Автор: Линт Г.Э.
Теги: электротехника автоматика и телемеханика электроника электричество релейная защита
ISBN: 5-283-01038-4
Год: 1990
Текст
БИБЛИОТЕКА
ЭЛЕКТРОМОНТЕРА
Г. э. ЛИНТ
сери: 1НЫЕ
РЕЛЕ ЗАЩИТЫ,
ВЫПОЛНЕННЫЕ
НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМАХ
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОМОНТЕРА
Выпуск 629
Основана в 1959 году
г. а линт
СЕРИЙНЫЕ
РЕЛЕ ЗАЩИТЫ,
ВЫПОЛНЕННЫЕ
НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМАХ
IS
МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1990
ББК 32.96-04
Л59
УДК 621.316.925.049.77
Рецензент Я.С. Гельфанд
Редакционная коллегия серии:
В.Н. Андриевский, С.А. Бажанов, М.С. Бернер, Л.Б. Годгельф, В.Х. Иш-
кин, Д.Т. Комаров, В.Н. Кудрявцев, В.П. Ларионов, Э.С. Мусаэлян,
С.П. Розанов, В.А. Семенов, А.Д Смирнов, А.Н. Трифонов, А.А. Фила-
тов, А.Н. Щепеткин
Линт Г.Э.
Л 59 Серийные реле защиты, выполненные на интегральных
микросхемах. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 112 с.: ил. —
(Б-ка электромонтера; выл. 629).
ISBN 5-283-01038-4
Изложены сведения о серийных реле защиты, в которых использу-
ются операционные усилители. Рассмотрены принципы работы, техни-
ческие характеристики и схемы применения интегральных микросхем
в реле защиты. Представлены схемы отдельных реле, выпускаемых
в виде самостоятельных аппаратов.
Для квалифицированных электромонтеров н мастеров служб релей-
ной защиты электростанций, электрических сетей и наладочных орга-
низаций.
„ 2202080000-306
Л---------------99-90
051 (01)-90
ISBN 5-283-01038-4
ББК 32.96-04
© Автор, 1990
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последние годы в технике релейной защиты начала успешно при-
меняться аппаратура, содержащая интегральные микросхемы. Исполь-
зование микросхем позволило заметно улучшить характеристики защит
по сравнению с традиционными на базе электромеханических реле.
Возникла потребность в новом подходе к техническому обслужива-
нию защит, выполненных на базе интегральных микросхем. К ним не-
применимы некоторые методы проверок, используемые при наладке
электромеханических реле. С одной стороны, отпала необходимость в
такой трудоемкой работе, как механическая регулировка измеритель-
ных органов защиты. В меньшей степени проявляются приработочные
дефекты. С доугой стороны, объем проверок расширился за счет испы-
таний, продиктованных требованиями к полупроводниковой схемотех-
нике. В сложных устройствах релейной защиты начали внедряться раз-
личные методы автоматического контроля работоспособности аппарату-
ры.
В результате постоянного сотрудничества основного разработчика
новой аппаратуры релейной защиты — головного института Минэлектро-
техпрома СССР ВНИИР — с Чебоксарским электроаппаратным заво-
дом и ведущими научными и проектными институтами Минэнерго СССР,
в первую очередь ВНИИЭ и Энергосетьпроектом, а также многими выс-
шими учебными заведениями и службами релейной защиты энергоси-
стем получен определенный опыт освоения этого нового вида техники
релейной защиты.
В данной книге изложены основы технического обслуживания толь-
ко одной части таких устройств — серийных реле защиты на операцион-
ных усилителях. В книге приведено описание применяемых в энерго-
системе приборов и приспособлений для наладки реле на интегральных
микросхемах с учетом опыта их эксплуатации в энергосистеме, где
работает автор.
Автор благодарен рецензенту Я.С. Гельфанду, давшему по рукопи-
си замечания, направленные на улучшение книги, а также редактору
Т.Н. Дородновой.
Все пожелания и замечания по книге просьба направлять по адресу :
113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.
Автор
3
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 воздейст-
вуют на логическую часть при отклонении электрических параметров
(тока, напряжения, мощности, сопротивления) от значений, предва-
рительно 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 пере-
дачи команд по каналам связи и телемеханики. Выходные органы за-
щиты имеют на выходе переключающие элементы достаточной мощ-
ности, 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 по-
средством часовых механизмов, управляемых электромагнитными
устройствами. Наряду с часовыми механизмами для той же цели при-
меняют электромагнитные реле с магнитной задержкой отпадания
якоря.
Для получения реле с зависимой характеристикой выдержки време-
ни используют механические системы с приводом, действующим на
индукционном принципе. Скорость движения таких механизмов зави-
сит от значения проходящего по ним тока.
Во всех органах защиты, за исключением измерительных, чаще всего
применяют электромагнитные реле клапанного типа или со втягиваю-
щимся 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 мо-
гут быть выполнены с помощью простых электромеханических уст-
ройств. Поэтому для них были разработаны специальные высокоточ-
4
ные электромагнитные механизмы с легким поворотным якорем. При-
меняют также чувствительные индукционные механизмы с вращаю-
щимся барабанчиком. Выпускается аппаратура, содержащая различ-
ные 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 приве-
ло 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 ге-
нераторами мощностью в миллион и более киловатт. На опорных под-
станциях устанавливают трансформаторы с пропускной мощностью
в несколько миллионов киловольт-ампер. В огромном количестве
сооружаются линии и подстанции в распределительных сетях и на про-
мышленных предприятиях.
Все это оборудование должно быть оснащено релейной защитой с
самыми различными характеристиками. Во все увеличивающихся объ-
емах должен быть обеспечен выпуск аппаратуры для релейной защиты.
Нередко новые требования к релейной защите не могут быть удовлет-
ворены из-за несовершенства аппаратуры, содержащей электромехани-
ческие устройства. Стало очевидным, что использование электромеха-
нических устройств в релейной аппаратуре задерживает дальнейшее
развитие техники релейной защиты как в качественном, так и в коли-
чественном 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 несколь-
ко однородных функций. В последние годы электронная промышлен-
ность начала выпускать многоцелевые, так называемые большие ин-
тегральные 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 на-
стоящее время отечественная промышленность выпускает релейную
аппаратуру только на серийных микросхемах средней степени инте-
грации.
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.
5
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 — единич-
ным и обозначается цифрой 1. Эти сигналы поступают в виде напряже-
ний 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 опе-
рации на выходе микросхем устанавливается либо нулевой, либо единич-
ный сигнал. При действии микросхемы происходит замена имеющегося
выходного сигнала сигналом другого уровня. Такое действие анало-
гично замыканию или размыканию контакта промежуточного реле при
образовании цепочки на его срабатывание.
Другой вид интегральных микросхем, называемых аналоговыми
или линейными, представляют собой усилительное устройство высо-
кой чувствительности. Оно имеет обычно два отдельных входных и об-
щий выходной зажимы.
Кроме них имеются зажимы для подачи напряжений питания, а в не-
которых 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 толь-
ко 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 напря-
жению питания. Оно оценивается как напряжение насыщения. Знак
этого напряжения определяется знаком разности входных токов.
В связи с тем что аналоговые микросхемы были впервые примене-
ны для выполнения математических действий в ЭВМ, их стали назы-
вать 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 тех-
нике применяется много разных типов ОУ, различающихся по конструк-
ции и назначению. Благодаря своим свойствам операционные усилите-
ли оказались элементами, подходящими для осуществления любых
измерительных органов релейной защиты.
Специальные помехоустойчивые логические и аналоговые микро-
схемы, созданные для целей промышленной автоматики, успешно ис-
6
пользуются в настоящее время для производства самой разной ре-
лейной аппаратуры. Эта аппаратура имеет качественно лучшие характе-
ристики и проще в обслуживании, чем многие реле защиты, выполнен-
ные на базе электромеханических устройств.
Серийная аппаратура релейной защиты, выполненная на основе ин-
тегральных микросхем, изготовляется Чебоксарским электроаппарат-
ным заводом в двух видах.
Один вид — это аппараты, представляющие собой отдельные орга-
ны измерительной или логической частей защиты. По аналогии с элек-
тромеханическими 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, представ-
ляющая собой набор устройств релейной защиты целого присоедине-
ния, 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 вто-
ричным 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 ’’Биб-
лиотека электромонтера”, посвященных вопросам обслуживания пане-
лей 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.
2. СВОЙСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
И ОСНОВНЫЕ ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
При анализе работы релйной аппаратуры удобно пользоваться неко-
торыми понятиями математической логики, которые могут осущест-
вляться при помощи интегральных микросхем. Вначале напомним,
как осуществляются некоторые логические операции на примере идеа-
лизированных логических элементов, действие которых определяется
комбинацией нулевых и единичных сигналов.
7
Рис. 1. Общее условное изображение логического элемента
Представим себе такой идеальный логический элемент в виде неко-
торого переключающего устройства, обладающего несколькими вход-
ными зажимами Х13 Х2, Х3, . . . , Хп и одним выходным зажимом Y
(рис. 1).
За исходное состояние элемента примем такое, когда на его вход-
ные зажимы поданы нулевые сигналы и когда его переключение проис-
ходит после поступления на его входы некоторого сочетания единич-
ных сигналов. Такие элементы зовутся элементами ’’единичной”, или
’’положительной”, логики. Если в исходном состоянии к элементам
подводятся единичные сигналы, то их называют элементами ’’нулевой”,
или ’’отрицательной”, логики. В наших примерах рассматриваются
элементы ’’положительной” логики.
Операции ИЛИ. У идеального элемента, обеспечивающего выполнение
операции ИЛИ, при нулевых сигналах на всех его выходах выходной
сигнал имеет тоже нулевое значение. Если хотя бы на одном из входных
зажимов появится единичный сигнал, элемент немедленно подействует,
и на его выходе установится единичный сигнал. Единичный сигнал на
выходе сохраняется при любом числе сигналов 1, поданных на его вхо-
ды. Когда со всех входных зажимов сигналы 1 снимаются, выходной
сигнал элемента ИЛИ опять становится нулевым.
На структурных схемах элемент ИЛИ принято изображать так, как
показано на рис. 2, а.
Операция И. Элемент, осуществляющий операцию И, при нулевых
сигналах на всех его входных зажимах имеет на выходном зажиме сиг-
нал 0. Но в отличие от элемента ИЛИ этот элемент переключится только
тогда, когда единичные сигналы поступят на все его входы. Только при
этом условии на его выходном зажиме образуется сигнал 1. В случаях,
когда единичные сигналы поступят только на часть входных зажимов,
на выходе элемента И будет оставаться нулевой сигнал. После срабаты-
вания элемента И сигнал 1 на его выходе будет сохраняться до тех пор,
Рис. 2. Условные изображения логических элементов:
а - элемент ИЛИ; б — элемент И; в - элемент НЕ; г - элемент И-НЕ; д -
элемент ЗАПРЕТ
8
пока не снимается единичный сигнал хотя бы с одного из его входных
зажимов.
На структурных схемах элемент И изображается так, как дано на
рис. 2, б.
Операция НЕ или ИНВЕРСИЯ. В исходном положении элемента НЕ
принято, что на его единственном входном зажиме X имеется нулевой
сигнал, при этом на его выходном зажиме Y держится единичный сиг-
нал. В случае появления на входном зажиме единичного сигнала сиг-
нал на выходе элемента НЕ принимает нулевое значение. Действие эле-
мента НЕ называют в математической логике инвертированием сиг-
нала или инверсией, а сам элемент — инвертором. Для его изображе-
ния применяется прямоугольник с небольшим кружочком, нанесенным
посредине правой или левой его стороны (рис. 2, в).
Для промышленной автоматики изготовляют серийные логические
микросхемы, представляющие собой набор из сложных элементов и
предназначенные для одновременного выполнения операций И и НЕ.
Такой элемент сокращенно записывается так: элемент И-НЕ.
Изображение элемента И-НЕ приведено на рис. 2, г. Ниже дана таб-
лица переключений для элемента И-НЕ; в целях упрощения принято,
что элемент имеет всего два входа и Х2:
Xj Ал2 Y
Состояние элемента:
исходное.............. О 0 1
поданы сигналы........ 1 0 1
О 1 1
1 1 О
Как видно, мы приняли за исходное состояние такое, когда на входы
элемента поданы нулевые сигналы, что соответствует ’’положительной”
логике, применяемой в промышленной автоматике. Если представить
себе, что в исходном положении на оба входа поданы сигналы 1, то на
выходе установится сигнал 0 (нижняя строка таблицы).И тогда достаточ-
но заменить хотя бы один из входных сигналов нулевым, чтобы на
выходе появился сигнал 1. А такое действие элемента представляет
собой уже операцию ИЛИ-HE, но при единичных сигналах в исходном
состоянии элемента. Она часто применяется на практике.
Операция ЗАПРЕТ. В элементе, служащем для операции ЗАПРЕТ,
на выходном зажиме Y будет сохраняться нулевой сигнал, если на от-
дельном, так называемом запрещающем зажиме Х2 имеется единичный
сигнал. При наличии этого запрещающего сигнала независимо от того,
какой сигнал появится на единственном входном зажиме элемента
АГ1} на выходном зажиме Y будет оставаться сигнал 0. После снятия
запрещающего сигнала — замены сигнала 1 на запрещающем входе
сигналом 0 — изменение выходного сигнала произойдет тогда, когда
на входном зажиме возникнет сигнал 1. Таким образом, для дейст-
вия элемента ЗАПРЕТ нужно выполнить два условия: снять запрещаю-
9
щий сигнал и подать на вход Хх сигнал 1. Операция ЗАПРЕТ может
быть также представлена как операция И с одним инвертированным
входным сигналом, являющимся запрещающим. Применяемое изобра-
жение элемента ЗАПРЕТ показано на рис. 2, д.
Специальная Серия логических интегральных микросхем, выпускае-
мых для промышленной автоматики, имеет заводское обозначение
К511 с добавлением в конце двух букв и цифры, относящихся к кон-
кретным типам микросхем этой серии. Она предназначена для работы
в условиях повышенных электромагнитных помех. В качестве пере-
ключающих электронных приборов в микросхемах этой серии исполь-
зуются биполярные транзисторы. По принципу исполнения серия входит
в число микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Для
отстройки от помех в серии К511 принята относительно большая раз-
ница между уровнями нулевого и единичного сигналов, и поэтому
она считается высокопороговой.
Для питания микросхем серии К511 применяется напряжение по-
стоянного тока 15 В. Положительный полюс питания подается на вы-
вод микросхемы, обозначенный ”4-15 В” или ”ЕПиТ”, а отрицательный
полюс питания — на вывод ”0” или ’’Земля”. Этот вывод является об-
щим для всей схемы аппарата и при необходимости соединяется с за-
землением установки.
