Серийные реле защиты на интегральных микросхемах - Интегральные микросхемы - техническая основа для создания аппаратуры

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ - ТЕХНИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АППАРАТУРЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Релейная защита любой электроустановки содержит три основные части: измерительную, логическую и выходную. В измерительную часть входят измерительные и пусковые органы защиты, которые воздействуют на логическую часть при отклонении электрических параметров (тока, напряжения, мощности, сопротивления) от значений, предварительно заданных для защищаемого объекта.
Логическая часть состоит из отдельных переключающих элементов и органов выдержки времени, которые при определенном действии (срабатывании) измерительных и пусковых органов в соответствии с заложенной в логическую часть программой запускают выходную часть.
Выходная часть связывает релейную защиту с цепями управления коммутационными аппаратами (выключателями) и устройствами передачи команд по каналам связи и телемеханики. Выходные органы защиты имеют на выходе переключающие элементы достаточной мощности, обеспечивающие работу цепей управления.
До последнего времени все органы релейной защиты выполнялись только с помощью электромеханических реле. Необходимые выдержки времени создавались в логической части защит такого исполнения посредством часовых механизмов, управляемых электромагнитными устройствами. Наряду с часовыми механизмами для той же цели применяют электромагнитные реле с магнитной задержкой отпадания якоря.
Для получения реле с зависимой характеристикой выдержки времени используют механические системы с приводом, действующим на индукционном принципе. Скорость движения таких механизмов зависит от значения проходящего по ним тока.
Во всех органах защиты, за исключением измерительных, чаще всего применяют электромагнитные реле клапанного типа или со втягивающимся якорем. В последнее время стали применять реле с магнито-управляемыми контактами, обеспечивающие высокое быстродействие логических операций в некоторых нуждающихся в этом защитах.
Измерительные органы должны действовать с большой точностью, потребляя при этом незначительную мощность, из-за этого они не могут быть выполнены с помощью простых электромеханических устройств. Поэтому для них были разработаны специальные высокоточные электромагнитные механизмы с легким поворотным якорем. Применяют также чувствительные индукционные механизмы с вращающимся барабанчиком. Выпускается аппаратура, содержащая различные поляризованные и магнитоэлектрические реле, для срабатывания которых требуется очень небольшая мощность.
Таким образом, в релейной защите используется весьма большое количество самых разных электромеханических устройств. Это привело к значительному усложнению производства релейной аппаратуры и ее обслуживания.
Современная энергетика развивается ускоренными темпами. Растет протяженность линий электропередачи, уровень рабочего напряжения уже превышает миллион вольт. Строятся крупные электростанции с генераторами мощностью в миллион и более киловатт. На опорных подстанциях устанавливают трансформаторы с пропускной мощностью в несколько миллионов киловольт-ампер. В огромном количестве сооружаются линии и подстанции в распределительных сетях и на промышленных предприятиях.
Все это оборудование должно быть оснащено релейной защитой с самыми различными характеристиками. Во все увеличивающихся объемах должен быть обеспечен выпуск аппаратуры для релейной защиты. Нередко новые требования к релейной защите не могут быть удовлетворены из-за несовершенства аппаратуры, содержащей электромеханические устройства. Стало очевидным, что использование электромеханических устройств в релейной аппаратуре задерживает дальнейшее развитие техники релейной защиты как в качественном, так и в количественном отношениях.
Возможный выход из создавшегося положения открылся благодаря успехам современной полупроводниковой схемотехники, а в первую очередь - созданию интегральных микросхем.
Интегральные микросхемы относятся к категории электронных устройств средней степени интеграции, реализующих одну или несколько однородных функций. В последние годы электронная промышленность начала выпускать многоцелевые, так называемые большие интегральные схемы (БИС) универсального назначения. Создаваемые на их основе микропроцессорные наборы и микроЭВМ могут быть использованы для комплексного решения задач релейной защиты и управления энергообъектами. Подобные разработки уже ведутся, и их промышленное применение ожидается в ближайшем будущем. В настоящее время отечественная промышленность выпускает релейную аппаратуру только на серийных микросхемах средней степени интеграции.
Имеется два основных вида интегральных микросхем. Один вид - это так называемые логические микросхемы. Их роль заключается в том, что они обеспечивают подобно промежуточным реле выдачу управляющих команд в логической части защиты.
