У реле защиты, содержащих операционные усилители, имеется ряд узлов, которыми не располагают электромеханические реле.
Обобщенная структурная схема реле защиты, в котором применены ОУ, показана на рис. 18. У таких реле имеется пять основных узлов: узел измерения (УИ), содержащий измерительные преобразователи или датчики тока и напряжения, подаваемых на реле от измерительных трансформаторов тока и напряжения защищаемого объекта;
Рис. 18. Структурная схема статического реле защиты:
УП - узел питания; УИ - узел измерения; УФ - узел формирования; УС - Узел сравнения (ПЧ - преобразующая часть, СС - схема сравнения, ИЧ - исполнительная часть) ; УВ - узел выхода
узел формирования (УФ), в котором получают из поступающих входных сигналов специально сформированные напряжения переменного или выпрямленного тока, требуемые для реализации характеристики реле после их сопоставления в узле сравнения;
узел сравнения (УС), служащий для дальнейшего преобразования сравниваемых напряжений в форму, удобную для сравнения, собственно сравнения и получения на выходе узла управляющего сигнала, когда результат сравнения свидетельствует о соответствии поданных на реле токов и напряжений условиям его срабатывания;
узел выхода (УВ) обеспечивает действие содержащегося в нем электромеханического реле при поступлении управляющего сигнала из узла сравнения;
узел питания (УП) предназначен для получения от источника оперативного тока защищаемого объекта стабилизированных напряжений постоянного тока, требующихся для работы интегральных микросхем и исполнительного выходного реле. Для каждого типа реле указывается, к какому источнику оперативного тока оно должно подключаться.
Содержащиеся в УИ измерительные преобразователи (датчики)представляют собой промежуточные трансформаторы или трансреакторы, предназначенные для отделения полупроводниковой части реле от вторичных цепей защищаемого объекта. Одновременно эти преобразователи служат для трансформации токов и напряжений. Уровень трансформированных сигналов выбирается по условиям управления операционными усилителями.
Число датчиков определяется схемой реле. В токовых реле применяют один или несколько датчиков тока, а в реле напряжения — соответствующее число датчиков напряжения.
В реле сопротивления и в реле направления мощности устанавливают как датчики тока, так и датчики напряжения.
Остановимся более подробно на исполнении узлов формирования и узлов сравнения, в которых наиболее широко применяются ОУ. В УФ производится обработка сигналов, поступающих из датчиков тока и напряжения. Объем такой обработки зависит от типа реле и может сильно различаться. В одних — зто только выпрямление, в других — усиление и сдвиг по фазе, в третьих — дифференцирование поступающих сигналов, а в четвертых, наиболее сложных — это создание нескольких сравниваемых напряжений, полученных путем суммирования и сдвига по фазе трансформированных сигналов, пропорциональных поданным на вход реле токам и напряжениям. Кроме того, в узле формирования производится при необходимости подавление или выделение отдельных гармоник в сформированных сигналах. Для этой цели используют преимущественно различные фильтры низших и высших частот. Подробно работа применяемых фильтров приведена ниже в данном параграфе при описании отдельных узлов реле.
Узел сравнения может быть представлен состоящим из трех частей. В преобразующей части узла сравнения осуществляется превращение поступающих из узла формирования синусоидальных или выпрямленных сигналов в импульсы определенной формы, наиболее удобной для выполнения операции сравнения. Чаще всего используются импульсы прямоугольной формы заданной длительности. Предварительно на этой стадии при необходимости проверяется, что поступающие сигналы превышают заданные схемой узла минимальные уровни. В ряде типов реле в этой части УС производится сопоставление полученных импульсов между собой или с заранее подготовленным сигналом установленного уровня или продолжительности. В качестве сигнала заданного уровня чаще всего используется напряжение постоянного тока стабильного значения, названное опорным £/оп.
Другой составной частью узла сравнения является схема сравнения СС, в которой сравниваемые импульсы сопоставляются между собой не только по значению, но и по длительности их возникновения. Эти операции могут производиться раздельно в разных звеньях схемы сравнения. Применяется несколько вариантов схем сравнения сигналов по продолжительности, в том числе такие, где сравниваемый сигнал предварительно проходит операцию интегрирования. Различие в вариантах схем сравнения сигналов по длительности обусловливается задачей получения требуемой характеристики реле. Как будет показано ниже, задача сравнения сигналов по значению может осуществляться в преобразующей части узла.
