1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО РЕЛЕ
Реле частоты РЧ применяют в устройствах релейной защиты и автоматики для фиксации понижения (РЧ-1) или повышения (РЧ-2) частоты переменного тока. Частота является одним из важнейших показателей качества электроэнергии. Снижение частоты происходит при возникновении дефицита активной мощности, когда мощность нагрузки оказывается больше мощности генераторов. Как правило, такое положение возникает при отделении части энергосистемы или одной электростанции от общей сети. Чтобы в этих условиях предотвратить дальнейшее глубокое снижение частоты, необходимо срочно ликвидировать дефицит активной мощности. Это обеспечивается, с одной стороны, отключением части нагрузки, с другой стороны, повышением до максимально возможной мощности работающих генераторов и включением в сеть резервных. Все эти операции нужно делать как можно быстрее. Поэтому они выполняются автоматически. Отключение нагрузки осуществляется автоматической частотной разгрузкой (АЧР). Включение и загрузка резервных генераторов (обычно это гидрогенераторы, которые могут набрать полную мощность в течение нескольких минут) производятся устройством частотного пуска, повышение мощности работающих генераторов обеспечивается регуляторами турбин и котлов. Реле РЧ-1 являются основными элементами АЧР, устройств частотного пуска и используются для некоторого изменения настройки регуляторов турбин и котлов. Кроме того, реле РЧ используются для пуска автоматического повторного включения (АПВ) присоединений, отключенных АЧР, после восстановления частоты.
Повышение частоты происходит при возникновении избытка активной мощности, что также может быть при отделении части энергосистемы от общей сети. Повышение
частоты опасно, так как значительно утяжеляет режим работы турбо- и гидрогенераторов и препятствует восстановлению параллельной работы отделившегося участка с сетью Для быстрого снижения частоты применяют различные автоматические устройства, основным элементом которых является реле РЧ-2.
Рис. 1. Векторные диаграммы токов и напряжений в последовательной цепи.
а — схема последовательной цепи; б—г — векторные диаграммы при частоте питающего напряжения выше (6), равной (в) и ниже (е) резонансной частоты цепи.
ной цепи.
а — схема последовательной цепи; б—г — векторные диаграммы при частоте питающего напряжения выше (6), равной (в) и ниже (е) резонансной частоты цепи.
ее снижении. Емкостное сопротивление, наоборот, - уменьшается при повышении частоты и увеличивается при ее снижении. Если при последовательном соединении емкости и индуктивности их сопротивления равны, то результирующее сопротивление цепи чисто активное и ток в ней совпадает по фазе с приложенным напряжением. Такое явление называется резонансом напряжений, а частота, при которой он возникает, называется резонансной. Если увеличить частоту приложенного напряжения (не изменяя параметры элементов цепи), то из-за увеличения индуктивного сопротивления и уменьшения емкостного общее сопротивление цепи станет активно-индуктивным. Ток в такой цепи отстает от приложенного
Принцип действия реле РЧ основан на измерении фазы тока относительно питающего напряжения в цепи с последовательно соединенными индуктивностью и емкостью. Известно, что индуктивное сопротивление увеличивается при повышении частоты и уменьшается при
напряжения. При уменьшении частоты общее сопротивление цепи станет активно-емкостным и ток в ней будет опережать приложенное напряжение. Сказанное иллюстрирует рис. 1, где показаны векторные диаграммы токов и напряжений для последовательной цепи при разной частоте питающего напряжения.
На векторных диаграммах показаны напряжения па индуктивности UL, на конденсаторе Uc , на резисторе Un, ток по цепи I и питающее напряжение Un.
Резонансная частота зависит от параметров цепи. Если увеличить индуктивность в цепи, то резонансная частота снизится.
.
Рис. 2 Структурная схема реле РЧ-1.
Подробно рассмотрим устройство и работу реле РЧ-1, а в заключение — особенности выполнения реле РЧ-2.
В реле РЧ-1 есть последовательная цепь из дросселя и конденсатора, называемая измерительной. Изменение фазы тока в этой цепи относительно приложенного напряжения фиксируется фазочувствителыюй схемой. Схема дает разрешение ira срабатывание реле, если ток в измерительной цепи совпадает с приложенным напряжением или опережает его. Таким образом, при снижении частоты в сети срабатывание реле происходит при частоте, равной резонансной частоте измерительной цепи; при дальнейшем снижении частоты реле остается в сработанном состоянии.
На рис. 2 изображена структурная схема реле. Оно состоит из входного трансформатора Т, фильтра низших частот Ф, двух измерительных цепей Иср,Ив, полупроводниковой схемы (обведена пунктиром), блока
питания БП и исполнительного органа МО. Полупроводниковая схема состоит из двух формирователей импульсов Ф1 и Ф2, фазочувствительного элемента ФЭ и усилителя У. Принципиальная схема реле с обозначением всех элементов показана на рис. 3.