Единичный сигнал определяется напряжением положительного зна-
ка, превышающим 8 В, и может приближаться к значению питающего
напряжения +15 В. Нулевой сигнал определяется низкими уровнями
положительного напряжения в пределах от 0 до 1,5 В. Подача сигналов
отрицательного знака на логические микросхемы не допускается и
может привести к повреждению микросхемы. Уровень помех на входе
микросхемы, не Приведший к нарушению ее нормального функциони-
рования, может доходить до 5 В. Ток нагрузки может составлять до
10 мА.
Все основные логические операции, описанные выше, могут быть
осуществлены с помощью элементов И-НЕ серии К511. Эти элементы
исполнены для выполнения операции И-НЕ при нулевых входных сиг-
налах в исходном состоянии. Без всяких дополнений они могут быть
использованы для реализации операции ИЛИ-HE, если в исходном ре-
жиме подавать на их входы единичные сигналы, а управление рабо-
той осуществлять с помощью нулевых сигналов. На рис. 3 показано
в качестве примера, как выполняются операции И, ИЛИ, НЕ и ИЛИ-НЕ
для единичных управляющих сигналов с помощью микросхемы типа
К511ЛА1, содержащей четыре двухвходовых элемента И-НЕ. Так,
операция НЕ обеспечивается при подаче единичного сигнала на объеди-
ненные входы элемента, что видно из рис. 3, а. На рис. 3, б изображено
исполнение операции ИЛИ, а на рис. 3, в — операции И. Работа схем
понятна из рисунков. Элементы И-НЕ серии К511 могут присоединять-
ся к выходу операционных усилителей через ограничивающий резис-
тор, имеющий сопротивление порядка 30 кОм.
10
Рис. 3. Выполнение операций НЕ (а), ИЛИ (о), ы (в) для единичных управляю-
щих сигналов на элементах И-НЕ серии К511
В начале параграфа уже говорилось о том, что представляет собой
операционный усилитель.
Отметим основные свойства ОУ:
1) очень большой коэффициент усиления по напряжению, превышаю-
щий 104 и доходящий до 5 • 10s;
2) малое потребление по входу, измеряемое долями микроампер
и меньше;
3) небольшое выходное сопротивление, измеряемое десятками или
сотнями ом, что позволяет не учитывать его при выборе нагрузки, кото-
рая ограничивается допустимым током выхода ОУ, составляющим
примерно 5 мА.
Питание операционных усилителей, применяемых при изготовлении
реле защиты, осуществляется от двух разнополярных источников на-
пряжения постоянного тока с общей нулевой точкой. Значения питаю-
щих напряжений берутся в диапазоне от ±5 до ±15 В в зависимости от
конструкции ОУ. Операционный усилитель имеет два независимых
входа и один общий выход. Он является усилителем дифференциаль-
ного типа и реагирует на знак напряжения, определяемого разностью
двух напряжений, поданных на его входы. Тот из входов, при преобла-
дании напряжения на котором знак выходного напряжения совпадает
с поданным на этот вход, называется неинвертирующим, или сокра-
щенно Н-входом. До последнего времени этот вход обозначался на схе-
мах усилителей условным знаком плюс. Другой вход, преобладание
напряжения на котором приводит к изменению знака выходного напря-
жения на противоположный по сравнению со знаком напряжения на этом
же входе, называется инвертирующим, или сокращенно И-входом.
Ему присваивался условный знак минус.
Значения подаваемых на ОУ входных напряжений не должны превы-
шать напряжения питания.
Если на оба входа ОУ подать одинаковые по значению и знаку напря-
жения, называемые синфазными, то выходное напряжение будет прак-
тически оставаться близким к нулю. Значения синфазных напряжений,
подаваемых на входы ОУ, не должны быть выше напряжения питания.
11
Рис. 4. Условные изображения операционных усилителей:
а — старое; б — допускаемое; в — новое
На схемах, содержащих ОУ, встречаются три основных условных
изображения операционных усилителей: старое (рис. 4, а), которое
продолжают и поныне применять во многих информационных и проект-
ных материалах, допускаемое (рис. 4, б), широко используемое в на-
стоящее время в технической литературе, и новое (рис. 4, в), принятое
совсем недавно. На всех изображениях не показаны источники пита-
ния и другие внешние выводы.
Операционные усилители обладают общим недостатком, заключаю-
щимся в том, что даже при полном отсутствии внешних входных сиг-
налов, через входы усилителя протекают небольшие так называемые
нулевые токи, и может возникать некоторое напряжение между вхо-
дами, которое называют напряжением сдвига нуля. Их появление обус-
ловливается несбалансированностью входного каскада, которая зави-
сит как от технологических отклонений параметров входных транзис-
торов, так и от внешних условий, в первую очередь от температуры
окружающей среды и изменения напряжений питания. Напряжение
сдвига нуля создает на выходе ОУ выходное напряжение соответствую-
щего значения.
Этот недостаток оказывает существенное влияние на выбор пара-
метров резисторов в схемах применения ОУ.
По техническим условиям на ОУ появляющееся выходное напряже-
ние сдвига должно сводиться к нулю, если приложить между входами
ОУ так называемое напряжение смещения соответствующего знака,
значение которого не должно превосходить 7,5 мВ. Поэтому при расче-
те схем применения ОУ начальный уровень управляющего сигнала берет-
ся порядка 10 мВ. Это в свою очередь определяет нижний расчетный
уровень выходного напряжения ОУ. Верхний расчетный уровень выход-
ного напряжения ОУ определяется его напряжением насыщения, кото-
рое обычно меньше напряжения питания на 1—2 В.
Благадаря своим свойствам операционный усилитель может быть
с достаточной степенью точности представлен в виде идеального уси-
лителя. Такой идеальный усилитель имеет коэффициент усиления диф-
ференциального сигнала, близкий к бесконечности (Ad ->»=), и коэф-
фициент усиления синфазных сигналов, равный нулю (Лсф ->0). Вход-
ные токи идеального усилителя близки к нулю (zBX 0), а выходное
12
Рис. 5. Основные схемы применения операционных усилителей:
а — повторитель напряжения; б — неинвертирующий усилитель; в — инвер-
тирующий усилитель
внутреннее сопротивление приближается к нулевому значению (ZBblx ->
->0). Для облегчения анализа схем, в которых используются реальные
операционные усилители, рассмотрим основные схемы их применения
на примере идеальных усилителей дифференциального типа.
Идеальный усилитель обеспечивает максимальное значение выход-
ного напряжения, ограниченное лишь уровнями напряжений питания,
при очень малой разности напряжений между его входами. Эта раз-
ность не соизмерима со значениями напряжений во внешней части схе-
мы. Получающуюся при этом на входных зажимах разность потенциа-
лов называют напряжением суммирующей точки. Его значение близко
к нулю. Токи, поступающие на входы идеального усилителя, также
весьма малы и при рассмотрении схем не учитываются.
Основные схемы применения ОУ строятся на использовании различ-
ных вариантов обратных связей между выходом ОУ и его входами [2].
Обратная связь в таких схемах осуществляется через соответственно
подобранные линейные и нелинейные сопротивления в зависимости от
характера операций, выполняемых с помощью данной схемы. Связь
между выходом ОУ и Н-входом называется положительной обратной
связью (ПОС), связь между выходом ОУ и инвертирующим входом —
отрицательной обратной связью (ООС). Перейдем к описанию основных
типовых схем применения ОУ.
Повторитель напряжения — схема, в которой выход ОУ соединен не-
посредственно с инвертирующим входом через сопротивление, равное
нулю. Управляющий сигнал подается прямо на неинвертирующий вход
(рис. 5, а). Подобный вид обратной связи называют 100 %-ной отрица-
тельной обратной связью (100 % ООС). При С/вх = 0 напряжение на вы-
ходе тоже будет оставаться равным нулю, так как на непосредственно
связанном с ним инвертирующим входе не возникает разности напря-
жений по отношению к неинвертирующему входу. В случае изменения
входного напряжения на неинвертирующем входе между входами будет
13
поддерживаться ничтожно малая разность напряжений, определяемая
значением напряжения суммирующей точки. Напряжение на выходе ОУ
практически сравняется с поступающим сигналом и по мере его изме-
нения будет совпадать с меняющимися значениями входного сигнала.
Таким образом, рассматриваемая схема является следящей, повто-
ряющей на выходе входной сигнал. Отсюда ее название. Коэффициент
усиления повторителя напряжения,
&U — ^вых/^вх =
Неинвертирующий усилитель. Показанная на рис. 5, б сх?ма приме-
няется для усиления сигналов, подаваемых на неинвертирующий вход.
В данной схеме ОУ охвачен отрицательной обратной связью через ре-
зистор R2, а резистор R1 соединяет инвертирующий вход с нулевой
шинкой. Ток i2, проходящий по цепи обратной связи, определяется
значением Резисторы RI и R2 представляют собой делитель на-
пряжения. Так как входные токи ОУ можно не учитывать, то напря-
жение на инвертирующем входе будет равно i/BbIX Rl/(Rl+R2).
Учитывая, что значение напряжения в суммирующей точке несравни-
мо меньше UBX, можно считать, что напряжение на инвертирующем вхо-
де имеет то же значение, что и поступающий на неинвертирующий вход
сигнал. Отсюда f/BX = USblxRi/(Ri + А2). Коэффициент усиления та-
кого усилителя Ку = ^Вых/^вх “ + Чтобы не нагружать
выход ОУ, резисторы R1 и R2 в реальных схемах принимают порядка
десятков и сотен килоом. Из схемы видно, что неинвертирующий уси-
литель имеет большое входное сопротивление, которое зависит только
от входного тока ОУ z'i, приближающегося к нулю. На линейном участ-
ке характеристики коэффициент усиления такого усилителя может быть
весьма большим (достигать нескольких сотен). О назначении резисто-
ра R3 сказано ниже.
Инвертирующий усилитель. Схема его (рис. 5, в) отличается от преды-
дущей тем, что управляющий сигнал подается на инвертирующий вход
через резистор R1, а неинвертирующий вход соединяется с нулевой шин-
кой через резистор R3, поэтому потенциал суммирующей точки в рас-
сматриваемой схеме равен примерно потенциалу нулевой шинки. Ре-
зисторы R1 и R2, образующие делитель напряжения, имеют нулевой
потенциал в точке их соединения на инвертирующем входе. При пода-
че сигнала на инвертирующий вход при заземленном неинвертирующем
входе на выходе ОУ получается усиленный сигнал противоположного
знака, так как в суммирующей точке происходит переход через нуле-
вое значение. Так как собственный входной ток ОУ можно не учиты-
вать, принимаем, что по цепи из R1 и R2 течет один ток ir -Ubx/Ri =
=— Знаком минус учитываются противоположные знаки
^вх и £/вь1х. Отсюда можно получить выражение для коэффициента
усиления инвертирующего усилителя Ку = ^вых/^вх =—^2/^1- Вход-
14
Рис. 6. Структурная схема операционного усилителя
ное сопротивление инвертирующего усилителя значительно меньше,
чем у неинвертирующего, так как равно сопротивлению резистора R1,
которое берется в тех же пределах, что и для неинвертирующего уси-
лителя.
Из рассмотренных схем усилителей видно, что их коэффициент усиле-
ния определяется только соотношением сопротивлений в цепи входов
и обратной связи. И хотя эти данные получены для схем с идеальны-
ми ОУ, они с достаточной степенью точности могут быть применены и
к реальным ОУ. Благодаря этому ОУ имеют универсальное примене-
ние, взаимозаменяемы и не требуют подбора, как это часто бывает в
схемах, содержащих обычные транзисторы. Для понимания свойств
реальных операционных усилителей, отличающих их от идеальных,
ознакомимся с устройством применяемых ОУ.
Операционные усилители, серийно изготовляемые на заводах элек-
тронной промышленности, весьма сложны. Основой ОУ служит мини-
атюрная пластинка из полупроводникового материала, обычно крем-
ния, в толще и на поверхности которой с помощью специальной высо-
коточной технологии создают в соответствующих местах и в требуемых
соотношениях структуры из примесных полупроводниковых мате-
риалов, оксидов и чистых металлов. В результате в пластинке образу-
ется определенное число участков, обладающих свойствами транзисто-
ров, диодов, резисторов и конденсаторов, соединенных между собой
в соответствии с исполняемой схемой операционного усилителя. Обра-
ботанная таким образом пластинка помещается в герметичный корпус
и соединяется с нужным числом выводов.
В настоящее время выпускаестя довольно много типов ОУ общего
и специального назначения, объединенных в серии. Для производства
релейной аппаратуры используется несколько типов ОУ общего на-
значения.
Схемы таких ОУ содержат, как правило, три основных усилительных
каскада (рис. 6): входной (дифференциальный), промежуточный
(усилительный) и выходной (низкоомный).
Входной каскад является основной частью ОУ, определяющей его
качество. В этом каскаде формируется дифференциальный сигнал,
строго пропорциональный разности напряжений, подаваемых на вхо-
?У- ДиФФеРенЦиальный коэффициент усиления входного каскада
серийных ОУ может достигать значения 500 и более, при этом должна
15
поддерживаться линейная зависимость между входным разностным
сигналом и сигналом, поступающим из входного каскада в следующий,
промежуточный каскад.
Промежуточный каскад является чисто усилительным и предназна-
чен для связи между входным и выходным каскадами. Его коэффи-
циент усиления у большинства серийных ОУ имеет такое же значение,
как и у входного.
Входной каскад не должен реагировать на синфазные входные сиг-
налы. Это очень важно с позиций нечувствительности ОУ к помехам.
Ведь, как правило, помехи являются сигналами одинаково воздейст-
вующими на оба входа ОУ. Включение входного каскада ОУ по диф-
ференциальной схеме само по себе делает его малочувствительным к
синфазным входным напряжениям. Такое включение снижает также
влияние температурных изменений отдельных параметров транзисто-
ров и сопротивлений, входящих в плечи дифференциального каскада.
В схеме они оказываются включенными навстречу друг другу, благо-
даря чему однозначные температурные изменения отдельных парамет-
ров взаимно компенсируются.
Однако простого включения входных транзисторов по дифферен-
циальной схеме недостаточно, чтобы обеспечить требуемую нечувстви-
тельность ОУ к синфазным напряжениям. Она достигается за счет ряда
дополнительных мер, применяемых в схемах входных каскадов [1].
Благодаря им также сводится к минимуму напряжение сдвига нуля.
Выходной каскад является в основном усилителем мощности, и по-
этому его коэффициент усиления по напряжению невелик и прибли-
жается к единице.
В серийном производстве реле защиты применяют три типа опе-
рационных усилителей общего назначения; К140УД7, К553УД2 и
К544УД1А. Подробное описание принципиальных схем этих усилите-
лей приводится в специальной литературе [3, 4]. Усилителя К140УД7,
К553УД2 и К544УД1А являются операционными усилителями второго
поколения. В их конструкции имеется много общего, и после изучения
устройства любого из них нетрудно разобраться с действием остальных.