Схемы сравнения, в которых происходит сравнение входных сигналов с опорным напряжением, применяются в основном в реле тока и в реле напряжения общего назначения.
В конце узла сравнения имеется исполнительная часть ИЧ, в которой создается командный сигнал, если результат сравнения показывает, что параметры токов и напряжений, поступающих в реле, соответствуют условиям его срабатывания. Обычно она представляет собой усилитель с положительной обратной связью, обеспечивающей "релейный" эффект при действии реле. Так как вариант применяемой схемы узла сравнения зависит от типа реле, конкретное применение той или иной схемы узла сравнения рассматривается в § 5 при описании схем отдельных реле.
Измерительные преобразователи тока и напряжения, называемые сокращенно датчиками, являются основной частью узла измерения. Наряду с основными функциями в них решается задача — защитить полупроводниковую часть реле от высокочастотных наводок, могущих проникать в цепи вторичной коммутации. Для защиты служит специальный экран, помещаемый между первичной и вторичной обмотками входного трансформатора датчика. Экран представляет собой однослойную обмотку, соединенную с нулевой шинкой реле.
Рис. 19. Датчики тока и напряжения:
а — датчик тока с выпрямителем; 6 - датчик тока со ступенчатой регулировкой выходного сигнала; в - датчик тока с делителем выходного сигнала; г - датчик тока с трансреактором и выпрямителем; д — датчик напряжения с фаэоповоротной схемой; е - датчик напряжения со ступенчатой и плавной регулировкой выходного напряжения
Нагрузкой измерительных преобразователей служит соответственно подобранные резисторы. Падение напряжения, снимаемое с резистора, используется в качестве управляющего для узла формирования. Примеры исполнения датчиков тока показаны на рис. 19.
В простейшем случае в качестве нагрузки датчика тока используют резистор, включенный через двухполупериодный выпрямитель (рис. 19, я).
Для сложных реле применяют датчики тока с несколькими ступенями регулировки с помощью резисторов, подсоединяемых через переключатели (рис. 19, б) ко вторичной обмотке датчика. Выходное напряжение такого датчики снимается с делителя напряжения на резисторах. Средняя точка делителя связана с нулевой шинкой, что позволяет получать напряжения разного знака относительно нуля реле. Еще один вариант датчика тока, обеспечивающий возможность регулировки снимаемого с него напряжения с помощью отпаек, показан на рис. 19, в.
Схема датчика тока для реле дифференциальной защиты трансформаторов и двигателей, в котором применен трансреактор, показана на рис. 19, г. Выходное напряжение трансреактора пропорционально первой производной входного тока. За счет этого обеспечивается исключение медленно затухающей апериодической слагающей и усиление составляющих высших гармоник в получаемом выходном напряжении. Конденсатор С1 поставлен для подавления помех, имеющих частоту 500 Гц и выше.
В составе датчика напряжения имеется промежуточный трансформатор, ко вторичной обмотке которого подсоединяется схема преобразования входного напряжения, требующаяся для данного исполнения реле. В серийных реле напряжения применяется датчик, подобный показанному на рис. 19, а, но только с одной первичной обмоткой, последовательно с которой включается добавочное сопротивление. У сложных реле во вторичную цепь датчика напряжения при необходимости может включаться фазоповоротная схема (рис. \9,д) .
Там, где требуется осуществить регулировку выходного напряжения датчика в широких пределах, вторичная обмотка промежуточного трансформатора выполняется с отпайками и соответствующим переключателем для грубого подбора ступеней регулировки. Кроме того, для плавного изменения напряжения на выходе датчика ставится делитель напряжения на резисторах. Один из резисторов снабжается движком для точной установки требуемого напряжения (рис. 19, е).
Наряду с рассмотренным выше активным ПФ в узлах формирования защиты применяют активные полосовые фильтры-сумматоры, имеющие в цепи обратной связи двойной Т-мост, показанный на рис. 16. Принципиальная схема такого фильтра-сумматора изображена на рис. 20, а, а его амплитудно-частотная характеристика — на рис. 20, б.