Логические микросхемы действуют при поступлении на их входы определенных сочетаний из двух управляющих сигналов — один из них называется нулевым и обозначается цифрой 0, а другой — единичным и обозначается цифрой 1. Эти сигналы поступают в виде напряжений постоянного тока. Нулевой сигнал — это напряжение "низкого", или "нулевого", уровня, а единичный — это напряжение "высокого", или "единичного", уровня.
На выходе микросхемы всегда держится один из таких сигналов. В исходном состоянии в зависимости от характера выполняемой операции на выходе микросхем устанавливается либо нулевой, либо единичный сигнал. При действии микросхемы происходит замена имеющегося выходного сигнала сигналом другого уровня. Такое действие аналогично замыканию или размыканию контакта промежуточного реле при образовании цепочки на его срабатывание.
Другой вид интегральных микросхем, называемых аналоговыми или линейными, представляют собой усилительное устройство высокой чувствительности. Оно имеет обычно два отдельных входных и общий выходной зажимы.
Кроме них имеются зажимы для подачи напряжений питания, а в некоторых вариантах исполнения - также дополнительные зажимы для компенсации внутренних искажающих сигналов.
В аналоговых микросхемах производится усиление напряжения, представляющего собой разность напряжений, подаваемых на входные зажимы. Аналоговые микросхемы имеют очень большой коэффициент усиления. Выходное сопротивление таких микросхем весьма мало, и в применяемых схемах его обычно не учитывают. Практически можно считать, что сигнал на выходе аналогового усилителя отсутствует только тогда, когда оба входных тока или их разность равны нулю. При появлении входного тока благодаря тому, что коэффициент усиления операционного усилителя стремится к бесконечности, напряжение на выходе сразу же достигает максимального значения, близкого к напряжению питания. Оно оценивается как напряжение насыщения. Знак этого напряжения определяется знаком разности входных токов.
В связи с тем что аналоговые микросхемы были впервые применены для выполнения математических действий в ЭВМ, их стали называть операционными усилителями (ОУ).
В процессе внедрения операционных усилителей выяснилось, что они могут успешно применяться для создания новых измерительных приборов и различной аппаратуры промышленной автоматики. В технике применяется много разных типов ОУ, различающихся по конструкции и назначению. Благодаря своим свойствам операционные усилители оказались элементами, подходящими для осуществления любых измерительных органов релейной защиты.
Специальные помехоустойчивые логические и аналоговые микросхемы, созданные для целей промышленной автоматики, успешно ис- пользуются в настоящее время для производства самой разной релейной аппаратуры. Эта аппаратура имеет качественно лучшие характеристики и проще в обслуживании, чем многие реле защиты, выполненные на базе электромеханических устройств.
Серийная аппаратура релейной защиты, выполненная на основе интегральных микросхем, изготовляется Чебоксарским электроаппаратным заводом в двух видах.
Один вид — это аппараты, представляющие собой отдельные органы измерительной или логической частей защиты. По аналогии с электромеханическими реле за такими органами сохранено название реле защиты. В интегральном исполнении выпускаются различные реле: тока, напряжения, направления мощности, сопротивления, а также времени.
В электроустановках из таких реле монтируют измерительную часть устройств релейной защиты. Наряду с этим логическая часть подобных устройств может выполняться как на электромагнитных реле, так и на базе логических микросхем в сочетании с контактными выходными элементами.
Другим видом изделий является комплектная аппаратура, представляющая собой набор устройств релейной защиты целого присоединения, собранных в кассеты, которые монтируются на панелях или в шкафах заводского производства.
На энергетические объекты такие панели и шкафы поставляются в полностью готовом состоянии и нуждаются только в привязке ко вторичным цепям присоединений.
В настоящей книге пойдет речь только о серийных реле защиты, содержащих интегральные микросхемы. Сведения о комплектных устройствах желающие могут почерпнуть из других книг серии "Библиотека электромонтера", посвященных вопросам обслуживания панелей и шкафов релейной защиты, производимых на ЧЭАЗ.
В схемах реле защиты преимущественно используются операционные усилители. Логические микросхемы применяют главным образом для реле времени и в логической части комплектных панелей и шкафов релейной защиты.