Отличие ОУ типа К544УД1А от двух других состоит в том, что он обла-
дает большим входным сопротивлением за счет использования на его
входах полевых транзисторов.
Остановимся на основных параметрах указанных выше ОУ.
Коэффициент усиления дифференциального сигнала Ad (В/мВ)
равен приращению выходного напряжения к вызвавшему это прираще-
ние входному напряжению.
Входное сопротивление ОУ RBX (кОм) равно отношению прираще-
ния его входного напряжения к приращению активной составляющей
входного тока.
Напряжение смещения ОУ исы (мВ) определяется значением по-
стоянного входного напряжения, при котором выходное напряжение
равно нулю.
16
Максимальное выходное напряжение ОУ 6/выхтсл (В) определяет-
ся предельным значением выходного напряжения при номинальном
напряжении питания.
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений диффе-
ренциального ОУ Ко 10,0 (дБ) равен отношению приращения синфазных
входных напряжений к входному дифференциальному напряжению,
вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения.
Предельный выходной ток ОУ /ВЬ1Х (мА) равен максимальному зна-
чению выходного тока при оговоренном входном напряжении. Иногда
вместо него приводится допустимое минимальное сопротивление на-
грузки (кОм).
Ниже приводятся параметры ОУ, применяемых в серийных реле
защиты:
Тип ОУ................
Ар, В/мВ...............
/?вх, кОм..............
^см> мв................
^Вых max» В.............
^о,с,с»дВ.............
тйи к^м..............
^пит» В...............
К14ОУД7 К553УД2 К544УД1А
30 20 50
400 300 500
9 10 30
10,5 10 10
70 65 64
2 2 2
15 15 15
Допустимое напряжение питания составляет от 6 до 16,5 В. Потребляе-
мый ОУ ток от источника оперативного тока равен 2—5 мА.
Операционный усилитель К140УД7 выпускается в круглом металло-
стеклянном корпусе, имеющем восемь выводов. Нумерация выводов
начинается со специального выступа на корпусе, рядом с которым рас-
полагается вывод 1. Нумерация выводов ведется по часовой стрелке,
если смотреть на микросхему со стороны выводов. Как используются
выводы, видно из схемы ОУ, показанной на рис. 7, а. Усилитель К553УД2
выпускается в прямоугольном пластмассовом корпусе с 14 выводами.
Нумерация выводов ведется с левого верхнего вывода, расположенного
рядом с круговой меткой на корпусе, в направлении против часовой
стрелки. Использование выводов микросхемы К553УД2 показано на
рис. 7, б. Операционный усилитель типа К544УД1А изготовляется в пря-
моугольном пластмассовом корпусе с восемью выводами. Вид сверху
такого корпуса и схема использования его выводов показаны на
рис. 7, в.
Основные схемы применения серийных операционных усилителей.
Часть аналогичных схем была описана ранее на примере идеальных
усилителей (см. рис. 5). Однако при использовании серийных ОУ пока-
занные схемы нуждаются в некоторых дополнениях. Рассмотрим, чем
вызвана эта необходимость. У реальных усилителей коэффициент уси-
ления имеет весьма большое, но конечное значение в пределах
20—50 тыс. Через входные зажимы в усилитель поступают управляю-
17
2-6985
К553УДг
Балине
</-
И-вход 4- г-
-------ОЧ)
Н-вход 5
12
~Е
‘-пит
7i---
Z о
С*
8
1Q Выпад
-о-----
К5МУД1А
»| I I Is
- 5)
1±
6
7
'• 1 1 '* в)
Рис. 7. Нзначениеи размещение выводов серийных операционных усилителей:
а - К14ОУД7; б - К553УД2; в - К544УД1А
щие токи, значения которых имеют порядок от единиц до сотен нано-
ампер. Между инвертирующим и неинвертирующим входами имеется
разность напряжений, равная UBB1X/Af). Чтобы получить представление
о том, как влияют эти факторы на параметры схем, содержащих реаль-
ные ОУ, определим для схемы рис. 5, б, как изменится коэффициент
усиления неинвертирующего усилителя, если вместо идеального ОУ
применить в ней реальный усилитель с А[) = 20 000.
При использовании идеального ОУ коэффициент усиления такой схе-
мы определяется из выражения К и = + R2)/R1. Примем, что Rl =
= 1 кОм, a R2 =99 кОм. В этом случае Ку = 100. Если для простоты
не учитывать токи, поступающие во входы ОУ, то напряжение
на инвертирующем входе ОУ может быть вычислено по формуле
+^2) = £/Вых/^(Ь причем это напряжение будет иметь
тот же знак, что и управляющее напряжение, поданное на неинвертирую-
щий вход. Чтобы получить на выходе неинвертирующего усилителя
напряжение такой же величины, как и при использовании идеального
ОУ, в нашем случае нужно подать на неинвертирующий вход управ-
ляющее напряжение большого значения, отличающееся от напряжения
инвертирующего входа на С/вых/^D- Для реального ОУ имеем t/BX =
- ^вых/^U + ^вых/^Д- После несложных преобразований можно
получить выражение для коэффициента усиления неинвертирующего
усилителя на реальном ОУ: Кц= UBblx/UBX =AdK[jI(K[j +Л£>). Для
нашего примера К и = 20 000 • 100/ (20 000 + 100) - 99,4, т.е. различие
составляет 0,6 %. Отсюда становится понятным утверждение, что под-
бор параметров схемы на реальных ОУ можно производить с достаточ-
ной точностью по формулам, полученным для схем, собранных на иде-
альных ОУ.
Нулевые токи, поступающие во входы ОУ при отсутствии дифферен-
циального сигнала, не должны вызывать появления напряжения сдви-
га на выходе ОУ. При осуществлении, например, неинвертирующего
усилителя при входном сигнале UBX - 0 это условие не выдерживается.
Ток, поступающий в ОУ через инвертирующий вход, растекается по
резисторам RI и R2, а ток неинвертирующего входа проходит непо-
средственно в нулевую шинку. Падение напряжения от тока инверти-
рующего входа на резисторах Я, и вызывает появление некоторо-
го, хотя и небольшого, выходного напряжения. Чтобы его скомпен-
сировать, достаточно включить в цепь неинвертирующего входа резис-
тор сопротивлением А3 = -Кх/А2 (см. рис. 5, б), что обеспечит равен-
ство потенциалов обоих входов при отсутствии входного сигнала. Та-
кая же компенсация требуется и для схемы инвертирующего усилите-
ля при его выполнении на серийных ОУ. Что касается схемы повтори-
теля напряжения (рис. 5, а), то она остается одинаковой как на иде-
альных, так и на реальных ОУ.
Из-за наличия нулевых токов в ОУ ограничивается наибольшее до-
пустимое сопротивление резисторов, включаемых в цепи обратной
19
связи. Поясним это на примере схемы неинвертирующего усилителя
(см. рис. 5, б). Для исключения влияния нулевых токов на параметры
такого усилителя обычно принимают, что ток в цепи обратной связи
должен быть больше паспортного значения нулевого дифференциаль-
ного тока ОУ в 20 раз при выходном напряжении, равном 0,5 £пиТ.
При осуществлении схемы неинвертирующего усилителя на ОУ типа
К553УД2, для которого паспортное значение Л/вх = 500 нА, значение
тока в цепи должно быть не менее 10 мкА. Исходя из этого значе-
ния тока определяют наибольшее значение суммы сопротивлений
+ R2. Для нашего примера, если напряжение питания равно ± 15 В,
получаем, что максимальное значение + R2 =0,5-15/10“6 =750 кОм.
Минимальное значение + R2 ограничивается допустимой нагрузкой
данного типа ОУ. На практике значение + R2 берут порядка 50—
100 кОм. Аналогично подбирают значение + R2 и для схемы инвер-
тирующего усилителя по рис. 5,в.
Коэффициент усиления для схем рис. 5, б, в в серийных реле защи-
ты принимают в пределах от 10 до 100.
Имеющиеся у реальных ОУ напряжения сдвига нуля и нулевые то-
ки накладывают определенные ограничения на область применения рас-
смотренных схем. В частности, это приводит к сужению диапазона про-
порционального изменения выходного сигнала, в пределах которого
сохраняется линейная зависимость между входным и выходным на-
пряжениями. Как показывают расчеты, нижнее значение входного сиг-
нала должно находиться на уровне 100—200 мВ. Верхнее его значение
ограничивается максимальным ивыхтах> которое при #пит = ± 15 В
равно 10 В. Таким образом, кратность изменения входного сигнала
в этом диапазоне не превышает 50, что не всегда дает возможность по-
лучить нужную характеристику реле. Поэтому в схемах реле защиты
наряду с рассмотренными схемами применяют другие содержащие ОУ
схемы, названные функциональными элементами или решающими уси-
лителями, описание которых дается в § 3.
3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
В КАЧЕСТВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
В данном параграфе описывается работа отдельных элементарных
звеньев, из которых собираются основные узлы реле защиты. Каж-
дое звено предназначается для осуществления одной из частных опера-
ций, присущих данному узлу. В схеме звена может содержаться одна
или несколько микросхем, благодаря которым такие звенья относят
к активным и называют функциональными элементами.
Наряду с функциональными элементами в схемах реле защиты при-
меняют также звенья, не содержащие интегральных микросхем. В от-
личие от функциональных элементов такие звенья называют пассив-
ными.
20
Рис. 8. Отдельные типовые схемы усилителей на реальных ОУ:
а — усилитель-ограничитель; б - сумматор на базе инвертирующего усилителя;
в - дифференциальный усилитель
Остановимся на типовых схемах функциональных элементов, ис-
пользуемых в серийных реле защиты. Большинство из них заимство-
вано из схем, используемых в измерительной технике и промышлен-
ной автоматике.
К числу наиболее часто применяемых функциональных элементов
следует в первую очередь отнести схемы усилителей, содержащих ОУ.
Среди них можно указать уже известные из предыдущего параграфа
схемы неинвертирующего и инвертирующего усилителей, изображен-
ные на рис. 5, б, в. Широко применяют также повторители напряжения,
показанные на рис. 5, а.
Наряду с ними довольно часто в реле защиты применяют усилители
с ограничением уровня выходного напряжения, называемые сокращен-
но усилителями-ограничителями. Ограничения достигают за счет вклю-
чения параллельно сопротивлению обратной связи двух встречно вклю-
ченных стабилитронов (рис. 8, а). При подъеме выходного напряже-
ния более t/CT + 0,7 В сопротивление обратной связи шунтируется и
рост {7ВЫХ прекращается. Здесь UcT — напряжение пробоя стабилитро-
на, а 0,7 В — падение напряжения на стабилитроне в прямом, диодном
направлении.
Часто используют схемы сумматоров напряжения на ОУ. Один из
вариантов схемы сумматора с тремя входами, выполненный на осно-
ве инвертирующего усилителя, показан на рис. 8, б. На инвертирующий
вход подаются складываемые напряжения через индивидуальные ре-
зисторы R1 —R3. По этим резисторам протекают токи Д = ^Вх1/^1>
= Цвх 2 /Т?2 и 13 = [7вх3/А3.По резистоту обратной связи R4 прохо-
дит ток /4, равный сумме этих токов. Полагая, что напряжение в сум-
мирующей точке равно нулю, получаем, что выходное напряжение
^вых ~ I4R4 =~ (^ВХ1/^1 ^ВХ2 / ^2 ^Вхз/^з)^4' При R j
21
выходное напряжение будет пропорционально сумме входных напря-
жений. Сумматоры обладают малым собственным потреблением и по-
зволяют поднять значение суммы напряжений до желаемого уровня.
Они успешно используются в схемах формирователей сигналов, фильт-
ров симметричных составляющих и для сравнения мгновенных или
средних значений подаваемых напряжений.
К числу типовых относится также схема дифференциального усили-
теля, показанная на рис. 8, в. Для того чтобы эта схема осуществляла
фукнцию усилителя разности входных напряжений С/вх2 - ^вх1»нУЖ-
но, чтобы R2/Ri = R4/R3. Действительно, если UBx2 = 0, то схема
работает как обычный инвертирующий усилитель Евых = — Егвх
Если t/BXl = О, то при напряжении на неинвертирующем входе U+ =
= Ubx2R4/(*з + Я4) ДДЯ неинвертирующего усилителя имеем С/Вых =
= U+ (1 +R2/R1) = UBx2 [R4/(R3 + Я4)] (1 + Я2/Я1). Но, как следует
из сказанного выше, R4/(R3 + Я4) = R2/(R1 + R2)- И тогда С/Вых =
= №x2^2/(^i + R2)]/[Ril(Ri +Я2)] = t/BX2Rz/Ri-Если на схему
подать одновременно L/Bxl и t/BX2> то получим выходное напряжение
^вых =-С/вх1^1 + ^BX2*2/*i = (Vbx2 — ^вх1)^г/^1-
Таким образом, данная схема обеспечивает усиление разности вход-
ных напряжений. Дифференциальный усилитель применяется также в
качестве основы для получения схем различных сумматоров-вычита-
телей.
Рассмотрим еще несколько схем применения серийных ОУ.
Компараторы представляют собой схемы, обеспечивающие сравне-
ние двух входных напряжений. Напряжение на выходе компаратора
скачкообразно изменяется, когда одна из сравниваемых величин ста-
новится больше другой.
В реле защиты широко используются компараторы, в которых од-
ной входной величиной является опорное напряжение заданного зна-
чения, а другой — напряжение, пропорциональное измеряемому напря-
жению или току, которое поступает от соответствующих датчиков.
Компараторы используются также в качестве нуль-индикаторов.
В них один из входов компаратора заземляется и скачкообразное изме-
нение выходного напряжения происходит при переходе измеряемого
сигнала через нулевое значение. Одна из типовых схем компаратора
показана на рис. 9, а. На вход 1 подается измеряемый сигнал, а на
вход 2 — опорное напряжение. Пока измеряемое напряжение меньше
опорного, на выходе ОУ держится максимальное выходное напряжение,
совпадающее по знаку с опорным. Как только измеряемое напряже-
ние станет больше опорного примерно на величину, равную свойствен-
ному данному ОУ напряжению суммирующей точки, выходное напря-
жение немедленно изменит свой знак на противоположный, сохранив
максимальное значение. Диоды VD1 и VD2 защищают входы ОУ от по-
вышенных значений дифференциального напряжения.
22
Рис. 9. Компаратор на реальных ОУ;
а - однопороговый для однополярных сигналов; б - однопороговый для
разнополярных сигналов; в - двухпороговый компаратор; г - инвертирующий
триггер Шмитта; д - передаточная характеристика триггера Шмитта
Если нужно ограничить выходное напряжение определенным уров-
нем, то в цепи обратной связи устанавливают два стабилитрона, вклю-
ченных встречно.