Входной трансформатор Т предназначен для отделения цепей переменного напряжения от цепей оперативного напряжения. На первичную обмотку трансформатора Т подают напряжение, частоту которого необходимо измерять. Обычно эту обмотку подключают к одному из трансформаторов напряжения. Напряжение со вторичной обмотки через фильтр Ф (рис. 2) подают на измерительные цепи и на делитель, состоящий из резисторов R4 и R5 (рис. 3). С резистора R5 снимается так называемое опорное напряжение U0, которое совпадает по фазе с напряжением на входе измерительных цепей Uвх- Кроме того, напряжение со вторичной обмотки трансформатора Т используется для формирования напряжения смещения (на конденсаторе Ct), назначение которого будет объяснено ниже.
Фильтр Ф состоит из дросселя ЗДр и конденсатора 1С и предназначен для подавления высших гармоник, которые могут быть в кривой напряжения сети на входе реле. Б реле две измерительные цепи. Одна из них (#сР) состоит из дросселя 1Др, конденсаторов 4С, 5С и резистора R3. Вторая измерительная цепь состоит из дроселя 2Др, конденсаторов 2С, ЗС и резистора R2. Для ее подключения следует замкнуть выводы 5 и 6 реле. Если подключены обе измерительные цепи, то фазочувствительная схема дает разрешающий сигнал, когда хотя бы в одной из них ток совпадает с приложенным напряжением. Следовательно, реле будет срабатывать при более высокой из частот, настроенных на измерительных цепях. Коэффициент возврата реле очень высокий, реле отпадает практически при той же частоте, что и срабатывает.
Вторая измерительная цепь используется обычно для настройки реле на определенную частоту возврата, значительно отличающуюся от частоты срабатывания (например, для пуска АПВ после АЧР). При этом на первой, постоянно подключенной измерительной цепи, настраивают нужную частоту срабатывания, а на второй, нормально отключенной, — нужную частоту возврата. Вторую цепь подключают тогда, когда реле (или все устройство) сработает. Таким образом, реле срабатывает при частоте, настроенной на первой измерительной цепи (вторая не подключена), а возвращается при частоте, настроенной на второй измерительной цепи. В соответствии с этим первую цепь называют цепью срабатывания, а вторую — возврата.
Рис. 3. Принципиальная схема реле РЧ-1.
Вторую измерительную цепь можно также использовать в тех случаях, когда требуются разные уставки срабатывания одного и того же устройства (в зависимости от схемы сети или объекта, времени года и т. п.). На пей и в этом случае следует настраивать более высокую уставку.
Как было отмечено выше, реле срабатывает при частоте сети, равной резонансной частоте измерительной цепи. Изменение резонансной частоты и, следовательно, частоты срабатывания (уставки) в реле РЧ осуществляется изменением индуктивности дросселя. Для перестройки уставок в условиях эксплуатации предназначены отпайки на обмотке дросселя и дополнительная секция обмотки, зашунтированная переменным резистором (1R или 2R). Увеличением числа включенных витков уменьшают частоту срабатывания.
Переход на соседнюю отпайку изменяет частоту срабатывания на 1 Гц. Плавное изменение уставки достигается изменением сопротивления переменного резистора 1R или 2R, шунтирующего дополнительную секцию обмотки дросселя. Для регулировки реле на заводе-изготовителе (главным образом для подгонки шкалы) предназначен магнитный шунт, с помощью которого можно изменять воздушный зазор в магнитопроводе дросселя, т. е. индуктивность всего дросселя в целом. Эта регулировка позволяет компенсировать отклонения емкости конденсаторов от номинальной, отклонения характеристики намагничивания железа дросселя от расчетной, такие технологические погрешности, как изменения сечения или других размеров магнитопровода дросселя, числа витков его обмотки и др.
Напряжение выхода измерительной цепи Uf снимается с резистора R3 (R2) измерительной цепи. Это напряжение совпадает по фазе с током в измерительной цепи и изменяет свой угол относительно опорного напряжения 00 при изменении частоты на входе реле (частоты сети). Если частота сети равна частоте срабатывания, то U0 и Uf совпадают по фазе (рис. 4). Напряжение
выхода измерительной цепи возврата всегда опережают напряжение выхода цепи срабатывания, так как цепь возврата всегда настраивают на частоту выше, чем частота срабатывания.
