и больше 20%. Для этого необходимо увеличить до нужных пределов сопротивление R19. Однако следует иметь в виду, что увеличение смещения сопровождается увеличением тока точной работы реле. В комплекте AKZ1 можно выполнить смещение 0,5 при помощи исключения из тормозного контура напряжения компенсации, пропорционального подводимому к реле току. Получающаяся при этом характеристика срабатывания реле, а также примерная зависимость сопротивления срабатывания от тока в реле Zc> р = /(/р) приведены на рис. 9, б. При введении смещения в III квадрант напряжение подпитки £п из схемы реле исключается.
Для улучшения отстройки реле сопротивления от режима нагрузки в реле сопротивления комплекта AKZ1 предусмотрена возможность выполнения эллиптической характеристики срабатывания.
Рис. 9. Характеристики срабатывания реле КРС-2:
а - окружность со смешением в I квадрант; б - окружность с 50%-ным смещением в III квадрант (с центром в начале координат); в — окружность и эллипс без смещения; г - окружность и эллипс со смещением в III квадрант
Для этой цели используется торможение реагирующего органа схемы сравнения напряжением переменной составляющей 100 Гц, образующейся после Двухполупериодного выпрямления и имеющей наибольшее значение в направлении; отличающемся на ±90° от линии максимальной чувствительности. Характеристика срабатывания реле при этом оказывается близкой к эллипсу. Отличие полученной характеристики от окружности измеряется отношением малой оси эллипса к его большой оси. В реле AKZ1 предусмотрено ступенчатое изменение этого отношения. Соответствующие уставки отношения осей эллипса имеют следующие значения: 0,5; 0,65; 0,8. Возможно использование эллиптической характеристики со смещением ее в III квадрант. При этом уставки смещения будут 0,055; 0,11; 0,18.
Возможный ход характеристик срабатывания реле сопротивления AKZ1 приведен на рис. 9, в и г.
Сопротивление срабатывания реле сопротивления может быть отрегулировано плавно в пределах от 5 до 100 Ом на фазу (от 1 до 20 Ом на фазу)* . Регулировка осуществляется изменением числа витков на вторичной обмотке промежуточного трансформатора TV и изменением положения потенциометра,/? 13 (см. рис. 7, в).
*В скобках приведены данные для пятиамперного устройства.
Высший предел сопротивления срабатывания реле может быть увеличен путем уменьшения доли напряжения, снимаемого с потенциометра R13. Однако при этом возрастает ток точной работы реле сопротивления. Поэтому при использовании указанного способа необходимо строго контролировать получающуюся величину действительного тока точной работы. Как показал опыт эксплуатации, при такой регулировке вполне допустимым оказывается использование реле сопротивления AKZ1 при уставке 150-175 Ом на фазу (30-35 Ом на фазу) для характеристики реле в виде окружности.
Комплектное устройство AKZ1 кроме трех описанных реле сопротивления содержит промежуточные реле KLJ, KL2 и KL3 (см. рис. 7,6), выполненные на базе реле серии РП-220. Эти промежуточные реле являются повторителями магнитоэлектрических реле. Напряжение на контактах магнитоэлектрических реле не должно превышать 125 В, поэтому в комплект встроен стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитронах VD1, VD2, VD3 и балластном резисторе R20. Для увеличения быстродействия промежуточных реле-повторителей применена форсировка их в момент срабатывания при помощи конденсаторов С5, Сб и С7, шунтирующих соответственно резисторы R21, R22 и R23 в первый момент после подачи питания к обмоткам реле KL1. KL2 и KL3. В цепях промежуточных реле-повторителей установлены перемычки, позволяющие использовать каждое реле в отдельности или все одновременно.
В комплекте AKZ 1 установлено также указательное реле КН типа РУ-21.
Дистанционный орган второй ступени AKZ2 защиты выполнен на основе комплекта реле сопротивления типа КРС-3. Это устройство, так же как и описанное выше устройство AKZ 1 типа КРС-2, содержит три направленных реле полного сопротивления KZ1, KZ2, KZ3, каждое из которых включено на линейное напряжение и разность фазных токов. Предусмотрена возможность включения реле на фазные напряжения. Кроме трех реле сопротивления комплект AKZ2 содержит промежуточное реле, сигнальную лампу, искрогасительные и другие элементы. Полная схема цепей переменного и постоянного тока комплекта AKZ2 приведена на рис. 10.