Другая типовая схема компаратора, называемого еще суммирую-
щим, показана на рис. 9, б. Компаратор применяется для сравнения
разнополярных напряжений, подаваемых на его входы, при этом вход-
ные напряжения могут быть весьма большими. Изменение знака выход-
ного напряжения происходит при переходе напряжения, приходящего
на инвертирующий вход, через нулевое значение. Описанные компара-
торы получили наименование однопороговых.
Схема двухпорогового компаратора показана на рис. 9, в. При
отсутствии входного сигнала диоды VD1—VD4 открыты за счет проте-
кания по ним тока от источников питания ± 15 В. Потенциалы узлов
моста, примыкающих к инвертирующему входу и выходу ОУ, одина-
ковы, при этом сопротивление в цепи отрицательной обратной связи
настолько мало, что коэффициент усиления схемы близок к нулю.
Выходное напряжение держится на уровне прямого падения напряже-
ния на диодах VD1-VD4. При появлении входного сигнала по диодам
23
VD1— VD4 начинают протекать дополнительные токи. Если Е/вх положи-
тельно, то эти токи, проходя по диодам VD1 и VD4, будут направлены
навстречу току, идущему от источника питания, и будут вычитаться из
него, а при протекании этих токов через диоды VD2 и VD3 их направле-
ние будет совпадать с током от источника питания, и эти токи сложатся.
При некотором значении Е/вх, называемым пороговым, диоды VD1
и VD4 закроются. Это приведет к резкому возрастанию сопротивления
обратной связи и соответственно к появлению максимального значе-
ния Е/вых. При отрицательном входном напряжении схема работает
аналогично, только знак выходного напряжения будет противополож-
ным. Подбором сопротивлений Ry —R3 можно регулировать уровень
порогового напряжения. Рассмотренная схема обладает повышенной
помехоустойчивостью.
Триггер Шмитта представляет собой компаратор с одним заземлен-
ным входом, заданным опорным напряжением и положительной обрат-
ной связью. Благодаря ей изменение знака выходного напряжения и
обратный переход в начальное состояние происходит при разных уров-
нях входного напряжения.
Зависимость Е/вых от UBX приобретает форму прямоугольной пет-
ли гистерезиса. Рассмотрим, как работает одна из распространенных
схем — инвертирующий триггер Шмитта со смещенной характеристи-
кой, изображенный на рис. 9, г. Для того чтобы срабатывание и воз-
врат триггера происходили при изменениях входного напряжения од-
ного знака, на его инвертирующий вход подается отрицательное напря-
жение смещения — Е/см. При отсутствии Е/вх на инвертирующий вход
ОУ поступает отрицательное напряжение, равное Uy =—UCM —----— ,
R j + R 2
при этом выходное напряжение имеет максимальное положительное
значение, а на неинвертирующем входе держится положительный по-
7?3
тенциал и2 ~ + ^вых max ------ • Для переключения схемы нужно
R3 + Ra
повысить входное напряжение до положительного значения, обеспе-
чивающего превышение потенциала иг над и2. Это выходное напряже-
ние можно представить в виде суммы двух слагающих. Одна из них —
это входное напряжение, при котором и у становится равным нулю:
^вх.нач = Ц;м —а вторая — это часть входного напряжения, на ко-
R 2
торую его нужно поднять дополнительно, чтобы потенциал щ достиг
имеющегося на неинвертирующем входе потенциала м2
, 7? j + 7? 2 7? з R у + R 2
^вх = м2 = ^вых max ~~
R 2 7?3 + R 2
24
Рис. 10. Двухпопупериодный
прямитель на реальных ОУ
Отсюда следует, что для действия триггера Шмитта входное напряжение
должно стать больше
t К1 * з
^вх.сп= ^вх.нач + f/вх = ^см + Цвыхлиях “ -
R3 + Т?4 У?2
Для возврата триггера в исходное состояние входное напряжение нужно
снизить до значения £/Вх,нач - ^вх- На рис. 9,д приведена передаточная
характеристика такого триггера Шмитта. Она имеет четко выраженный
’’релейный” характер. Поэтому такие триггеры часто используют в ис-
полнительной части реле. Применяют их также для преобразования си-
нусоидальных напряжений в прямоугольные, особенно при искаженной
форме кривой напряжения. Существуют и другие схемы исполнения
триггеров Шмитта, на которых мы останавливаться не будем, чтобы не
повторяться.
Выпрямители на операционных усилителях применяют в тех случаях,
когда нужно обеспечить выпрямление с точным сохранением формы
кривой выпрямленного сигнала. В качестве примера рассмотрим одну
из часто встречающихся схем.
Двухполупериодный выпрямитель, воспроизводящий с большой точ-
ностью каждый из двух полупериодов выпрямленного напряжения
переменного тока, показан на рис. 10. Благодаря тому, что диоды
VD1 и VD2 включены в цепь обратной связи операционного усилителя
А1, падение напряжения на них не сказывается на форме выходного
напряжения, что позволяет без искажений выпрямлять напряжения,
измеряемые единицами милливольт. Все сопротивления, установлен-
ные в схеме, имеют одинаковые значения.
При поступлении на схему положительной полуволны выпрямляе-
мого напряжения на выходе появляется напряжение отрицательного
знака того же значения, так как при этом открывается диод VD1, и об-
ратная связь осуществляется через резистор R2. Первый каскад рабо-
тает как инвертирующий усилитель с Ку = 1. Поступая во второй кас-
кад на операционном усилителе А2, у которого неинвертирующий вход
находится под потенциалом суммирующей точки А1, близким к нулю,
зго напряжение инвертируется. На выходе схемы получается напряже-
ние, совпадающее по знаку и по значению со входным.
25
Когда на схему приходит отрицательная полуволна измеряемого
напряжения, режим обратной связи первого каскада изменяется. Диод
VD1 закрывается, открывается диод VD2, и обратная свзяь проходит
параллельно через R3 и сумму сопротивлений R2 и R4, объединенных
в суммирующей точке А2. Коэффициент усиления первого каскада
становится равным R3 (R2 + R^/Ri (R2 +Я3 +R4), что при одинако-
вых значениях этих сопротивлений составляет 2-1/(1+2) = 2/3. На-
пряжение на выходе А1 имеет положительный знак и равняется 2/3
входного. Режим второго каскада становится другим. Его инвертирую-
щий вход оказывается связанным с суммирующей точкой А1, имею-
щей потенциал, близкий к нулю, через резисторы R2 и R4. На неин-
вертирующий вход А2 приходит положительное напряжение с выхо-
да А1. Второй каскад будет работать в этом случае как неинвертирую-
щий усилитель с коэффициентом усиления 1 +Rs!(R2 + /?4). Так как
все резисторы одинаковы, то его значение будет равняться 3/2. Коэф-
фициент усиления схемы для положительных входных напряжений
получается равным К и = 2/3-3/2 = 1. Таким образом, схема обеспечи-
вает выпрямление входных сигналов без искажения как положитель-
ных, так и отрицательных полуволн.
Интеграторы, выполненные на ОУ, часто применяются в схемах реле
защиты. Они используются при осуществлении различных фильтров,
а также в элементах, реагирующих на среднее значение поступающе-
го сигнала.
Интегрирование в геометрическом понятии представляет собой из-
мерение площади, заключенной между двумя перпендикулярами,
опущенными в начале и конце отрезка сложной кривой, и ограничен-
ной самой кривой и ее проекцией на ось х. Операция интегрирования
Ъ
записывается в виде f f(x)dx, где а и Ъ — координаты начала и конца
а
проекции отрезка кривой на ось х.
Полной электрической аналогией процесса интегрирования является
суммирование мгновенных значений переменного напряжения в задан-
ном интервале времени.
Простейший интегратор на операционном усилителе изображен на
рис. И, а. В электротехнике емкость С измеряется как отношение
q/U, где q — электрический заряд. Отсюда q = CU. Ток z’c через ем-
кость С определяется как изменение заряда q в единицу времени ~
= dqf dt. Учитывая сказанное выше, получаем = C(dU/dt).
Полагая, что схема интегратора выполнена на идеальном ОУ, мы
можем принять, что напряжение в суммирующей точке Up - 0. Так как
неинвертирующий вход заземлен, то и потенциал инвертирующего
входа можно считать равным нулю. Током, входящим в инвертирую-
щий вход, можно также пренебречь и считать, что токи через сопротив-
ление R и емкость С одинаковы, т.е. ir = ic- Приняв эти предположе-
26
Рис. 11. Интегратор на ОУ:
а — схема интегратора на идеальном ОУ; б — характеристики интегратора при
входном сигнале постоянного значения; в — характеристики интегратора при
входном периодическом сигнале прямоугольной формы; г — схема интегратора
на реальном ОУ
ния, можем записать, что iq = IR = Ubx/R- Таким образом, с одной сто-
роны, благодаря наличию ОУ, ток заряда емкости не зависит от напря-
жения на ней и этим предопределяется способность схемы к выполне-
нию операции интегрирования, с другой стороны, Up =—t/вых, и тогда
i'c =~C(dUBUx/dt). Учитывая предыдущее CidL'^ux/df) = Ubx/R ~
1 t2
- 1r- Откуда dUBUx(Uvx/RC)dt или t/вых f Ubxdt. Ha
/?c fi
рис. 11, б, в показано, как выглядят выходные сигналы интегратора
при подаче на его входы ступенчатого сигнала и колебаний прямо-
угольной формы.
При выполнении интегратора на серийных ОУ схема рис. 11, и тре-
бует некоторых дополнений. Это вызвано тем, что у реального усилите-
ля может наблюдаться некоторый сдвиг выходного напряжения и имеют-
ся токи смещения, под действием которых может происходить заряд
емкости при отсутствии входного сигнала. Для исключения влияния
этих факторов параллельно емкости С включают резистор обратной
27
&Вых I \
D -
A
Рис. 12. Дифференциатор на ОУ;
а - принципиальная схема; б - характеристики дифференциатора при вход-
ном сигнале треугольной формы; в - характеристики дифференциатора при вход-
ном сигнале прямоугольной формы
связи R2 с большим сопротивлением, а неинвертирующий вход соеди-
няют с нулевой шинкой через резистор R3, значение которого равно
сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений в цепи инвер-
тирующего входа и в цепи обратной связи, т.е. R3= RrR2 l(Rt + R2)
(рис. 11, г). Ключ К нужен для разряда емкости перед повторным вклю-
чением интегратора.
В схемах интегратора рекомендуется применять ОУ с большим вход-
ным сопротивлением, например К544УД1А. Кроме того, должны при-
меняться добротные конденсаторы с очень малыми токами утечки.
Дифференциаторы — это схемы, напряжение на выходе которых про-
порционально скорости изменения входного напряжения. Для этой це-
ли они и используются в схемах реле защиты. Применительно к идеаль-
ным ОУ дифференциатор может быть представлен схемой, показанной
на рис. 12, а. Так как на входе ОУ стоит емкость С, то входной ток та-
кой схемы равен zBX = С (dUBX/dt), при этом на выходе ОУ получается
напряжение ?/вых =—iBXR =—CR(dUBX/dt). На рис. 12, б показано,
какое получается напряжение на выходе дифференциатора при подаче
на его вход треугольного сигнала, а на рис. 12, в приведены аналогичные
графики для случая подачи на его вход прямоугольного сигнала. Эту
схему применяют сравнительно редко из-за низкой помехоустойчивос-
ти, трудно поддающейся устранению.
Активные фильтры довольно часто используются в реле защиты.
Они представляют собой функциональные элементы, в которых в ка-
честве частотно-избирательных звеньев используют резисторно-кон-
денсаторные ДС-цепочки, а в качестве активного звена — операционный
усилитель. Благодаря наличию ОУ такие фильтры называют активными.
28
В отличие от них фильтры, содержащие только резисторы, конденсаторы
и индуктивности, называют пассивными. По сравнению с последними
активные фильтры имеют меньшие габариты и потребление, особенно
при работе на частотах ниже 0,5 МГц.
Из других достоинств активных фильтров следует отметить, что
они просты в изготовлении и При настройке, не содержат нелинейных
элементов в виде индуктивностей, обеспечивают при необходимости
усиление выходного сигнала и хорошее согласование с входными и вы-
ходными цепями. Они имеют небольшие размеры и массу. К недостат-
кам активных фильтров можно отнести необходимость источника пи-
тания и ограничение диапазона рабочих частот несколькими мегагерца-
ми. В применении к реле защиты эти недостатки существенного значе-
ния не имеют.
Активные фильтры могут использоваться как фильтры нижних час-
тот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (селективные)
фильтры (ПФ, СФ) и заграждающие (режекторные) фильтры (ЗФ, РФ),
называемые еще фильтрами-пробками. На рис. 13 показаны пример-
ные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) таких фильтров,
представляющие собой зависимость выходного напряжения фильтра
^вых от частоты подаваемого входного напряжения.
На каждой из показанных характеристик фильтров могут быть вы-
делены три определенные полосы частот: полоса пропускания а, где
выходное напряжение имеет наибольшее значение, полоса запирания
или подавления в, где выходное напряжение доходит до минимума,
и промежуточная или переходная полоса б. Последняя — это интер-
вал частот, в пределах которого значение выходного напряжения изме-
няется от максимального до минимального. Чем уже переходная поло-
са, тем ближе характеристика фильтра к идеальной. Для ФНЧ первой
границей полосы пропускания считается частота, при которой выход-
ное напряжение фильтра становится ниже 0,707 его наибольшего зна-
чения в полосе пропускания. Эту частоту называют частотой среза f
Частотой запирания, иногда называемой частотой подавления или час-
тотой ослабления и являющейся второй границей переходной полосы,
считается частота flt при которой значение выходного напряжения
спадает ниже 0,3 максимального. Для ФВЧ понятия /с и аналогичны.
Для полосовых фильтров характерны граничные частоты полосы про-
пускания Д и/2 и полосы заграждения //и/г- Заграждающие фильтры
характеризуются полосой запирания в интервале частот от f\ до f2,
в пределах которой выходное напряжение имеет значение ниже 0,707
выходного напряжения за ее пределами. Средней или рабочей частотой
полосовых и заграждающих фильтров считается частота fQ = V/i/Г •
В литературе часто определяют границу переходной полосы с по-
мощью единицы затухания децибел (дБ). Эта граница определяется
по Формуле а = 20 1g (1/с/ итах). Тогда на частоте среза получаем а =
= 20 1g0,707 =10 lg2=3 дБ.
29
Рис. 13. Амплитудно-частотные характеристики активных фильтров
Кроме амплитудно-частотных характеристик для анализа работы
фильтров строят также фазо-частотные характеристики (ФЧХ), пред-
ставляющие собой зависимость угла между векторами входного и вы-
ходного напряжений от частоты.
При построении АЧХ и ФЧХ фильтров пользуются обычно полуло-
гарифмической шкалой для осей координат. Это позволяет получать
30
данные об изменении напряжений непосредственно в децибелах. В ка-
честве одного из основных параметров служит величина затухания
коэффициента усиления фильтра, выраженная в децибелах при изме-
нении частоты относительно /0 в 2 раза (на октаву) или в 10 раз (на
декаду).