На инвертирующий вход ОУ фильтра-сумматора через соответствующие сопротивления подаются складываемые напряжения. Благодаря наличию в цепи ООС двойного Т-моста коэффициент усиления схемы зависит от частоты. Наибольшего значения он достигает при частоте настройки, равной промышленной. Этим обеспечивается отстройка реле от влияния высших гармоник. Кроме того, собственные переходные процессы в фильтре проходят с частотой, равной рабочей, чем гарантируется требуемое быстродействие реле. Применяются такие фильтры- сумматоры главным образом в реле сопротивления. Для ограничения
Рис. 20. Схема с применением двойного Т-моста:
а — фильтр-сумматор; б - амплитудно-частотная характеристика фильтра- сумматора; в — запирающий фильтр
выходного сигнала в цепь ООС параллельно Т-мосту подключают резистор или специальный контур. На рабочей частоте полное сопротивление контура tf4C4 равно сопротивлению Т-моста. Этим обеспечивается неизменный сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями сумматора при любых значениях входного сигнала.
Между входами ОУ устанавливают диоды, включенные резнополяр- но. Их назначение — ограничить уровень подаваемого входного напряжения после насыщения ОУ.
Если подключить Т-мост ко входу ОУ, как показано на рис. 20, в, то получим фильтр-пробку, работа которого понятна из рисунка.
Узлы формирования. Передача вторичного напряжения измерительного датчика непосредственно в схему сравнения применяется крайне редко.
Для получения нужной характеристики реле чаще всего бывает необходимым осуществить преобразование этого напряжения. Способ и объем такого преобразования определяются конкретным типом реле.
Рассмотрим, как осуществляются отдельные звенья узлов формирования. Какие из этих звеньев используются в том или ином типе реле, читатель узнает из § 5.
Выпрямители. Одним из наиболее распространенных способов формирования сигналов в серийных реле тока и напряжения является выпрямление. В большинстве случаев применяют схему двухполупериодного выпрямления, собранную на диодах. Изредка используют двухполупериодные выпрямители, выполненные на операционных усилителях. Описание схемы такого выпрямителя приведено в § 3 к рис. 10, а.
Масштабные усилители находят широкое применение в узлах формирования, когда нельзя ограничиться простым выпрямлением. Чаще всего используют схему усилителя-ограничителя, показанную на рис. 8, а. Во многих случаях такие усилители-ограничители выполняются со ступенчатым регулированием коэффициента усиления. Для этого резистор R1 (см. рис. 8, а) заменяют цепочкой из нескольких резисторов, шунтируемых с помощью кнопочных переключателей. Применяют также подключение параллельно резистору обратной связи R2 одного или нескольких равных ему резисторов, осуществляемое переключателем или пайкой.
В тех случаях, когда сравниваемое напряжение образуется из суммы Напряжений, создаваемых разными датчиками, в узлах формирования обычно используют сумматор, подобный показанному на рис. 8, б, при этом, если нужно обеспечить дополнительный сдвиг слагаемых напряжений или токов между собой, каждый из сигналов подается на вход сумматора через индивидуально подобранное комплексное сопротивление.
Когда требуется, чтобы полученное сравниваемое напряжение не содержало высших гармоник, вместо сумматора по рис. 8, б берут фильтр-сумматор, описание которого дано выше (см. рис. 20, с) .
Активные полосовые фильтры находят применение в узлах формирования, когда требуется исключить из подаваемых в узел сравнения напряжений апериодические слагающие и составляющие высших гармоник. Хорошо зарекомендовали себя схемы полосовых (селективных) фильтров второго порядка с многопетлевой обратной связью (см. рис. 14, б).
Для фильтрации высших гармоник применяют аналогичные фильтры нижних частот (см. рис. 14, а).
Фильтры симметричных составляющих. Для осуществления реле защиты, реагирующих на симметричные составляющие токов и напряжений, применяют как традиционные пассивные фильтры симметричных составляющих, не содержащие операционных усилителей, гак и активные фильтры, представляющие собой специальные схемы, собранные на операционных усилителях. Последние имеют определенные преимущества перед пассивными. Главное из них — это сравнительно меньшие потребление и размеры.
Ниже рассматриваются две схемы активных фильтров обратной последовательности, применяемых в узлах формирования реле, реагирующих на токи обратной последовательности. На рис. 21, а изображена схема ФТОП, выполненная на ОУ, которая используется в реле тока обратной последовательности типов РТФ8 и РТФ9. В ней имеются два датчика тока ТЛ1 и ТА2, к первичным обмоткам одного из них подводится ток фазы А и ток нулевого провода, к другому — ток фазы С и тоже ток в нулевом проводе. Число витков обмотки, обтекаемой током нулевого провода, в 3 раза меньше числа витков обмотки, обтекаемой фазным током. Благодаря такому соотношению витков обеспечивается компенсация токов нулевой последовательности на входе фильтра.