Напряжения U0 и Uf поступают на формирователи импульсов Ф1 и Ф2 (рис. 2) и преобразуются в прямоугольные импульсы. Эти импульсы подаются на фазочувствительный элемент ФЭ, выходной транзистор которого (Т4 на рис. 3) кратковременно открывается 1 раз в период, если частота сети выше уставки, и остается длительно закрытым при частоте сети, равной уставке или ниже ее. К выходу фазочувствительного элемента подключен двухкаскадный усилитель. Первый каскад состоит из транзисторов Т5 и Т6, второй каскад— из 77 и Т8. В состав усилителя входит также элемент выдержки времени. Усилитель срабатывает только при длительно закрытом выходном транзисторе Т4 фазочувствительного элемента, т. е. при частоте сети, равной или ниже уставки. Срабатывание усилителя приводит к открытию транзистора Т9, входящего в состав исполнительного органа. Когда транзистор Т9 открывается, по обмотке выходного реле РЛ проходит ток, оно срабатывает. Работа полупроводниковой схемы реле подробно описана в § 3.
Для функционирования полупроводниковой схемы и выходного промежуточного реле необходимо оперативное напряжение В реле РЧ-1 приняты такие уровни напряжений: + 6, —12 и —22 В (последнее используется только для выходного реле). Напряжения отчитываются от общей шинки, условно принятой за нулевую. Для получения указанных напряжений предназначен блок питания, основу которого составляют два стабилитрона Ст1 и Ст2 (рис. 3). С одного (Ст2) снимается напряжение +6 В, с другого {Ст1) —22 В. С помощью гасительных резисторов R33 и R34 получают напряжение —12 В.
Рис. 4. Фазные соотношения между опорным напряжением UD и напряжением выхода измерительной цепи Uf при частоте сети выше частоты срабатывания (а), равной частоте срабатывания (б), ниже частоты срабатывания (в).
На стабилитроны напряжение подают через другие гасительные резисторы 3R—6R и выводы 9—12 реле РЧ-I. Если реле используется на 220 В постоянного тока, то используют все гасительные резисторы 3R—6R, перемычка устанавливается между выводами 9 и 10. При питании от сети постоянного тока 110 В используют только резисторы 5R и 6R, перемычку ставят между выводами 10 и 11. При использовании переменного оперативного напряжения применяют вспомогательное устройство ВУ-3, выводы 1 и 3 (см рис. 5) которого подключают соответственно к выводам 1 и 3 реле РЧ-I. В этом случае резисторы 3R—6R не используют, перемычки устанавливают между выводами 10, 11 и 12 реле РЧ-1.
До 1979 г. выпускались реле, у которых было два гасительных резистора 3R и 4R, а вместо выводов 9—12 использовалась колодка с тремя гнездами для винта (на рис 3 не показана).
При использовании реле с постоянным оперативным напряжением 220 В винт следует установить в положение 1 (резисторы 3R и 4R включены последовательно), 110 В—в положение 2 (включен только резистор 4R). При применении переменного оперативного напряжения (с устройством ВУ-3) винт устанавливают е положение 3 (резисторы 3R и 4R не используются). Цифры 1—3 выбиты у соответствующих гнезд колодки.
Дроссель 4Др и конденсаторы С5 и С6 (большой емкости — по 100 мкФ) образуют Г-образный фильтр для подавления переменной составляющей в оперативном напряжении Прежде всего это важно при питании от переменного оперативного тока Кроме того, конденсаторы С5 и С6 обеспечивают плавное увеличение (снижение) напряжения на полупроводниковой схеме реле при подаче (снятии) оперативного напряжения, что исключает кратковременные срабатывания выходного реле.
Вспомогательное устройство ВУ-3 (рис. 5) представляет собой феррорезонансный стабилизатор напряжения с выпрямительным мостом. Оно состоит из входного трансформатора Т, дросселя Др, конденсатора С1 и выпрямителя В. Первичная обмотка трансформатора Т имеет отпайки для подключения переменного напряжения 100, 127 и 220 В. Параметры дросселя Др и конденсатора С1 подбирают так, чтобы индуктивное сопротивление дросселя было равно сопротивлению конденсатора при напряжении на первичной обмотке трансформатора
Т, равном (0,35—0,4) Е/В«ш, и частоте 47,5 Гц для работы с реле РЧ-1 и 52,5 Гц —с РЧ-2. Сопротивление последовательной цепи Др—С1 при этом минимально. При увеличении питающего напряжения дроссель насыщается, условия резонанса нарушаются, сопротивление цепи Др-С1 увеличивается. В результате обеспечивается значительно меньшее изменение выходного напряжения по сравнению с входным. Устройство ВУ-3 предназначено только для совместного использования с реле серии РЧ.