В настоящее время разработанао много различных схем активных
частотных фильтров.
Из большого числа таких схем наиболее приемлемыми для исполь-
зования в реле защиты оказались активные фильтры второго порядка,
в которых содержится два ЯС-звена. Такой выбор обусловлен тем,
что для обеспечения правильной работы реле требуется, чтобы переход-
ные процессы в фильтрах не вызывали заметных задержек в срабаты-
вании реле, когда возникают условия для его действия. Это возмож-
но, если переходные процессы в отдельных контурах имеют одинако-
вые постоянные времени. При колебательном характере переходного
процесса нужно, чтобы частота колебаний была близка к промышлен-
ной. Как показали исследования, приемлемый характер переходного
процесса легче достигается в фильтрах второго порядка.
В серийных реле защиты, выпускаемых в настоящее время, при-
меняют активные частотные фильтры второго порядка, собранные по
схеме с многопетлевой отрицательной обратной связью (МОС).
На рис. 14 представлены соответственно схемы фильтра нижних
частот (рис. 14, с) и полосового фильтра (рис. 14, б) с МОС.
Отношение амплитуды выходного напряжения любого фильтра к
амплитуде входного напряжения определяется из выражения, отражаю-
щего зависимость этого отношения от частоты подаваемого сигнала.
Это выражение называют передаточной функцией фильтра. В общем
случае передаточная функция активного частотного фильтра второго
Рис. 14. Схемы активных 7?С-фильтров:
о ~ ФНЧ второго порядка с МОС; б — ПФ второго порядка с МОС
31
порядка имеет следующий вид:
^ВЫХ _ P(s)
2 ’
t/вх s + bys + Ci
где s =/ co, P(s) — уравнения не выше второго порядка, характерные
для данного вида фильтра; Ьг и сг — постоянные числа.
В связи со сложностью теории фильтров при дальнейшем изложении
все формулы даются без теоретических выкладок.
В указанном общем выражении собственная частота фильтра опреде-
ляется как сор = y/~Ci, а добротность — как Qp = xTc^/bi, т.е. =
= Чо/2р*
Фильтр нижних частот показан на рис. 14, а. Действительно, если
частота поданного на фильтр сигнала намного меньше /с, то реактив-
ное сопротивление конденсаторов С1 и С2 значительно превышает сопро-
тивление резисторов R1-R3, при этом коэффициент усиления фильтра
практически равен К =—R2/Ri. По мере увеличения частоты реактив-
ное сопротивление С2 падает, вызывая понижение уровня сигнала,
поступающего на вход ОУ. Одновременно снижается и коэффициент
усиления за счет уменьшения реактивного сопротивления конденсато-
ра С1 в цепи обратной связи ОУ. При увеличении частоты входного сиг-
нала выше fc этот процесс нарастает. Ширина переходной полосы та-
кого фильтра зависит от подбора установленных в нем резисторов и
конденсаторов.
Описываемый ФНЧ имеет следующую передаточную функцию:
^ВЫХ _ R b I с
Ubx s2 + biCVc S + CiWq
По сравнению с приведенным выше общим выражением для переда-
точной функции фильтра в нее введена постоянная величина — круго-
вая частота среза сос. Коэффициент и сг — это постоянные числа,
от значения которых зависит форма АЧХ фильтра данного типа. Так,
амплитудно-частотная характеристика ФНЧ, имеющая форму, подоб-
ную показанной на рис. 13, имеет значение Ьг =у/2'= 1,412214 и Cj =1.
Такой фильтр относится к фильтрам типа Баттерворта (по фамилии
автора, разработавшего теорию этих фильтров). Затухание С/ВЬ1Х/ ^вх
в переходной полосе у описываемого фильтра в 2 раза больше, чем у
простейшего ФНЧ, и равно 12 дБ на октаву или 40 дБ на декаду.
В серийных реле фильтры типа Баттерворта применяются редко
из-за сравнительно широкой переходной полосы. В них обычно исполь-
зуют фильтры типа Чебышева, являющегося автором теории фильтров
этого типа. АЧХ этих фильтров в полосе пропускания имеют чередую-
щиеся подъемы и спады, число которых зависит от порядка фильтра.
Их еще называют равноволновыми фильтрами. У фильтра Чебышева
32
Рис. 15. АЧХ активных фильтров второго порядка с МОС:
а - ФНЧ; б—ПФ
второго порядка имеется только один подъем с максимумом вблизи
границы полосы пропускания. На рис. 15, а изображена АЧХ фильтра
нижних частот типа Чебышева второго порядка с МОС. На этом ри-
сунке
&т 2 t?i К/ b i \/ 4сi b! f т ~f с & 1 /2»
Кс = Kci \/ (<?i -I)2 +Ь2г .
Ширина переходной полосы у фильтров Чебышева значительно уже,
чем у фильтров Баттерворта. Размах пульсаций АЧХ фильтров Чебы-
шева зависит от значений коэффициентов и Ср Размах не должен
превышать 3 дБ. Для фильтров Чебышева второго порядка, выполнен-
ных по схеме с МОС, коэффициенты Ьх и t?i имеют следующие значения:
Размах пульсации 0,1 0,5 1,0 2,0 3,0
bi. . . . .... 2,37 1,43 1,1 0,8 0,64
. . . . .... 3,3 1,52 1Д 0,52 0,71
Фильтр, изображенный на рис. 14, а, является инвертирующим, и
поэтому его коэффициент усиления, равный при со = 0 отношению
К -—Rz/Ri, имеет отрицательное значение. Зная сос и задаваясь ем-
костью конденсатора С2, которая берется близкой к 10//с (мкФ),
подбирают емкость С1 такой, чтобы она не превышала значения Cj =
= 61С2/[4с1(^ + 1)] . Затем находят величину
R2 = __ 2(АГ + 1)__________________________
ь 1С2 + с2 -4С! С2С1 (К + 1) сос
3-6985
33
затем - R2/К и R3 = l/c1C^C2ca2R2. В формулах для ре-
зисторов значения емкостей должны подставляться в фарадах. При окон-
чательном выборе конденсаторов и резисторов можно брать значения,
пропорциональные расчетным, — для резисторов в прямом отношении,
а для емкостей — в обратном, одинаковом для тех и дня других. Необ-
ходимо иметь в виду, что дня обеспечения качественной работы фильт-
ров значения сопротивлений применяемых в них резисторов и конден-
саторов не должны отличаться от расчетных более чем на 1—2 % и иметь
высокую стабильность при изменении температуры в пределах рабо-
чего диапазона. Разумеется, что в фильтрах нужно применять безын-
дукционные резисторы и конденсаторы.
Если возникает необходимость получить фильтр более высокого
порядка, чем второй, его собирают из описанных выше отдельных звень-
ев первого и второго порядков.
Полосовой фильтр второго порядка с МОС показан на рис. 14, б.
Он обладает передаточной функцией следующего вида:
^вых _ Kugs/Q
t/вх s + (a?o/Os +
где соо = 2тт/0 — рабочая круговая частота; Q — добротность, опреде-
ляемая из отношения Q = fol(fг - fi)’, fi и Л - значения частот, при
которых значение выходного сигнала ниже сигнала на рабочей часто-
те со о на 3 дБ, т.е. равно 0,707 его значения.
При расчете фильтров Q берется ниже 10, а коэффициент усиления
К — не более нескольких единиц. Затем определяют - 1О//о, мкФ.
Емкость С2 выбирают, чтобы С2 > Q (К/Q1 —1). Если отсутствуют
особые требования, емкость С2 можно принять равной С1, что упроща-
ет дальнейшие расчеты. После этого находят R! ~Кыр Сд
к2 = -----2-----------_---- и R3 = — (1/C, + 1/G).
[Q2 (Ci + С2) + fj/C] Wo wo
В этих формулах все емкости нужно подставлять в фарадах, тогда все
сопротивления получатся в омах.
Амплитудно-частотная характеристика рассматриваемого фильтра
изображена на рис. 15, б. Если Q = С2 =С, то при известных данных
конденсаторов и резисторов рабочую частоту такого фильтра можно
найти из выражения
1 / Я1 + R2
fa — __£__ / __________
2irC у/ Ri + R2R3
Остановимся еще на работе схемы более сложного, заграждающего
фильтра, получившего название двойной Т-образный фильтр-пробка.
34
Рис. 16. Двойной Т-образный фильтр-пробка:
а — принципиальная схема; б — векторная диаграмма
Эти фильтры часто используются в сочетании с операционными усили-
телями. Схема фильтра показана на рис. 16, а. Сопротивления резис-
торов R1 и R2 берутся равными по значению, т.е. =Z?2= R,z R3 =
=R!'l. Емкости конденсаторов и С2 равны, т.е. Ci =С2 =С, а С3 ~2С.
Рассмотрим, как. работает такой фильтр, если на его входные зажи-
мы подано синусоидальное напряжение с частотой, равной рабочей или
резонансной частоте фильтра /р. Так как рассматриваемый фильтр яв-
ляется заграждающим, то его выходное напряжение на частоте резо-
нанса должно быть равно нулю, при этом токи через R2 и С2 должны
быть равны по значению и противоположны по направлению. Тогда
/вых будет равно нулю, что соответствует ЯВых = 00. Найдем, чему
в этом случае будут равняться напряжения в узлах 1 и 2 схемы фильт-
ра. Полагая, что U3 = ?7Вых = 0, составляем уравнения для токов в уз-
лах 1-3. При показанных на рис. 16, а направлениях токов получаем
узел 7:
Цвх - Ux Ux Ux
------ -Л - ~_ = 0;
R2 ХСз
узел 2:
—вх - Иг LL?. U.2
—z---------— - —= °;
узел 3:
35
Рис. 17. Элемент задержки на ОУ:
а — принципиальная схема;
б — временная характеристика
Выризим значения сопротивлений через исходные А и С и после не-
сложных преобразований получим, что Ux =-U2 cocRC. Так как в ус-
ловиях резонанса модули Ux и U2 равны друг другу, то RC = 1 и сос =
= IjRC или /с = 1[2ttRC, при этомС^ их модуль | Ux | - | U2 | =
У----------Г1 -ЛК 2 —^2 I----------1
2у/1+ ы2 R2C2 2\Jl+ Ы2 R2 С2
v с с
Векторная диаграмма двойного Т-образного фильтра для частоты
/о показана на рис. 16, б.
Подробные сведения по активным частотным фильтрам можно по-
черпнуть из литературы [6].
В заключение остановимся на схеме элемента задержки, выполнен-
ного на ОУ (рис. 17, а). На вход схемы поступает сигнал с выхода преды-
дущего каскада, выполненного также на ОУ. В исходном состоянии
этот сигнал имеет максимальное отрицательное значение. Диод VD
открыт, и на конденсаторе С удерживается такое же напряжение. На
верхнем графике рис. 17, б показано изменение падения напряжения
на зарядном сопротивлении R2, начиная с момента перемены знака
напряжения на выходе предыдущего каскада. Этот момент соответ-
ствует началу перезаряда конденсатора С, когда на нем еще удержи-
36
вается исходное отрицательное напряжение. Перезаряд конденсатора
идет с постоянной времени, определяемой произведением R2C. Когда
напряжение на конденсаторе перейдет через нулевое значение, знак
дифференциального сигнала на входе ОУ изменится, и его выходное
напряжение скачком приобретет максимальное положительное значе-
ние, что соответствует срабатыванию элемента задержки. Так как это
действие происходит на линейной части характеристики перезаряда
конденсатора С, разброс во времени срабатывания элемента получа-
ется очень небольшим и этим обеспечивается высокая точность его рабо-
ты. Сопротивление резистора R1 берется небольшим, так как он служит
только для ограничения тока разряда конденсатора, не вызывая замет-
ного увеличения времени возврата элемента.
Отметим, что описанные схемы охватывают только наиболее часто
встречающиеся варианты использования типовых схем применения
ОУ в реле защиты.
С учетом рассмотренных схем можно облегчить себе восприятие дру-
гих схем, не попавших в данную книгу. Более подробно схемы с ОУ,
используемые в релейной защите, рассматриваются в [5, 7 и 8].
4. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
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:
WZ — узел питания; У И — узел измерения; УФ - узел формирования; УС —
Узел сравнения (ПЧ - преобразующая часть, СС - схема сравнения, ИЧ — испол-
нительная часть) ; У В — узел выхода
37
узел формирования (УФ), в котором получают из поступающих вход-
ных 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 опера-
тивного тока защищаемого объекта стабилизированных напряжений
постоянного тока, требующихся для работы интегральных микросхем
и исполнительного выходного реле. Для каждого типа реле указыва-
ется, к какому источнику оперативного тока оно должно подключаться.
Содержащиеся в УИ измерительные преобразователи (датчики)пред-
ставляют собой промежуточные трансформаторы или трансреакторы,
предназначенные для отделения полупроводниковой части реле от вто-
ричных цепей защищаемого объекта. Одновременно эти преобразовате-
ли служат для трансформации токов и напряжений. Уровень трансфор-
мированных сигналов выбирается по условиям управления операцион-
ными усилителями.
Число датчиков определяется схемой реле. В токовых реле приме-
няют один или несколько датчиков тока, а в реле напряжения — соот-
ветствующее число датчиков напряжения.
В реле сопротивления и в реле направления мощности устанавлива-
ют 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 поступаю-
щих сигналов, а в четвертых, наиболее сложных — это создание не-
скольких сравниваемых напряжений, полученных путем суммирования
и сдвига по фазе трансформированных сигналов, пропорциональных
поданным на вход реле токам и напряжениям. Кроме того, в узле фор-
мирования производится при необходимости подавление или выделе-
ние отдельных гармоник в сформированных сигналах. Для этой цели
используют преимущественно различные фильтры низших и высших
частот. Подробно работа применяемых фильтров приведена ниже в дан-
ном параграфе при описании отдельных узлов реле.
38
Узел сравнения может быть представлен состоящим из трех частей.
В преобразующей части узла сравнения осуществляется превращение
поступающих из узла формирования синусоидальных или выпрямлен-
ных 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 сиг-
налы 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 уста-
новленного уровня или продолжительности. В качестве сигнала задан-
ного уровня чаще всего используется напряжение постоянного тока
стабильного значения, названное опорным С/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 срав-
нения. Применяется несколько вариантов схем сравнения сигналов по
продолжительности, в том числе такие, где сравниваемый сигнал пред-
варительно проходит операцию интегрирования. Различие в вариан-
тах схем сравнения сигналов по длительности обусловливается задачей
получения требуемой характеристики реле. Как будет показано ниже,
задача сравнения сигналов по значению может осуществляться в пре-
образующей части узла.