Если подвести к фильтру симметричную систему токов обратной последовательности, то диаграмма токов в фильтре примет вид, показанный на рис. 21, в, при этом модуль выходного тока фильтра будет превышать фазный ток в 1,5 раза. Фактически этот ток будет несколько отличаться от этого значения из-за того, что сопротивление резистора R3 не равно нулю.
Одним из недостатков рассмотренного фильтра является заметное увеличение погрешности при отклонении частоты сети от номинального значения. Как показывает анализ, при изменении частоты на 1 % несбалансированный ток фильтра в симметричном режиме может увеличиться на 0,3-0,5 %.
Рис. 21. Активный фильтр тока обратной последовательности:
а - схема; б - векторная диаграмма при подаче токов прямой последовательности; в - векторная диаграмма при подаче токов обратной последовательности
На рис. 22, а приведена схема ФТОП, в котором осуществляется компенсация погрешности при небольших отклонениях частоты от номинальной. На инвертирующем входе ОУ обеспечивается суммирование токов, создаваемых напряжениями, полученными с нагрузочных сопротивлений датчиков тока. Общая точка нагрузочных сопротивлений R2 и R3 датчика тока ТА2 связана с нулевой точкой схемы. Поэтому падения напряжения на них имеют противоположные знаки.
Рис. 22. Активный ФТОП с компенсацией погрешности от изменения частоты;
а — принципиальная схема; б — векторная диаграмма при подаче токов прямой последовательности
Узлы сравнения, используемые в серийных реле защиты, имеют несколько вариантов исполнения. Одним из них является узел сравнения, применяемый в большинстве серийных реле тока и напряжения, реагирующих на полные значения измеряемых электрических величин. Этот узел работает на времяимпульсном принципе (рис. 23, а). Для срабатывания таких реле требуется, чтобы, во-первых, входной сигнал превысил некоторое заданное значение, и, во-вторых, обеспечивалось бы определенное соотношение между временем превышения заданного уровня и временем, когда входной сигнал ниже уровня срабатывания. Эти условия обеспечивают хорошую отстройку реле от помех, возникающих в сети питания реле оперативным током, а также из-за наведенных напряжений от смежных цепей.
В соответствии с принципом работы в схеме рис. 23, а содержится два индикатора уровня. Один из них входит в состав преобразующей части узла и представляет собой компаратор, собранный на операционном усилителе А1. На неинвертирующий вход А1 через делитель на резисторах R2 и R3 — R13 подается от источника оперативного тока положительное опорное напряжение Uonl, значение которого определяется заданной уставкой реле. На инвертирующий вход А1 подается выпрямленное напряжение, пропорциональное току, поступающему от соответствующего датчика через диодный мост. Если значение поступающего выпрямленного напряжения меньше опорного напряжения, на выходе А1 будет иметься напряжение положительного знака максимального значения, равное примерно 13 В. На временной диаграмме (рис. 23, б), характеризующей работу узла при различных значениях входного сигнала, это соответствует первому полупериоду изменения входного сигнала. Имеющееся на выходе А1 положительное напряжение заряжает конденсатор С1 через резистор R3, так как диод VD2 закрыт. Максимум напряжения на конденсаторе ограничивается напряжением стабилизации VD3, которое равно примерно 9 В. Полученное напряжение подается на другой индикатор уровня, собранный на операционном усилителе А2. Он представляет собой инвертирующий триггер Шмитта, подобный изображенному на рис. 9, г.
Положительное напряжение, поступающее с конденсатора С1 на инвертирующий вход А2, создает на выходе ОУ напряжение отрицательно знака, достигающее минус 13 В.
Рис. 23. Узел сравнения реле тока и напряжения широкого применения: а - принципиальная схема; 6 — временные диаграммы работы узла
Как показывает анализ, должна составлять примерно 1,6 мс. За это время входное напряжение изменяется практически не более чем на 3 %. Зато благодаря такому свойству работа реле мало зависит от формы кривой поступающего входного сигнала. Поэтому токовые реле такого исполнения надежно работают при значительных погрешностях трансформаторов тока, которые могут достигать 50 % и более.
В реле тока и напряжения, реагирующих на составляющие обратной и нулевой последовательности, часто применяют узел сравнения, изображенный на рис. 24, а. Внешне он похож на предыдущий, но действует по-другому.
