Элементы и функциональные части устройств релейной защиты и автоматики.

Устройства релейной защиты и автоматики состоят из отдельных функциональных элементов, связанных между собой общей схемой. Назначение каждого элемента — преобразовать входные сигналы, полученные от предыдущего элемента, и передать их последующему элементу. В каждом устройстве элементы объединяются в функциональные части. Условно в соответствии с последовательностью преобразования и передачи сигналов выделяют измерительную, передающую, логическую и исполнительную части [7]. Некоторые из них могут и не быть в конкретном устройстве.

Функциональная схема защиты как устройства автоматическо­го управления (рис. 5.1) содержит следующие основные части: измерительную (ИЧ), непрерывно контролирующую состоя­ние защищаемого объекта и определяющую условия срабатывания (или несрабатывания) в соответствии со значениями параметров электрических сигналов, поступающих на его вход от измерительных преобразователей (Ип); логическую (ЛЧ), фор­мирующий логический сигнал при выполнении определенных усло­вий; исполнительную (ИспЧ), формирующую на основе си­гнала логической части уп­равляющее воздействие на выключатель защищаемого объ­екта. Дополнительно в схеме защи­ты предусматривается сигналь­ный орган (Со), формирующий ло­гические сигналы о срабатывании защиты.

Рис. 5.1. Функциональная схема защиты как устройства автоматического управления.

5.2. Измерительная часть. Классификация измерительных органов (реле).

Элементы измерительной части контролируют тот или иной параметр системы электроснабжения, например амплитуду (абсолютное значение) тока, напряжения, угол сдвига фаз между ними, значение частоты. Указанные параметры вторичных напряжения и тока, получаемых от первичных измерительных преобразователей (трансформаторов) напряжения и тока электрических установок, являются информационными параметрами. Вторичные напряжения и ток измерительных трансформаторов являются основными входными электрическими сигналами автоматических устройств, их воздействующими величинами. Воздействующей величиной, согласно ГОСТ 16022—83, называется электрическая величина, которая одна или в сочетании с другими электрическими величинами должна быть приложена к электрическому реле в заданных условиях для достижения ожидаемого функционирования. В ряде случаев используются и неэлектрические величины, которые соответствующими измерительными элементами (датчиками) преобразуются в электрический входной сигнал устройства.

Различаются аналоговые (в частности, непрерывные) и дискретные (в частности, цифровые) сигналы. Определяющий признак аналоговых сигналов — бесконечное множество возможных значений информационного параметра. Аналоговый непрерывный сигнал характеризуется непрерывным изменением информационного параметра во времени. Признак дискретного сигнала — ограниченное число допускаемых значений информационного параметра, часто только два значения. Дискретный цифровой сигнал представляет собой число импульсов в единичной (число-импульсный сигнал) или в двоичной системе счисления.

Основные входные электрические сигналы являются аналоговыми. Они поступают на входы измерительной части устройств релейной защиты и автоматики. Измерительная часть может содержать несколько измерительных органов непрерывного или релейного действия. Измерительный орган непрерывного действия имеет непрерывную проходную характеристику (зависимость выходного сигнала Y от входного X), а релейного действия — релейную проходную характеристику. Релейный измерительный орган преобразует аналоговый сигнал в дискретный с двумя значениями информационного параметра. Простейшие измерительные органы релейного действия — измерительные реле тока, напряжения, мощности, сопротивления.

Электрическим реле, согласно ГОСТ 16022—83, называется аппарат, предназначенный производить скачкообразные изменения в выходных цепях при заданных значениях электрических воздействующих величин. При этом считают, что реле срабатывает, т. е. выполняет заданные функции. Различают максимальные и минимальные измерительные реле. Максимальные реле срабатывают при значениях воздействующей величины, больших заданного значения, минимальные — при значениях воздействующей величины, меньших заданного значения. В зависимости от способа включения в защищаемую цепь реле делятся на первичные и вторичные. Первичные реле включаются непосредственно в главную электрическую цепь, а вторичные — через первичные измерительные преобразователи. В зависимости от способа воздействия на коммутационный аппарат (например, выключатель) защищаемого объекта различают реле прямого и реле косвенного действия. В реле прямого действия подвижная система механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата. Реле косвенного действия управляет цепью электромагнита отключения выключателя через исполнительный элемент.

Устройства релейной защиты и автоматики выполняются так, что сигнал на выходе измерительного органа появляется лишь в том случае, если входные сигналы удовлетворяют некоторым условиям, например при достижении амплитудой тока определенного значения. Из этого следует, что измерительный орган сравнивает сигналы. Различают два основных принципа сравнения электрических величин: по амплитуде (абсолютному значению) и по фазе.

В зависимости от числа воздействующих величин различают измерительные органы с одной, двумя электрическими величинами и более. Применяются в основном измерительные органы с одной и двумя электрическими величинами.

Рис. 5.2. Графики, иллюстрирующие действие измерительного органа с одной электрической величиной

Чтобы произвести сравнение, необходимо иметь не менее двух величин. В измерительном органе с одной воздействующей величиной в качестве второй может использоваться некоторая стабильная постоянная величина. Так, например, в электромеханическом реле — это механический момент пружины, в полупроводниковом реле — стабилизированное напряжение. При этом операции сравнения предшествует операция преобразования воздействующей величины в величину, однородную постоянной.