Для проверки работоспособности реле предусмотрена кнопка К (рис. 3), шунтирующая основную часть обмотки дросселя измерительной цепи срабатывания. При нажатии кнопки К сопротивление этой цепи становится активно-емкостным, ток в цепи опережает напряжение входа. Это соответствует снижению частоты в сети, и реле должно сработать, независимо от действительной частоты сети.
Все элементы реле размещены на корпусе, откидной плате и съемной плате, имеющей печатный монтаж. Регулировочные элементы размещены на лицевой панели. Реле закрывается кожухом, передняя стенка которого прозрачная. Откидная плата связана с корпусом жгутом гибких проводов, а съемная с откидной — разъемом с 16 гнездами. Связь реле с внешними цепями осуществляется через два четырехместных ряда выводов, позволяющих выполнять переднее и заднее присоединения. Кроме того, еще один ряд выводов (9—12) предназначен для осуществления переключения реле с 220 на 110 В напряжения постоянного оперативного тока и переключения для использования переменного оперативного тока (с помощью устройства ВУ-3) путем установки перемычек.
Рис. 5, Принципиальная схема вспомогательного устройства ВУ-3.
Обозначение элементов схемы выполнено по-разному в зависимости от их местонахождения. Элементы, размещенные на съемкой плате, обозначены сначала буквой, а затем цифрой (например, R2, С5 и т. д.). Элементы, размещенные на корпусе и откидной плате, обозначены сначала цифрой, а затем буквой или одной
Рис. 6. Расположение элементов па корпусе реле для выпуска после 1979 г. (а) и до 1979 г. (б).
буксой (например, 2R, 5С, Т). Это облегчает нахождение элементов непосредственно на реле.
На корпусе размещены (рис. 6,о) входной трансформатор Т, дроссель ЗДр и конденсатор 1С фильтра высших гармоник, конденсатор 7С элемента выдержки времени, выходное реле РП и три ряда выводов. На наружной (задней) стенке корпуса размещены резисторы 3R — 6R (на рис. 6 не показаны). Они подключены к выводам 9—12, внутри реле на эти выводы устанавливают перемычки. На откидной плате (рис. 7,а) расположены дроссели 1Др, 2Др и конденсаторы 2С—5С измерительных цепей срабатывания и возврата, конденсаторы 6С и 8С элемента выдержки времени и основание штепсельного разъема Р.
Рис. 7. Расположение элементов на откидной плате (показано при снятой лицевой панели) для реле выпуска после 1979 г. (а) и до 1979 г. (б).
На задней стенке откидной платы помещен дроссель 4Др блока питания (на рис. 7 не показан). Кроме того, на откидной плате закреплена лицевая панель реле частоты. На рис. 7 она показана пунктирной линией. Доступ к магнитным шунтам дросселей 1Др и 2Др возможен без снятия лицевой панели.
На лицевой панели (рис. 8) размещены гнезда, к которым подсоединены отводы обмоток дросселей 1Др и 2Др, обеспечивающие ступенчатое изменение частоты срабатывания и возврата реле с обозначениями уставок, резисторы плавной регулировки уставок с шкалами от 0 до 10 (каждое деление примерно соответствует 0,1 Гц), перемычки для изменения уставки по времени срабатывания реле и кнопка К для проверки работоспособности реле. Все элементы снабжены поясняющими надписями, показано положение перемычек, соответствующее той или иной уставке по времени срабатывания.
Рис 8. Лицевая панель реле.
Зажимы для установки перемычек, определяющих время срабатывания, соответствуют слева направо точкам 31—34 принципиальной схемы реле (рис. 3). На рис. 3 перемычки показаны в положении для уставки 0,5 с. Остальные элементы реле (диоды, транзисторы и маломощные резисторы) смонтированы на съемной плате с печатным монтажом. Около каждого элемента нанесена маркировка, соответствующая обозначению элемента на схеме реле, приведенном в заводской технической информации, и на рис. 3 данной брошюры. Штепсельный разъем, связывающий съемную плату с откидной, имеет два ряда гнезд (на части, связанной с откидной платой) и штырьков (на части, связанной с съемной платой). Эти ряды обозначены буквами а и б, гнезда (штырьки) в ряду —цифрами от 1 до 8. Обозначения нанесены непосредственно на разъеме. Таким образом, каждая пара гнездо—штырек обозначается одной цифрой и одной буквой (например, 7а, lb). Если на схеме около изображения разъема стоит двойное обозначение (например, 6а, 6Ь), это указывает на то, что шестые гнезда (штырьки) рядов а и б соединены, т. е. данная цепь проходит через две пары гнездо— штырек.
До 1979 г. выпускались реле РЧ-1 с несколько отличающимся от описанного расположением элементов. Это расположение показано на рис. 6,6 и 7,6.