Рис. 24. Узел сравнения реле симметричных составляющих тока или напряжения:
а ~ принципиальная схема; б - временное диаграммы работы узла
Реле, срабатывающие от симметричных составляющих, подвержены искажающему влиянию высших гармоник, содержащихся в измеряемых величинах. Для подавления гармоник в узлах формирования используют фильтры нижних частот. Из-за этого приходится отказываться от выпрямления входного напряжения, и сигнал на выходе узла формирования имеет синусоидальную форму. Вызываемое этим увеличение времени срабатывания реле несущественно, так как такие реле обычно работают в схемах защит с выдержкой времени.
Преобразующей частью узла сравнения служит однопороговый компаратор, который одновременно обеспечивает заданную уставку реле. Набор уставок осуществляется таким же способом, как и в описанном выше варианте.
На рис. 24, б показана временная диаграмма рассматриваемого узла сравнения. В нормальном режиме, когда входной сигнал практически отсутствует, на неинвертирующий вход компаратора А1 поступает положительное опорное напряжение. На выходе А1 держится максимальное напряжение положительного знака. Диод VD4 открыт, и конденсатор С1 заряжен до значения прямого падения напряжения на диоде VD4. Это напряжение поступает на инвертирующий вход компаратора А2, охваченного положительной обратной связью. На выходе А2 получается отрицательное напряжение, близкое по значению к напряжению питания минус 15 В. Напряжение на неинвертирующем входе А2 является узловым напряжением общей точки резисторов R13tRl5, подключенных к источникам питания ±15 В, и резистора R16, установленного в цепи положительной обратной связи. Направление и значение тока, протекающего через резистор R16, определяются выходным напряжением А2. В нормальном режиме это напряжение имеет отрицательное значение порядка 10 В. Когда значение положительной полуволны входного синусоидального напряжения, приходящего на инвертирующий вход А1, станет больше опорного, выходное напряжение А1 изменит свой знак. На выходе А1 возникнет импульс отрицательного напряжения. Этим импульсом закрывается диод VD4 и открывается диод VD3. Емкость С1 начинает перезаряжаться. Если время превышения входного напряжения над опорным мало, то отрицательный импульс окажется узким и напряжение на емкости С1 не успеет достичь значения, достаточного для действия компаратора А2. Такой процесс отражает первый период на временной диаграмме рис. 24, б.
Когда положительная полуволна входного сигнала достигает уставки срабатывания, как это видно на последующих периодах (рис. 24, б), ширина отрицательного импульса становится достаточной, чтобы отрицательное напряжение на емкости С1 стало ниже, чем опорное напряжение срабатывания компаратора А2. Знак выходного напряжения А2 Делается положительным, что обеспечивает работу узла выхода реле. При положительном напряжении на выходе А2 изменяется направление тока через резистор R16, при этом потенциал инвертирующего входа А2 повышается примерно на 6 В, но знак его остается отрицательным. Этот потенциал является опорным напряжением возврата компаратора А2. Поэтому, несмотря на то что через некоторое время выходное напряжение изменяет свой знак и конденсатор С1 начинает разряжаться, сброса компаратора не происходит. Напряжение на емкости С1 не успевает изменяться настолько, чтобы сравняться с опорным напряжением возврата компаратора А2.
Другой вариант схемы узла сравнения, применяемый в реле, реагирующих на составляющие токов нулевой, или обратной последовательности, показан на рис. 25, а. На этой же схеме изображен выходной узел реле, состоящий из транзистора VT1 и реле К1.
Рассматриваемый узел сравнения является более быстродействующим, чем показанный на рис. 24.
Действие схемы рис. 25, а основано, как и у ранее рассмотренных схем, на сравнении длительности превышения поступающих на ее вход сигналов заданного порогового напряжения с длительностью промежутка, когда входной сигнал меньше порогового. Напряжение переменного тока, приходящее из узла формирования, поступает в схему через резистор R1. Он подсоединен к инвертирующему входу операционного усилителя А1, на котором собрана схема двухпорогового компаратора, подобного описанному в § 3 рис. 9, е. Этот двухпороговый компаратор является преобразующей частью узла и одновременно служит в качестве порогового элемента. При отсутствии входного сигнала через резисторы R2 и R3 и диоды моста VS1 проходит ток от источника питания ± 15 В. Все диоды моста открыты, и напряжение на выходе А1 равно нулю. При появлении на входе А1 напряжения переменного тока, мгновенные значения которого выше порогового напряжения, заданного для данного компаратора, на выходе А1 появляются прямоугольные импульсы тока, знаки которых противоположны знаку входного напряжения. Ширина импульсов пропорциональна времени превышения мгновенными значениями входного напряжения значения порогового напряжения. Сравнения этого времени и длительности пауз между импульсами производятся в следующем звене, собранном на операционном усилителе А2.