Схемы сравнения, в которых происходит сравнение входных сигна-
лов 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, соответству-
ют условиям его срабатывания. Обычно она представляет собой усили-
тель 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 отдель-
ных 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 специаль-
ный экран, помещаемый между первичной и вторичной обмотками
входного трансформатора датчика. Экран представляет собой однослой-
ную обмотку, соединенную с нулевой шинкой реле.
39
Рис. 19. Датчики тока и напряжения:
а — датчик тока с выпрямителем; б - датчик тока со ступенчатой регулиров-
кой выходного сигнала; в — датчик тока с делителем выходного сигнала; г — дат-
чик тока с трансреактором и выпрямителем; д — датчик напряжения с фаэопово-
ротной схемой; е - датчик напряжения со ступенчатой и плавной регулировкой
выходного напряжения
Нагрузкой измерительных преобразователей служит соответствен-
но подобранные резисторы. Падение напряжения, снимаемое с резисто-
ра, 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 двухпол у периодный выпрямитель
(рис. 19, а).
40
Для сложных реле применяют датчики тока с несколькими ступе-
нями регулировки с помощью резисторов, подсоединяемых через пере-
ключатели (рис. 19, б) ко вторичной обмотке датчика. Выходное на-
пряжение такого датчики снимается с делителя напряжения на резисто-
рах. Средняя точка делителя связана с нулевой шинкой, что позволяет
получать напряжения разного знака относительно нуля реле. Ееще один
вариант датчика тока, обеспечивающий возможность регулировки сни-
маемого с него напряжения с помощью отпаек, показан на рис. 19, в.
Схема датчика тока для реле дифференциальной защиты трансфор-
маторов и двигателей, в котором применен трансреактор, показана на
рис. 19, г. Выходное напряжение трансреактора пропорционально пер-
вой производной входного тока. За счет этого обеспечивается исключе-
ние медленно затухающей апериодической слагающей и усиление со-
ставляющих высших гармоник в получаемом выходном напряжении.
Конденсатор С1 поставлен для подавления помех, имеющих частоту
500 Гц и выше.
В составе датчика напряжения имеется промежуточный трансформа-
тор, ко вторичной обмотке которого подсоединяется схема преобразова-
ния входного напряжения, требующаяся для данного исполнения реле.
В серийных реле напряжения применятеся датчик, подобный показан-
ному на рис. 19, а, но только с одной первичной обмоткой, последова-
тельно с которой включается добавочное сопротивление. У сложных
реле во вторичную цепь датчика напряжения при необходимости может
включаться фазоповоротная схема (рис. 19, д') .
Там, где требуется осуществить регулировку выходного напряже-
ния датчика в широких пределах, вторичная обмотка промежуточного
трансформатора выполняется с отпайками и соответствующим пере-
ключателем для грубого подбора ступеней регулировки. Кроме того,
для плавного изменения напряжения на выходе датчика ставится дели-
тель напряжения на резисторах. Один из резисторов снабжается движ-
ком для точной установки требуемого напряжения (рис. 19, е).
Наряду с рассмотренным выше активным ПФ в узлах формирования
защиты применяют активные полосовые фильтры-сумматоры, имею-
щие 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 соответствую-
щие 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 переход-
ные процессы в фильтре проходят с частотой, равной рабочей, чем гаран-
тируется требуемое быстродействие реле. Применяются такие фильтры-
сумматоры главным образом в реле сопротивления. Для ограничения
41
I)
Рис. 20. Схема с применением двойного Т-мосга:
а - фильтр-сумматор; б - амплитудно-частотная характеристика фильтра-
сумматора; в — запирающий фильтр
выходного сигнала в цепь ООС параллельно Т-мосту подключают ре-
зистор или специальный контур. На рабочей частоте полное сопротив-
ление контура равно сопротивлению Т-моста. Этим обеспечива-
ется неизменный сдвиг фаз между входным и выходным напряжения-
ми сумматора при любых значениях входного сигнала.
Между входами ОУ устанавливают диоды, включенные резнополяр-
но. Их назначение — ограничить уровень подаваемого входного напряже-
ния 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 измеритель-
ного датчика непосредственно в схему сравнения применяется крайне
редко.
Для получения нужной характеристики реле чаще всего бывает не-
обходимым осуществить преобразование этого напряжения. Способ
и объем такого преобразования определяются конкретным типом ре-
ле.
Рассмотрим, как осуществляются отдельные звенья узлов форми-
рования. Какие из этих звеньев используются в том или ином типе
реле, читатель узнает из § 5.
Выпрямители. Одним из наиболее распространенных способов фор-
мирования сигналов в серийных реле тока и напряжения является вы-
прямление. В большинстве случаев применяют схему двухпо луп ер иод-
ного выпрямления, собранную на диодах. Изредка используют двух-
полупериодные выпрямители, выполненные на операционных усили-
телях. Описание схемы такого выпрямителя приведено в § 3 к рис. 10, а.
Масштабные усилители находят широкое применение в узлах фор-
мирования, когда нельзя ограничиться простым выпрямлением. Чаще
всего используют схему усилителя-ограничителя, показанную на
рис. 8, а. Во многих случаях такие усилители-ограничители выпол-
няются 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 напря-
жений или токов между собой, каждый из сигналов подается на вход
сумматора через индивидуально подобранное комплексное сопротив-
ление.
43
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, а) .
Активные полосовые фильтры находят применение в узлах форми-
рования, когда требуется исключить из подаваемых в узел сравнения
напряжений апериодические слагающие и составляющие высших гар-
моник. Хорошо зарекомендовали себя схемы полосовых (селектив-
ных) фильтров второго порядка с многопетлевой обратной связью
(см. рис. 14, б).
Для фильтрации высших гармоник применяют аналогичные фильтры
нижних частот (см. рис. 14, с).
Фильтры симметричных составляющих. Для осуществления реле
защиты, реагирующих на симметричные составляющие токов и напряже-
ний, применяют как традиционные пассивные фильтры симметричных
составляющих, не содержащие операционных усилителей, гак и актив-
ные фильтры, представляющие собой специальные схемы, собранные
на операционных усилителях. Последние имеют определенные преиму-
щества перед пассивными. Главное из них — это сравнительно меньшие
потребление и размеры.
Ниже рассматриваются две схемы активных фильтров обратной
последовательности, применяемых в узлах формирования реле, реаги-
рующих на токи обратной последовательности. На рис. 21, а изображе-
на схема ФТОП, выполненная на ОУ, которая используется в реле тока
обратной последовательности типов РТФ8 и РТФ9. В ней имеются два
датчика тока ТА1 и ТА2, к первичным обмоткам одного из них подво-
дится 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 обеспечива-
ется компенсация токов нулевой последовательности на входе фильтра.
Конденсаторы С1 и С2 имеют одинаковую емкость, так что реактивные
сопротивления XCj = %С2‘ Активные сопротивления резисторов R1
и R2 связаны с модулем Хс следующими отношениями: Rr =ХС1[\/3
и R-i =ХС2у/~?. Если подвести к фильтру симметричную систему токов
прямой последовательности, то векторная диаграмма токов в плечах
фильтра будет иметь вид, показанный на рис. 21, б. Как видно из ди-
аграммы, ток выхода фильтратных ~J_ri +1с2 = 0.
Если подвести к фильтру симметричную систему токов обратной по-
следовательности, то диаграмма токов в фильтре примет вид, показан-
ный на рис. 21, в, при этом модуль выходного тока фильтра будет пре-
вышать 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 номиналь-
44
Рис. 21. Активный филыр тока обратной последовательности:
о — схема; б — векторная диаграмма при подаче токов прямой последователь-
ности; в — векторная диаграмма при подаче токов обратной последовательности
кого значения. Как показывает анализ, при изменении частоты на 1 %
несбалансированный ток фильтра в симметричном режиме может уве-
личиться на 0,3-0,5 %.
На рис. 22, а приведена схема ФТОП, в котором осуществляется ком-
пенсация погрешности при небольших отклонениях частоты от номи-
нальной. На инвертирующем входе ОУ обеспечивается суммирование
токов, создаваемых напряжениями, полученными с нагрузочных со-
противлений датчиков тока. Общая точка нагрузочных сопро-
тивлений R2 и R3 датчика тока ТА2 связана с нулевой точкой схемы.
Поэтому падения напряжения на них имеют противоположные знаки.
45
Рис. 22. Активный ФТОП с компенсацией погрешности от изменения частоты-.
а — принципиальная схема; б — векторная диаграмма при подаче токов прямой
последовательности
Рассмотрим, как будет меняться векторная диаграмма токов
и_/у (рис. 22, б) при изменении частоты, когда к датчикам фильтра
подведена симметричная система токов прямой последовательности.
Резистор R4 и конденсатор С] подобраны так, что при номинальной
частоте ток_/й опережает напряжение К (7д -_1в) на угол 30°. При откло-
нении частоты величина будет изменяться, из-за чего будет меняться
и этот угол. Направление тока_/о совпадает с падением напряжения на
R4. Оно может быть найдено, исходя из того, что при изменении частоты
конец вектора Ur4 скользит по дуге окружности, диаметром которой
является напряжение на R1. Величины R5 и R6 приняты такими, чтобы
при номинальной частоте модули |/д I = |/р + Лу | и по фазе были сдви-
46
нуты на 180°. Для того чтобы это соотношение сохранялось в расчетных
условиях отклонений частоты, участок окружности, на котором переме-
щается вектор Ur4, выбран близким к перпендикуляру на вектор
к (1в ~2с) •
Узлы сравнения, используемые в серийных реле защиты, имеют
несколько вариантов исполнения. Одним из них является узел срав-
нения, 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, возникаю-
щих 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 операцион-
ном усилителе А1. На неинвертирующий вход А1 через делитель на ре-
зисторах R2 M.R3 -R13 подается от источника оперативного тока поло-
жительное опорное напряжение Ц>п1» значение которого определяется
заданной уставкой реле. На инвертирующий вход А] подается выпрям-
ленное напряжение, пропорциональное току, поступающему от соответ-
ствующего датчика через диодный мост. Если значение поступающего
выпрямленного напряжения меньше опорного напряжения, на выхо-
де 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 сиг-
нала, это соответствует первому полупериоду изменения входного сиг-
нала. Имеющееся на выходе А1 положительное напряжение заряжает
конденсатор С1 через резистор R3, так как диод VD2 закрыт. Макси-
мум напряжения на конденсаторе ограничивается напряжением стаби-
лизации 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 ин-
Вертирующий вход А2, создает на выходе ОУ напряжение отрицатель-
ного знака, достигающее минус 13 В. Через цепь положительной обрат-
ной связи на неинвертирующий вход А2 приходит часть этого напряже-
ния, зависящая от соотношения между сопротивлениями резисторов
^6 и Я7. Она служит опорным напряжением срабатывания t/on2>c =
" ^выхЛ2^б/(^б + К?)> определяющим второе условние срабатывания
Реле. При возрастании входного напряжения до значения, превышающе-
47
Рис. 23. Узел сравнения реле тока и напряжения широкого применения:
а ~ принципиальная схема; о — временные диаграммы работы узла
fO опорное, происходит изменение режима компаратора, и знак выход-
ного напряжения А1 становится отрицательным, оставаясь равным
Максимуму, т.е. минус 13 В. Изменение знака напряжения на выходе А1
вызывает перезаряд конденсатора С1. Если уровень UBX становится
выше C/Oni на небольшой промежуток времени, как получается во вто-
ром и третьем полупериодах изменения f7BX на рис. 23, б, то емкость CJ
не успевает полностью перезарядиться. Происходит лишь снижение
напряжения на емкости С] до значения, близкого к нулю, а затем после
спадания 1/вх ниже t/onl — повторный заряд емкости до максимально-
го положительного уровня.
Исполнительная часть узла сравнения подействует только тогда,
когда за счет увеличения входного сигнала время превышения UBX
над t/onij равное промежутку аср на рис. 23, б, станет достаточным,
чтобы емкость С1 перезарядилась настолько, что отрицательное напряже-
ние на конденсаторе С1 стало ниже {7оП2,с- Потенциал инвертирующего
входа А2 достигнет в этом случае такого значения, что произойдет не-
медленное изменение знака выходного напряжения триггера на поло-
жительный. Это является признаком срабатывания узла. Процесс сраба-
тывания виден на рис. 23, б на четвертом полупериоде, соответствую-
щем началу срабатывания, и двух следующих полупериодах изменения
UBX. После изменения знака напряжения на выходе А2 напряжение на
его неинвертирующем входе А2 становится тоже положительным. Его
называют опорным напряжением возврата (/оп2,в, так как им опре-
деляется значение входного сигнала, которое требуется для возврата
триггера Шмитта. По окончании промежутка времени, соответствующего
аср, емкость С1 снова начнет заряжаться. Постоянные времени заряда
и разряда емкости С1 благодаря наличию диода VD2 получаются не-
одинаковыми, так как сопротивление цепи заряда примерно в 3 раза
больше сопротивления цепи разряда. Поэтому, когда емкость С1 снова
начнет заряжаться, она не успеет достичь уровня С/оп2>в, как снова
наступит разряд. Этим достигается релейное действие реагирующего
органа. Для возврата нужно, чтобы UBX снизилось до такого значения,
когда напряжение на конденсаторе С1 станет выше (/оп2)В- Последний
полупериод изменения UBX на рис. 23, б соответствует этому моменту.
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 погреш-
ностях трансформаторов тока, которые могут достигать 50 % и более.
В реле тока и напряжения, реагирующих на составляющие обратной
и нулевой последовательности, часто применяют узел сравнения, изобра-
женный на рис. 24, а. Внешне он похож на предыдущий, но действует
По- другому.
4-6985
49
Реле, срабатывающие от симметричных составляющих, подвержены
искажающему влиянию высших гармоник, содержащихся в измеряемых
величинах. Для подавления гармоник в узлах формирования использу-
ют фильтры нижних частот. Из-за этого приходится отказываться от
выпрямления входного напряжения, и сигнал на выходе узла формиро-
вания 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 ком-
паратор, 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 поло-
жительное 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 на-
пряжение поступает на инвертирующий вход компаратора А2, охвачен-
ного положительной обратной связью. На выходе А2 получается отрица-
тельное напряжение, близкое по значению к напряжению питания минус
15 В. Напряжение на неинвертирующем входе А2 является узловым
напряжением общей точки резисторов R13,R15, подключенных к источ-
никам питания ±15 В, и резистора RJ6, установленного в цепи положи-
тельной обратной связи. Направление и значение тока, протекающего
через резистор R16, определяются выходным напряжением А2. В нор-
мальном режиме это напряжение имеет отрицательное значение порядка
10 В. Когда значение положительной полуволны входного синусоидаль-
ного напряжения, приходящего на инвертирующий вход А1, станет
больше опорного, выходное напряжение А1 изменит свой знак. На вы-
ходе А1 возникнет импульс отрицательного напряжения. Этим импуль-
сом закрывается диод VD4 и открывается диод VD3. Емкость С1 начи-
нает перезаряжаться. Если время превышения входного напряжения
над опорным мало, то отрицательный импульс окажется узким и на-
пряжение 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 устав-
ки срабатывания, как это видно на последующих периодах (рис. 24, б),
ширина отрицательного импульса становится достаточной, чтобы от-
рицательное напряжение на емкости С1 стало ниже, чем опорное напря-
жение срабатывания компаратора Л2. Знак выходного напряжения А2
Делается положительным, что обеспечивает работу узла выхода реле.