Сравнение можно произвести и другим способом. Для этого воздействующая величина U (I) преобразуется в две сравниваемые U₁ (I₁) и U₂ (I₂) так, чтобы они были разными ее функциями и их графики пересекались при некотором значении U_гр (I_гр), которое является граничным условием появления сигнала на выходе измерительного органа или границей зоны действия (рис. 5.2, а). Если для появления сигнала на выходе измерительного органа необходимо, чтобы U₁ (I₁) ≥ U₂ (I₂), то его зона действия располагается справа от граничной точки. Она является лучом, совпадающим с осью U (I). На выходе измерительного органа непрерывного действия сигнал аналоговый в виде, например, изменяющейся пропорционально разности U₁(I₁) - U₂(I₂) постоянной составляющей U_o напряжения (кривая 1 на рис. 5.2, б). На выходе измерительного органа релейного действия сигнал дискретный в виде скачкообразно изменяющегося напряжения от U_{o min} до U_{o max} (кривая 2), в частном случае напряжение U_{o min}=0. Появление дискретного сигнала означает срабатывание измерительного органа релейного действия.

В измерительном органе с двумя электрическими величинами сравниваются или сами воздействующие величины (U и I), или величины, линейно зависящие от них, например, и . В общем случае коэффициенты являются комплексными. Они не зависят от U и I. Для анализа поведения измерительного органа используют плоскости комплексных переменных или , связанных между собой следующими зависимостями [8]:

и .

В плоскостях имеются соответствующие друг другу зоны действия и зоны недействия, разделенные граничными линиями.

Для измерительного органа, сравнивающего величины А и В по их абсолютному значению, граничная линия определяется равенством W= 1 при любом угле φ сдвига фаз между ними и является окружностью с центром в начале координат и радиусом, равным единице. Зоной действия при W ≥ l является плоскость вне окружности (рис. 5.3, а).

Сравнивать по абсолютному значению можно величины как переменного, так и постоянного тока. Сравнивать по фазе можно лишь величины переменного тока. При этом условием появления сигнала на выходе измерительного органа является

или ,

так как угол между векторами А и В представляет собой аргумент их отношения. При φ₂= φ₁+ π, что обычно имеет место, граничная линия является прямой, проходящей через начало координат (рис. 5.3, б).

Рис. 5.3. Зона действия измерительных органов с двумя электрическими величинами в плоскости W: а – при сравнении абсолютных значений; б – при сравнении по фазе.

Рис. 5.4. Структурная схема соединения элементов без обратной связи (а) и с обратной связью (б).

Логическая часть.

В большинстве случаев выходной сигнал функционального элемента зависит только от его входного сигнала, а обратная зависимость отсутствует. При этом если, например, элементы соединены друг с другом последовательно, то сигнал Y в каком-либо месте устройства зависит от всех предыдущих элементов, но не зависит от последующих (рис.5.4 а). Направление действия элементов указывается стрелкой. В ряде устройств необходимо, чтобы последующие элементы оказывали влияние на предыдущие. Это достигается с помощью обратной связи (рис. 5.4, б), на вход которой подается сигнал от последующих элементов, а выход с сигналом X'=k_о.с.Y присоединяется к предыдущим, где k_о.с. — коэффициент обратной связи. В зависимости от его знака образуется положительная или отрицательная обратная связь.

Рис. 5.5. Условное изображение логических операций ИЛИ, И, НЕ

При положительной обратной связи сигнал на входе второго элемента усиливается (Х+Х'), а при отрицательной — ослабляется (Х—Х').

Выходной дискретный сигнал устройства в целом формируется его логической частью, которая преобразует дискретные входные сигналы в дискретные выходные, являющиеся входными сигналами исполнительной части устройства. Логическая часть содержит обычно несколько логических элементов, поэтому появление дискретного сигнала на выходе в общем случае зависит от комбинации входных сигналов. Таких основных комбинаций три — это логические операции ИЛИ, И, НЕ. Условное изображение этих операций дано на рис. 5.5.

Операция ИЛИ (рис. 5.5, а) представляет собой логическое сложение (дизъюнкция) Y=X₁ + X₂ + X₃+ ... и показывает, что сигнал на выходе появляется, если есть сигнал X хотя бы на одном из входов. Это достигается параллельным соединением элементов. Операция И (рис. 5.5, б) представляет собой логическое умножение (конъюнкция) Y=X₁·X₂·X₃. Сигнал Y на выходе есть, если есть сигналы на всех входах. Это соответствует последовательному соединению элементов. Операция НЕ (рис. 5.5, в) выражает логическое отрицание (инверсия) Y= и показывает, что сигнал Y на выходе появляется только тогда, когда нет сигнала X на входе. Если логическая часть схемы выполняется электромеханическими реле, то рассмотренные логические операции можно осуществить путем соединения их контактов, как показано на рис. В.9. В общем случае логическая часть устройства может быть весьма сложной. Ее оптимальное построение невозможно без использования математической логики [9].

Исполнительная часть. Выходные воздействия релейной защиты, устройств автоматики релейного действия и телеуправления обычно являются дискретными воздействиями на отключение и включение выключателей синхронных генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и других электрических установок. Они формируются соответствующими исполнительными элементами в виде относительно мощных электромеханических реле и контакторов, включающих электромагниты отключения и включения приводов выключателей. Исполнительные элементы устройств автоматики непрерывного действия (автоматических регуляторов) представляют собой мощные тиристорные или магнитные усилители, выходные токи которых изменяют, например, ток возбуждения синхронного генератора. Исполнительные элементы релейной защиты, автоматики, особенно телеизмерения и телесигнализации, служат также для ввода информации в ЭВМ и отображения информации, необходимой дежурному персоналу. К ним относятся, например, устройства световой и звуковой сигнализации, измерительные приборы и др.

Передающая часть. В системах телемеханики, а иногда релейной защиты и автоматики возникает необходимость передавать сигналы на значительные расстояния. Для этого служит передающая часть устройства, одним из основных элементов которой является канал связи.

6 лекция: Линейные измерительные преобразователи синусоидальных

напряжений и токов. Первичные измерительные преобразователи тока. Схемы замещения и погрешности трансформаторов тока