Это звено представляет собой компаратор, на входе которого установлена времяимпульсная переключающая цепочка, с помощью которой производится сравнение длительностей импульсов и пауз, поступающих из двухпорогового компаратора. Когда такие импульсы отсутствуют, все диоды моста VS2 открыты, токи от источника питания проходят по резисторам R7 и R8. Конденсатор CJ заряжен до напряжения, равного прямому падению напряжения на диодах моста. Плюс этого напряжения связан с инвертирующим входом А2. На выходе А2 имеется максимальное отрицательное напряжение. Транзистор VT1 выходного узла закрыт, и реле находится в несработанном состоянии.
Рис. 25. Узел сравнения быстродействующего реле тока:
а — принципиальная схема; б - временное диаграммы работы узла
Для обеспечения "релейного" действия узла сравнения в схеме осуществлена положительная обратная связь между двухпороговым компаратором и выходным узлом через резисторы R4 и R5, при этом R4 >
> R2 и R5 > R3. Для уяснения их влияния рассмотрим показанные на рис. 25, б диаграммы работы узла сравнения при различных значениях входного напряжения.
Рис. 26. Узел сравнения статического реле сопротивления:
с — принципиальная схема; б — диаграмма работы ФИН; в — диаграммы работы узла сравнения при разных углах сдвига между входными напряжениями
Поэтому появление одного из сравниваемых напряжений не вызывает изменения состояния А1 и на выходе будет сохраняться напряжение, близкое к минус 13 В. В интервале времени tx ~t2 имеются участки отрицательных полуволн сравниваемых напряжений е2 ~е4, противоположных по знаку напряжению. Напряжение е4 является отрицательным во всем этом интервале. Под его воздействием возрастает ток через диод VD8, а диод VD7 запирается. При некотором значении тока, создаваемого е4, откроется диод VD10. Одновременно в интервале ti —t2 остается открытым диод VD9 благодаря положительному значению напряжения ех. В результате оба диода VD9 и VD10 оказываются открытыми на этом интервале. Это приводит к изменению знака выходного напряжения А1, и оно становится положительным, сохраняя максимальное значение. Начиная с момента t2 значения всех сравниваемых напряжений опять становятся положительными. Из-за этого ток через R2 снижается до начального значения, и знак падения напряжения на этом резисторе меняется. Диод VD10 запирается, восстанавливается более высокий положительный потенциал на неинвертирующем входе А1. На выходе А1 снова появляется импульс отрицательного напряжения максимального уровня, удерживающийся до момента времени Г3. В интервале Г3 ~f4 знаки мгновенных значений сравниваемых напряжений ех — е4 становятся различными. Поэтому выходное напряжение А1 меняет знак на положительный.
Рассматривая далее диаграмму работы ФИН, можно убедиться в том, что когда знаки мгновенных значений сравниваемых напряжений различны, на выходе А1 будет поддерживаться напряжение положительного знака. Когда знаки этих напряжений одинаковы или этих напряжений нет вообще, то на выходе А1 будем иметь напряжение отрицательного знака.
Встречаются схемы ФИН, в которых операционный усилитель А1 включен иначе, чем на схеме 26,а. Его неинвертирующий вход подсоединен к точке соединения резисторов R2 и R4, а инвертирующий — к точке соединения R1 и R3. В этом случае импульсы выходного напряжения А1 будут отрицательными при несовпадении мгновенных значений сравниваемых напряжений и положительными при их совпадении.
Выходные сигналы А1 передаются в схему сравнения, в которой производится сопоставление времени несовпадения знаков сравниваемых напряжений с временем их совпадения или измерение времени несовпадения. Как будет показано в § 5, требуемое соотношение этих времен регламентируется видом характеристики реле. В общем случае эти времена соответствуют фазовым сдвигам между сравниваемыми напряжениями. Так, например, если возьмем два сравниваемых напряжения, то при сдвиге векторов этих напряжений на 90° время несовпадения сравниваемых напряжений будет равно длительности одной четверти периода, что соответствует при номинальной частоте 50 Гц 5 мс. При сдвиге векторов этих напряжений на 120° время несовпадения будет равно 1/3 периода, или 6,67 мс, а при сдвиге на 180 — целому полупериоду, или 10 мс. Таким образом, в последнем случае получаем непрерывный выходной сигнал.