При положительном напряжении на выходе А2 изменяется направле-
ние тока через резистор R16, при этом потенциал инвертирующего вхо-
51
да А2 повышается примерно на 6 В, но знак его остается отрицатель-
ным. Этот потенциал является опорным напряжением возврата ком-
паратора А2. Поэтому, несмотря на то что через некоторое время вы-
ходное напряжение изменяет свой знак и конденсатор С1 начинает
разряжаться, сброса компаратора не происходит. Напряжение на ем-
кости С1 не успевает изменяться настолько, чтобы сравняться с опор-
ным напряжением возврата компаратора А2.
Другой вариант схемы узла сравнения, применяемый в реле, реаги-
рующих на составляющие токов нулевой, или обратной последователь-
ности, 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 быстродействую-
щим, 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 промежут-
ка, когда входной сигнал меньше порогового. Напряжение перемен-
ного тока, приходящее из узла формирования, поступает в схему че-
рез резистор R1. Он подсоединен к инвертирующему входу операцион-
ного усилителя А1, на котором собрана схема двухпорогового компа-
ратора, подобного описанному в § 3 рис. 9, в. Этот двухпороговый
компаратор является преобразующей частью узла и одновременно слу-
жит в качестве порогового элемента. При отсутствии входного сигнала
через резисторы R2 и R3 и диоды моста VS1 проходит ток от источни-
ка питания ± 15 В. Все диоды моста октрыты, и напряжение на выходе
А1 равно нулю. При появлении на входе А1 напряжения переменного
тока, мгновенные значения которого выше порогового напряжения, за-
данного для данного компаратора, на выходе А1 появляются прямо-
угольные импульсы тока, знаки которых противоположны знаку вход-
ного напряжения. Ширина импульсов пропорциональна времени превы-
шения мгновенными значениями входного напряжения значения поро-
гового напряжения. Сравнения этого времени и длительности пауз меж-
ду импульсами производятся в следующем звене, собранном на опера-
ционном усилителе А2.
Это звено представляет собой компаратор, на входе которого уста-
новлена времяимпульсная переключающая цепочка, с помощью кото-
рой производится сравнение длительностей импульсов и пауз, поступаю-
щих из двухпорогового компаратора. Когда такие импульсы отсут-
ствуют, все диоды моста VS2 открыты, токи от источника питания
проходят по резисторам R7 и R8. Конденсатор С1 заряжен до напря-
жения, 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.
52
V8biAl I
0 -
Рис. 25. Узел сравнения быстро-
действующего реле тока;
а — принципиальная схема; б -
временное диаграммы работы узла
Для обеспечения ’’релейного” действия узла сравнения в схеме осу-
ществлена положительная обратная связь между двухпороговым ком-
паратором 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.
При поступлении на вход А1 положительной полуволны напряжения
возникают токи через диоды моста VS1, которые складываются с тока-
ми, идущими через них от источников питания. В диодах 1 и 3 эти токи
противоположны, а в диодах 2 и 4 они совпадают по направлению. При
достижении порога срабатывания компаратора диоды 1 и 3 закрывают-
ся. Цепь обратной связи размыкается, и на выходе А1 появляется отри-
цательный импульс максимального значения, при этом значение поро-
гового напряжения определяется падением напряжения на резисторе/??.
В момент срабатывания ток через закрывающиеся диоды 1 и 3 опреде-
ляется параллельно соединенными сопротивлениями R2 и R4 (VT1
закрыт, и можно считать, что R4 подключен непосредственно к +15 В).
Тогда пороговое напряжение открывания А1 для положительной полу-
полны входного напряжения составит c =+Ц1ит^1(^2 + /?4)//?2/?4.
В серийных реле для улучшения коэффициента возврата обычно прини-
мают, что R2 немного больше R3, a R4 больше R5. В связи с этим по-
роговое напряжение открывания А1 для отрицательной полуволны
получится меньшим, чем для положительной.
Учитывая, что резистор R5 подсоединен к выходу А2, на котором
держится максимальное напряжение отрицательного знака, напряже-
ние С/дС =- 6пит/\] (/?3 + /?5)//?з/?5. Поэтому выходные импульсы А1
для положительных полуволн входного напряжения получаются уже,
чем для отрицательных, т.е. реле более чувствительно к отрицательным
входным сигналам. Если входной сигнал ненамного превышает уро-
вень порогового напряжения, что соответствует первому периоду С/вх
на рис. 25, б, то выходные импульсы А1 получаются узкими. Появле-
ние выходных импульсов А1 вызывает изменение режима компарато-
ра на А2. Отрицательным импульсом закрываются диоды 2 и 4 моста
VS2, знак напряжения на конденсаторе С1 изменяется на противопо-
ложный, и он начинает перезаряжаться через сопротивление R6. Положи-
тельный импульс запирает диоды 1 и 3 моста, при этом полярность на-
пряжения на конденсаторе С1 изменяется аналогично предыдущему,
т.е. он тоже начнет перезаряжаться. В связи с тем что ширина импуль-
сов в первом периоде невелика, емкость разрядиться до нуля не успе-
вает, и выходное напряжение А2 остается неизменным — срабатывания
реле не происходит.
Во втором периоде значение входного напряжения больше, и оно
оказывается достаточным для переключения А2. Емкость С1 успевает
разрядиться до нуля и затем зарядиться напряжением положительной
54
полярности, плюсом к неинвертирующему входу А2. В момент сраба-
тывания выходное напряжение А2 приобретает максимальное значение
положительного знака. Транзистор VT1 открывается, и реле К1 сраба-
тывает. После переключения А2 и открывания VT1 знаки напряжений
на резисторах R4 и R5 изменяются, и они перестают влиять на порого-
вое напряжение. В результате пороговые напряжения закрывания А1
оказываются меньше пороговых напряжений его открывания. Они со-
ставляют: U*B - /R-2 и 1/пв =— Это приводит к
дополнительному расширению выходных импульсов А1 и обеспечива-
ет ’’релейное” действие узла сравнения, что видно из диаграммы
рис. 25, б для второго периода изменения входного напряжения.
Остановимся еще на одной схеме узла сравнения, которая встреча-
ется в сложных реле защиты (например, в реле сопротивления и в реле
направления мощности). Она предназначена для случая, когда в узел
сравнения подаются два и больше сравниваемых напряжений. В таком
узле сравнения производится сопоставление времени совпадения зна-
ков мгновенных значений сравниваемых напряжений со временем,
когда знаки мгновенных значений этих же напряжений не совпадают.
На рис. 26, а изображена полная схема такого узла сравнения.
Преобразующую часть ПЧ узла представляет специальный формиро-
ватель импульсов несовпадения сравниваемых напряжений (ФИН).
Схема ФИН, показанная на рис. 26, а, является типовой. Рассмотрим
диаграмму работы представленного ФИН (рис. 26, б) .
Пока сравниваемые напряжения отсутствуют, напряжение на входе
операционного усилителя А1 определяется падением напряжения на
резисторах R1 и R2, которое создается током, проходящим от источ-
ников питания ±15 В по цепи, состоящей из резисторов R4, R2, R1
и R3 и открытых диодов VD1—VD8. Минус этого падения напряжения
подается на неинвертирующий вход А1, на его выходе держится отрица-
тельное напряжение максимального значения, равного примерно £/вЬ1Х =
=—13 В. Диоды VD9 и VD10 в этом режиме узла находятся в закрытом
состоянии.
Появление только одного из сравниваемых напряжений не вызывает
изменения выходного напряжения А1. На рис. 26, б показано, что в ин-
тервале времени от 0 до в схеме действует положительная полувол-
на напряжения Под ее воздействием через открытый диод VD1
пойдет ток, совпадающий по направлению с током от источников ±15 В,
а диод VD2 закроется. При некотором значении тока, обусловленным
ростом в1, падение напряжения на R1 станет положительным по отно-
шению к нулевой шинке, и диод VD9 откроется. Однако это не приве-
дет к изменению знака выходного напряжения А1, так как падение
напряжения на резисторе R2 от источника +15 В устанавливается таким,
что оно превышает падение напряжения на открытом диоде VD9: Ur2 =
=+ 15Л2/ (К2 + А4) > Uo для VD9.
55
Рис. 26. Узел сравнения статического реле сопротивления:
а — 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 вызы-
вает изменения состояния А1 и на выходе будет сохраняться напряже-
ние, близкое к минус 13 В. В интервале времени /д -г2 имеются участ-
ки отрицательных полуволн сравниваемых напряжений е2 ~е4, проти-
воположных по знаку напряжению et. Напряжение е4 является отри-
цательным 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 интерва-
ле ti ~t2 остается открытым диод VD9 благодаря положительному зна-
чению напряжения et. В результате оба диода VD9 и VD10 оказывают-
ся открытыми на этом интервале. Это приводит к изменению знака вы-
ходного напряжения А1, и оно становится положительным, сохраняя
максимальное значение. Начиная с момента т2 значения всех сравнивае-
56
мых напряжений опять становятся положительными. Из-за этого ток
через R2 снижается до начального значения, и знак падения напряже-
ния на этом резисторе меняется. Диод VD10 запирается, восстанавлива-
ется более высокий положительный потенциал на неинвертирующем вхо-
де А1. На выходе А1 снова появляется импульс отрицательного напря-
жения максимального уровня, удерживающийся до момента времени
f3. В интервале /3 -Г4 знаки мгновенных значений сравниваемых напря-
жений е} —е4 становятся различными. Поэтому выходное напряже-
ние А1 меняет знак на положительный.
Рассматривая далее диаграмму работы ФИН, можно убедиться в том,
что когда знаки мгновенных значений сравниваемых напряжений различ-
ны, 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 подсоеди-
нен к точке соединения резисторов R2 и R4, а инвертирующий —
к точке соединения R1 и R3. В этом случае импульсы выходного на-
пряжения А1 будут отрицательными при несовпадении мгновенных
значений сравниваемых напряжений и положительными при их совпа-
дении.
Выходные сигналы А1 передаются в схему сравнения, в которой про-
изводится сопоставление времени несовпадения знаков сравниваемых
напряжений с временем их совпадения или измерение времени несовпа-
дения. Как будет показано в § 5, требуемое соотношение этих времен
регламентируется видом характеристики реле. В общем случае эти
времена соответствуют фазовым сдвигам между сравниваемыми на-
пряжениями. Так, например, если возьмем два сравниваемых напря-
жения, то при сдвиге векторов этих напряжений на 90° время несовпа-
дения сравниваемых напряжений будет равно длительности одной чет-
верти периода, что соответствует при номинальной частоте 50 Гц 5 мс.
При сдвиге векторов этих напряжений на 120° время несовпадения бу-
дет равно 1/3 периода, или 6,67 мс, а при сдвиге на 180 — целому полу-
периоду, или 10 мс. Таким образом, в последнем случае получаем непре-
рывный выходной сигнал.
Изображенная на рис. 26, а схема сравнения (СС) реализует сопостав-
ление длительности импульсов совпадения и несовпадения, поступаю-
щих из ФИН. Схема состоит из интегратора на операционном усилите-
ле А2 и переключающего диодного моста VS1, с помощью которого
производится подключение к цепи интегрирования разных сопротивле-
ний для положительных и отрицательных импульсов, приходящих из
ФИН. Принцип работы интегратора аналогичен описанному в § 3 (см.
Рис. 11).
57
Для положительных сигналов цепь интегрирования образуется через
диод VD14 и резистор R7, а для отрицательных — через диод VD12 и
резистор R6. Стабилитрон VD11 обеспечивает одинаковые уровни на-
пряжений, Поступающих на интегратор, независимо от знака и разницы
в значении поступающих импульсов. Диод VD13 предотвращает возник-
новение 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 - нуле-
вым.
В целом работу узла сравнения иллюстрирует диаграмма рис. 26, в.
До подачи сравниваемых напряжений на входы ФИН на его выходе дер-
жится постоянно отрицательное напряжение, близкое к напряжению
питания. Это напряжение поступает на интегратор по цепи выход А] ~
диод 2 моста VSJ — стабилитрон VD11 — диод 3 моста VS1 — нулевая
шинка. Диод VD12 открыт, и на инвертирующий вход А2 приходит
напряжение отрицательного знака. Однако зарядить емкость С1 эти^
напряжением не удается, так как диод VD13 откроется появившимся
выходным напряжением А2 и зашунтирует конденсатор С1. На вход
инвертора D1 (ИЧ) поступит единичный сигнал, ина его выходе появит-
ся нулевой сигнал, равный примерно минус 13 В.
Допустим, что для рассматриваемого узла сравнения задан опреде-
ленный угол срабатывания «ср, соответствующий такому сдвигу меж-
ду сравниваемыми напряжениями, при котором емкость С1, зарядив-
шаяся в начале периода на участке несовпадения, полностью разряжа-
ется к моменту завершения первого полупериода.
Когда на вход узла подаются оба сравниваемых напряжения, сдви-
нутых между собой на небольшой угол а < оср, 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 VD14, и на инвертирующий вход А2
приходит напряжение положительного знака. Появившееся отрицатель-
ное выходное напряжение А2 начинает заряжать емкость С1. Так как вре-
мя несовпадения мало, то напряжение на емкости С1 не достигает значе-
ния, достаточного для действия логического элемента D1. При наступ-
лении интервала, когда знаки сравниваемых напряжений совпадают,
емкость быстро разрядится до нуля. На выходе D] 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 напряже-
ния. При появлении следующего, более узкого импульса совпадения
она не успеет значительно разрядиться, и уже в следующий полупериод
емкость С1 подзарядится до уровня, превышающего порог срабатыва-
ния элемента D1. На выходе D1 появится сигнал около О В, свидетель-
ствующий о срабатывании узла сравнения.
58
Необходимо отдельно остановиться на выполнении схемы сравне-
ния у реле, для которых задается аср = 180°. Такие реле должны сраба-
тывать, когда длительность участка несовпадения занимает весь интер-
вал от начала до конца полупериода, так что на выходе А1 держится
непрерывный отрицательный сигнал. Это позволяет использовать в схе-
ме сравнения обычный элемент выдержки времени с уставкой срабаты-
вания 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 электромаг-
нитного реле или репе с магнитоуправляемыми контактами, которые
связываются с узлом сравнения через усилитель на транзисторах. Одна
из возможных схем узла выхода показана на рис. 25. Узел выхода управ-
ляется 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 срабатыва-
ния реле, на выходе узла сравнения держится отрицательный сигнал.