В основу направленного реле сопротивления положена схема сравнения абсолютных значений двух электрических величин. Реагирующим органом схемы сравнения является также высокочувствительное магнитоэлектрическое реле.
Рис. 10 (а, б)
Рис. 10. Принципиальная схема реле AKZ2 типа КРС-3:
а - цепи переменного тока и напряжения; б - цепи постоянного тока; в - цепи реле сопротивления
Рис. 11. Упрощенная схема реле КРС-3
Схема сравнения содержит два выпрямительных моста, включенных на циркуляцию токов. Упрощенная принципиальная схема реле приведена на рис. II.
К одному выпрямительному мосту (VSJ) подключено напряжение, пропорциональное току в измеряемой цепи и создающее в реагирующем органе ток, направленный в сторону срабатывания реле. Этот контур реле является рабочим, а напряжение, действующее в этом контуре, Ц> ~ KrL Ко второму выпрямительному мосту (VS2) подводится напряжение Ет = kuU - kih являющееся тормозным, так как создает в реагирующем органе ток, противоположный рабочему.
Уравнение срабатывания реле может быть записано в виде
(5)
где {/,_/_— напряжение и ток, подводимые к измерительным входам реле; ки — коэффициент трансформации промежуточного трансформатора напряжения TV реле; kt — коэффициент, численно равный ЭДС на включенной в рабочий контур вторичной обмотке трансреактора TAV2 при токе через последовательно соединенные первичные обмотки 1 А; Е.2 ,т- коэффициент, численно равный сумме ЭДС вторичной обмотки трансреактора ТА V2, включенной в тормозной контур, и вторичной обмотки трансреактора ТА VI при подведении к последовательно соединенным первичным обмоткам трансреактора тока 1 А.
Разделив обе части уравнения (5) на ки1, получим
(6)
Если обеспечить условие кг = kt = kj, то на комплексной плоскости сопротивлений уравнению (6) соответствует окружность, проходящая
Рис. 12. Характеристики срабатывания реле КРС-3
через начало координат, диаметром которой является вектор 2 к,/ки. Если кг к\, уравнению (6) будет соответствовать окружность при к2< ki, охватывающая начало координат, а при к2 > — смещенная вдоль линии максимальной чувствительности в I квадрант комплексной плоскости сопротивлений. В реле AKZ2 значение смещения регулируется изменением абсолютного значения коэффициента кг. Характеристики срабатывания реле при отсутствии и наличии смещения приведены на рис. 12.
Трехфазное реле тока КА1 типа РТ-40/Р (рис. 13) предназначено для предотвращения ложного срабатывания защиты, в которой в качестве исполнительных органов реле сопротивления применены магнитоэлектрические реле. Контакты магнитоэлектрических реле могут оказаться замкнутыми при отсутствии тормозного электрического момента. Тормозной электрический момент создается напряжением, подводимым к реле сопротивления. Цепи напряжения защиты могут быть подключены к ТН, подключенному к обмотке низшего напряжения защищаемого трансформатора. В этом случае при включении трансформатора под напряжение защита могла бы помешать включить исправный трансформатор, так как цепь на отключение от замкнутых контактов магнитоэлектрических реле может образоваться раньше, чем к реле сопротивления будет подведено тормозное напряжение. Измерительный ТН защиты может быть подключен также и со стороны высшего или среднего напряжения силового трансформатора. Возможно снятие напряжения и с шинного ТН, питающего защиту. Неправильное действие защиты при этом могло бы, например, заблокировать успешное АПВ шин.
В связи с указанным в схему защиты введено трехфазное реле тока, контакты которого контролируют пусковую цепь защиты и в случае отсутствия тока по цепи защищаемого трансформатора не позволяют образоваться ложной цепочке отключения.
Ток срабатывания трехфазного реле тока при разработке конструкции панели выбран меньше тока точной работы реле сопротивления второй ступени защиты, что обеспечивает надежное действие защиты при КЗ в пределах защищаемой зоны. В особых случаях возможно новышение чувствительности реле тока включением его на разность фазных токов.
Рис. 13. Принципиальная схема трехфазного реле тока КА1 типа РТ-40/Р
При этом две его обмотки, имеющие одинаковое число витков, соединяются последовательно (согласно) и включаются в цепь тока одной фазы, а третья обмотка включается на ток другой фазы. При КЗ на этих фазах намагничивающая сила обмоток складывается, что приводит к увеличению чувствительности реле. Конструкция трехфазного реле тока типа РТ-40/Р рассмотрена в [5].