Изображенная на рис. 26, а схема сравнения (СС) реализует сопоставление длительности импульсов совпадения и несовпадения, поступающих из ФИН. Схема состоит из интегратора на операционном усилителе А2 и переключающего диодного моста VS1, с помощью которого производится подключение к цепи интегрирования разных сопротивлений для положительных и отрицательных импульсов, приходящих из ФИН. Принцип работы интегратора аналогичен описанному в § 3 (см. Рис. 11).
Для положительных сигналов цепь интегрирования образуется через диод VD14 и резистор R7t а для отрицательных — через диод VDJ2 и резистор R6. Стабилитрон VD11 обеспечивает одинаковые уровни напряжений, Поступающих на интегратор, независимо от знака и разницы в значении поступающих импульсов. Диод VDJ3 предотвращает возникновение положительных напряжений на выходе А2. Логический элемент D1 подключен по питанию к нулевой шинке и шинке минус 15 В. Для него сигнал нулевой шинки является единичным, а минус 15 В — нулевым.
В целом работу узла сравнения иллюстрирует диаграмма рис. 26, в. До подачи сравниваемых напряжений на входы ФИН на его выходе держится постоянно отрицательное напряжение, близкое к напряжению питания. Это напряжение поступает на интегратор по цепи выход A J ~ диод 2 моста VSJ — стабилитрон VDJJ — диод 3 моста VS1 — нулевая шинка. Диод VDJ2 открыт, и на инвертирующий вход А2 приходит напряжение отрицательного знака. Однако зарядить емкость С1 этим напряжением не удается, так как диод VD13 откроется появившимся выходным напряжением А2 и зашунтирует конденсатор С1. На вход инвертора D1 (ИЧ) поступит единичный сигнал, и на его выходе появится нулевой сигнал, равный примерно минус 13 В.
Допустим, что для рассматриваемого узла сравнения задан определенный угол срабатывания аср, соответствующий такому сдвигу между сравниваемыми напряжениями, при котором емкость CJ, зарядившаяся в начале периода на участке несовпадения, полностью разряжается к моменту завершения первого полупериода.
Когда на вход узла подаются оба сравниваемых напряжения, сдвинутых между собой на небольшой угол а < аср, то в интервалах, когда знаки этих напряжений различны, на выходе ФИН возникает импульс положительного напряжения. Это напряжение проходит на интегратор по цепи диод 1 моста VS1 — стабилитрон VD11 — диод 4 моста VS1 - нулевая шинка. Открывается диод VDJ4, и на инвертирующий вход А2 приходит напряжение положительного знака. Появившееся отрицательное выходное напряжение А2 начинает заряжать емкость С1. Так как время несовпадения мало, то напряжение на емкости С1 не достигает значения, достаточного для действия логического элемента D1. При наступлении интервала, когда знаки сравниваемых напряжений совпадают, емкость быстро разрядится до нуля. На выходе DJ сохранится сигнал О-
Когда угол между поступающими на узел сравнения напряжениями превысит заданный (а > аср), длительность импульсов несовпадения значительно увеличится и емкость зарядится до более низкого напряжения. При появлении следующего, более узкого импульса совпадения она не успеет значительно разрядиться, и уже в следующий полупериод емкость С1 подзарядится до уровня, превышающего порог срабатывания элемента D1. На выходе D1 появится сигнал около О В, свидетельствующий о срабатывании узла сравнения.
Необходимо отдельно остановиться на выполнении схемы сравнения у реле, для которых задается аср = 180°. Такие реле должны срабатывать, когда длительность участка несовпадения занимает весь интервал от начала до конца полупериода, так что на выходе А1 держится непрерывный отрицательный сигнал. Это позволяет использовать в схеме сравнения обычный элемент выдержки времени с уставкой срабатывания не менее 10 мс, т.е. на меньше длительности одного полупериода промышленной частоты. Тогда при сдвиге напряжений на угол, меньший 180°, время несовпадения будет меньше уставки, и реле не сможет сработать.
Узел выхода реле защиты осуществляется с помощью электромагнитного реле или реле с магнитоуправляемыми контактами, которые связываются с узлом сравнения через усилитель на транзисторах. Одна из возможных схем узла выхода показана на рис. 25. Узел выхода управляется сигналом, поступающим из узла сравнения на транзистор VT1 через операционный усилитель А2.
Из диаграммы рис. 25, б видно, что при поступлении на схему узла сравнения входного напряжения, не достигающего уставки срабатывания реле, на выходе узла сравнения держится отрицательный сигнал. Транзистор VT1 заперт, и через выходное реле К1 протекает незначительный ток закрытого транзистора. При превышении поступающим на вход узла сравнения напряжением величины срабатывания сигнал на его выходе становится положительным. Транзистор VT1 открывается, и через выходное реле К1 начинает проходить ток, обеспечивающий его срабатывание. Реле К1 замыкает свои контакты в цепях логической части защиты.
При возврате реле транзистор VT1 запирается, и реле KJ приходит в исходное состояние. Диод VD6 служит для защиты схемы узла от коммутационных перенапряжений, возникающих при обесточивании реле К1. Диод VD3 на входе VTJ ограничивает уровень сигнала, приходящего на переход база—эмиттер транзистора.
Для получения сигнала о действии узла выхода в схеме рис. 25 установлен светодиод VD7 типа AJT307 с добавочным резистором R10, которые подключены параллельно обмотке выходного реле К1.
В качестве выходных в серийных реле защиты находят применение малогабаритные промежуточные реле типа РП13 и реле с магнитоуправляемыми контактами типа РПГ-5, называемые герконовыми. Чаще всего используются реле типа РП13, рассчитанные на рабочее напряжение 110 В постоянного тока. Схема узла выхода на таком реле показана на рис. 27.
На один из концов обмотки реле К1 подается плюс напряжения оперативного тока 220 В, а другой ее конец подключается к коллектору транзистора VT1.
Отличие данной схемы от схемы узла выхода по рис. 25 состоит в том, что на входе VT1 вместо диода установлен резистор R2, обеспечивающий требуемое ограничение уровня входного сигнала. Диод VD2 нужен для надежного запирания транзистора VTJ в исходном несработанном состоянии выходного реле KJ. Точка, где объединяются резистор R2 и диод VD2, подсоединена к шинке питания минус 15 В и об щей точке делителя напряжения оперативного тока 220 В (рис. 28)
Каких-либо специальных блоков питания оперативных цепей в реле защиты, как правило, не используют. Для получения напряжений ± 15 I для питания ОУ применяют делители напряжения на резисторах (рис.28). Необходимые уровни напряжений +15 В и -15 В при допустимых отклонениях напряжения 220 В поддерживаются с помощью стабилитронов типа КС515. Параллельно стабилитронам подключены конденсаторы, служащие для защиты операционных усилителей от влияния помех, поступающих из сети оперативного тока.
Рис. 27. Узел выхода статического реле защиты.
а - на постоянном оперативном токе; б - при питании от сети переменного тока 220 В
Рис. 28. Схемы узлов питания;
Место подключения шинок ±15 В к делителю выбрано так, чтобы оно находилось под напряжением, составляющим примерно половину напряжения оперативного тока 220 В. При таком исполнении эти шинки в нормальном состоянии изоляции сети оперативного тока оказываются под потенциалом, близким к нулю по отношению к земле.
Узел питания (рис. 28, а) применяется, когда источником оперативного тока является аккумуляторная батарея или выпрямительный агрегат на 220 В. Диод VD3 установлен для того, чтобы не повредить микросхемы, если на вход реле будет подано напряжение, не соответствующее полярности, обозначенной на зажимах.
Узел питания (рис. 28, б) применяется, если источником оперативного тока является сеть переменного тока собственных нужд объекта.
Для защиты от перенапряжений со стороны питания в реле устанавливаются варисторы R VI и RV2 типов СН1 с параллельно подключенным помехозащитным конденсатором СЗ.
Мощность, потребляемая реле при такой схеме питания от источника оперативного тока, равна 6-7 В-А, что довольно много. Это является одной из причин, сдерживающих широкое применение серийных реле защиты, выполненных на ОУ, для замены устаревших электромагнитных реле на действующих предприятиях.
Описанные схемы применяют во всех серийных реле защиты, кроме реле направления мощности серий РМ 11 - РМ 12. Особенности схем питания этих реле описаны в § 5.