Транзистор VT1 заперт, и через выходное реле К] протекает незначитель-
ный ток закрытого транзистора. При превышении поступающим на
вход узла сравнения напряжением величины срабатывания сигнал на
его выходе становится положительным. Транзистор VT1 открывает-
ся, и через выходное репе К] начинает проходить ток, обеспечивающий
его срабатывание. Репе К1 замыкает свои контакты в цепях логической
части защиты.
При возврате реле транзистор VT1 запирается, и реле К1 приходит
в исходное состояние. Диод VD6 служит для защиты схемы узла от
коммутационных перенапряжений, возникающих при обесточивании
реле К1. Диод VD3 на входе VT1 ограничивает уровень сигнала, прихо-
дящего на переход база—эмиттер транзистора.
Для получения сигнала о действии узла выхода в схеме рис. 25 уста-
новлен светодиод VD7 типа АЛ307 с добавочным резистором R10, ко-
торые подключены параллельно обмотке выходного реле К1.
В качестве выходных в серийных реле защиты находят применение
малогабаритные промежуточные реле типа РП13 и реле с магнитоуправ-
ляемыми контактами типа РПГ-5, называемые герконовыми. Чаще
всего используются реле типа РП13, рассчитанные на рабочее напряже-
ние 110 В постоянного тока. Схема узла выхода на таком реле пока-
наза на рис. 27.
На один из концов обмотки реле К1 подается плюс напряжения опе-
ративного 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, обеспечи-
59
Рис. 27. Узел выхода статического реле
защиты
Рис. 28. Схемы узлов питания;
а — на постоянном оперативном токе; б — при питании от сети переменного
тока 220 В
вающий требуемое ограничение уровня входного сигнала. Диод VD2
нужен для надежного запирания транзистора VT1 в исходном несрабо-
танном состоянии выходного реле К1, Точка, где объединяются ре-
зистор 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 Е
для питания ОУ применяют делители напряжения на резисторах (рис. 28).
Необходимые уровни напряжений +15 В и —15 В при допустимых откло-
нениях 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.
Место подключения шинок ± 15 В к делителю выбрано так, чтобы
оно находилось под напряжением, составляющим примерно половину
60
напряжения оперативного тока 220 В. При таком исполнении эти шин-
ки в нормальном состоянии изоляции сети оперативного тока оказы-
ваются под потенциалом, близким к нулю по отношению к земле.
Узел питания (рис. 28, а) применяется, когда источником оператив-
ного тока является аккумуляторная батарея или выпрямительный аг-
регат на 220 В. Диод VD3 установлен для того, чтобы не повредить
микросхемы, если на вход реле будет подано напряжение, не соответ-
ствующее полярности, обозначенной на зажимах.
Узел питания (рис. 28, б) применяется, если источником оператив-
ного тока является сеть переменного тока собственных нужд объекта.
Для защиты от перенапряжений со стороны питания в реле устанавли-
ваются варисторы RV1 и RV2 типов СН1 с параллельно подключен-
ным 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 электромагнит-
ных реле на действующих предприятиях.
Описанные схемы применяют во всех серийных реле защиты, кроме
реле направления мощности серий PM 11 — РМ 12. Особенности схем
питания этих реле описаны в § 5.
5. ТИПЫ СЕРИЙНЫХ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Основным предприятием в нашей стране, которое производит аппа-
ратуру релейной защиты, является Чебоксарский электроаппаратный
завод (ЧЭАЗ). В последние годы в номенклатуре этого завода появи-
лось несколько типов реле защиты, основные узлы которых выполнены
на операционных усилителях или логических интегральных микросхе-
мах. Такие реле получили наименование статических. В число реле,
созданных на базе ОУ, входит большая серия реле тока типа РСТ и се-
рия реле напряжения типа РСН. Несколько раньше были внедрены в
производство реле тока обратной последовательности серии РТФ и ста-
тические реле направления мощности серии РМ. Одним из наиболее
сложных из освоенных заводом статических реле является комплект-
‘ ное реле сопротивления типа БРЭ-2801, содержащее три однофазных
дистанционных органа и предназначенное для использования в качест-
ве измерительного органа дистанционных защит линий и трансформа-
торов 110-500 кВ.
Наряду с указанными в номенклатуре завода имеется еще несколь-
ко типов статических реле защиты, которые либо имеют ограниченную
область применения, либо не содержат операционных усилителей. В
настоящей книге такие реле не рассматриваются.
61
Большинство реле, рассматриваемых ниже, выпускаются заводом
в пластмассовых корпусах единой серии типа ’’Сура”. Корпус типа
’’Сура” состоит из цоколя, пригодного как для переднего, так и для
заднего присоединений соединительных проводов, и объемного кожу-
ха из прозрачного материала. Используются два типоразмера корпусов
шириной 66 и 132 мм и одной высоты 152 мм. На цоколе крепится ме-
таллическая скоба, на которой устанавливаются датчики тока и напря-
жения, выходные реле и печатная плата со смонтированными на ней
микросхемами и радиодеталями. Ручки переключателей уставок реле
выводятся на декоративную лицевую табличку, прикрывающую реле
спереди. Тепловыделяющие резисторы делителей напряжения узла пи-
тания монтируются сзади на наружной стороне цоколя. Сложный блок
реле сопротивления типа БОЭ-2801 имеет корпус другого исполнения,
с конструкцией которого познакомимся при его описании.
В схемах статических реле защиты предусмотрены специальные ме-
ры, исключающие опасность повреждения содержащихся в них микро-
схем от перенапряжений, возникающих в сети постоянного тока при
размыкании цепи обмотки электромагнитов управления и реле. Опас-
ные перенапряжения появляются также при коммутационных опера-
циях в сети высокого напряжения. Они могут проникать в схеме реле
по цепям измерительных трансформаторов тока и напряжения.
Причиной неправильной работы реле могут служить наведенные
напряжения помех, получающиеся из-за наличия в окружающей среде
переменных электрических и магнитных полей, создаваемых посто-
ронними источниками (промышленные высокочастотные установки,
устройства радиосвязи и др.).
Для сохранения микросхем и предотвращения неправильной работы
реле на входе питания оперативным током ставятся шунтирующие кон-
денсаторы, гасящие высокочастотные помехи, и нелинейные сопротив-
ления — варисторы, ограничивающие верхние уровни приходящих волн
перенапряжений. Защитные конденсаторы устанавливаются также па-
раллельно стабилизаторам питания ± 15 В и непосредственно на выхо-
дах операционных усилителей. Между первичными и вторичными об-
, мотками датчиков тока и напряжения закладываются специальные эк-
ранирующие обмотки, соединенные с нулевой шинкой.
Монтаж печатных плат осуществлен с учетом требований как в час-
ти защиты от наведенных напряжений, появляющихся при близком
прохождении смежных цепей, так и в части выравнивания потенциалов
узловых точек, связанных с нулевой шинкой. Конструкция реле обес-
печивает высокий уровень изоляции полупроводниковой части реле
по отношению к земле и ко вторичным цепям трансформаторов тока
и напряжения.
Все рассматриваемые реле реализованы по структурной схеме, опи-
санной в § 4 [см. рис. 18]. Основные узлы реле составлены, как пра-
вило, из определенных звеньев, работа которых подробно разобрана в
62
§ 4. Поэтому все типы реле, рассматриваемые в данном параграфе,
изображаются с помощью структурных схем, в которых каждое зве-
но (функциональный элемент) представлено своим условным изобра-
жением. Для того чтобы читатель смог припомнить устройство соот-
ветствующего звена, в тексте дается ссылка на полную схему звена,
описанную в § 4. Если в схеме реле используется звено, не содержа-
щееся в § 4, то его схема показывается в полном виде.
Условное изображение отдельного звена, выполненного на ОУ, пред-
ставляет собой вытянутый вверех прямоугольник, внутри которого
помещен знак, отображающий свойства этого звена. Ниже дается пере-
чень знаков, присвоенных отдельным звеньям (функциональным эле-
ментам) , из которых образуются схемы серийных реле защиты:
Масштабный
усилитель
Компаратор
Триггер
Шмитта
Сумматор
Двухпороговый
компаратор
Фазоповоротная
схема
Интегратор
Фильтр нижних
частот
Элемент времени
Полосовой фильтр
Усилитель-ограни-
читель
Статические реле максимального тока серий PCT 11— РСТ 14 пред-
назначены для использования в качестве измерительных органов токо-
вых защит как мновенного действия, так и работающих с выдержкой
времени любых присоединений электроустановок. Они пригодны для
всех случаев, когда не требуются специальные меры по отстройке защи-
ты от апериодических составляющих и высших гармоник, которые мо-
гут содержаться в первичных токах защищаемого объекта.
63
Схема реле выполнена на времяимпульсном принципе, гарантирую-
щем хорошую помехоустойчивость реле. Принятое исполнение обеспе-
чивает также четкую работу реле при больших кратностях тока повреж-
дения по отношению к номинальному току трансформаторов тока,
когда их погрешность может достигать 80—90 %. Реле обладают повы-
шенной сейсмостойкостью и рассчитаны для применения на объектах
атомной энергетики.
Для питания реле этих серий оперативным током должны использо-
ваться надежные источники постоянного или переменного тока напря-
жением 220 В. В заводских обозначениях реле отражены условия их
применения. Так, реле РСТ 11 и РСТ 12 рассчитаны на питание перемен-
ным оперативным током 220 В, причем первое из них предназначено
для сетей с рабочей частотой 50 Гц, а второе — с частотой 60 Гц. Реле
РСТ 13 и РСТ 14 рассчитаны на питание постоянным током 220 В, а их
рабочие частоты подобно предыдущему равны: 50 Гц для реле РСТ 13,
60 Гц для реле РСТ 14.
В условном обозначении реле, приводимом в заводской информа-
ции, первым указывается номер серии реле. Рядом с ним располагает-
ся двухзначное число, обозначающее максимальную уставку по току
реле данного типоисполнения. Имеется семь вариантов типовых испол-
нений, записываемых следующими числами: 04 на ток 0,2 А, 09—0,6 А,
14 - 2 А, 19 - 6 А, 24 - 20 А, 29 - 60 А и 32 - 120 А. Третий знак ус-
ловного обозначения — цифры 1 или 5. Цифра 1 показывает, что реле
собрано на заводе для переднего подключения соединительных прово-
дов, а цифра 5 — соответственно для заднего подключения проводов.
В конце условного обозначения приводится вид климатического испол-
нения реле: УХЛ4 для умеренного кламата и 04 — для тропических ус-
ловий. Нормальная работа реле в зоне умеренного климата гарантиру-
ется в диапазоне температур окружающей среды от —20 до +55 °C и от-
носительной влажности воздуха не более 80 % при 25 °C.
Например, условное обозначение РСТ 13-19-1-УХЛ4 относится к ре-
ле максимального тока, предназначенному для использования в сетях
с промышленной частотой 50 Гц на объектах с постоянным оператив-
ным током 220 В, наибольшая уставка реле по току — 6 А, подсоеди-
нение внешних проводов — переднее, а само реле должно работать в
условиях умеренного климата. На рис. 29, а в качестве примера приве-
дена структурная схема реле РСТ 13, а на рис. 29, б — его принципиаль-
ная схема. Измерительный узеп реле представляет собой промежуточ-
ный трансформатор тока 7L4, а узлом формирования служит выпрями-
тельный мост VI. Преобразующей частью узла сравнения является од-
нопороговый компаратор А1, который используется одновременно
как первая ступень сравнения, определяющая ток срабатывания реле, —
поступающий сигнал сравнивается с заданным опорным напряжением.
Для установки опорного сигнала, с помощью которого задается уставка
реле, предусмотрены переключатели уставок SB1—SB5. Ими шунти-
64
руется часть резисторов, образующих делитель напряжения, питающий-
ся от источника напряжения ±15 В. При размыкании переключателей
изменяется доля напряжения, подаваемая на вход компаратора.
Выходной сигнал однопорогового компаратора поступает на следую-
щую ступень сравнения — времясравнивающую цепочку, содержащую
резисторы R 7, R8, диод VD2, конденсатор С2 и стабилитроны VD3.
Пороговым элементом этой цепочки и одновременно исполнительной
частью узла сравнения служит триггер Шмитта А2.
Работа примененного узла сравнения описана подробно в § 4 (см.
рис. 23). Там же показана диаграмма работы такого узла.
Узел выхода реле состоит из транзистора VT1 и выходного электро-
магнитного реле типа РП13 на рабочее напряжение ПО В. Подобный
узел изображен на рис. 27.
Узел питания (УП) представляет собой Делитель напряжения на ре-
зисторах, в составе которого имеются стабилитроны, поддерживающие
уровни напряжения ± 15 В. Схема узла видна из рис. 28, с. В компара-
торе А1 и триггере Шмитта А2 (рис. 29) используются операционные
усилители типа К140УД7. Кружочки с номерами на рис. 29 соответст-
вуют внешним выводам реле. Для измерения напряжений в схеме реле
при различных режимах имеются контрольные точки ХР1-ХРЗ, снаб-
женные штырьками для подключения приборов.
По своим техническим данным реле серий РСТ 11 — РСТ 14 близки
к хорошо зарекомендовавшим себя в эксплуатации электромагнитным
реле максимального тока типа РТ-40. Так, коэффициент возврата реле
РСТ превышает 0,9, а время действия при 1,2/С(Р составляет не более
60 мс, при 3/С)Р — не более 35 мс. Наибольшее время возврата реле
22 DS
I— О О О о о
/7/ ог2 /7/
tycr ~ А а)
Рис. 29. Схемы реле тока серии РСТ 13:
а — структурная; б — принципиальная
б~-6985
65
доходит до 70 мс. Предельный ток, размыкаемый контактами реле, не
должен превышать I А на постоянном токе и 2 А на переменном опера-
тивном токе.
Надежная работа реле РСТ при значительных искажениях формы кри-
вой вторичного тока достигается за счет того, что для действия реле
достаточно, чтобы ширина входного импульса тока превысила 1/12 пе-
риода. Мгновенное значение тока при этом находится на уровне 97 %
максимального. Из других параметров реле весьма существенным яв-
ляется мощность, потребляемая реле из сети оперативного тока. Она
равна 7 Вт в нормальном режиме и 8,5 Вт в режиме срабатывания.
Чтобы выставить заданный ток срабатывания реле, нужно с помощью
отвертки поставить соответствующие переключатели SB7—SB5 в вы-
ступающее положение. Ток уставки реле равен /усТ = lmjn (1 + 2©),Л,
где Imin — минимальный ток уставки, равный 1/4 значения тока, соот-
ветствующего второму числу в условном обозначении реле; SG "
сумма чисел, нанесенных под переключателями, поставленными в вы-
ступающее положение. При этом риски на торцах головок переключате-
лей будут направлены в сторону выбранных чисел.
66
+158
(продолжение)
Реле максимального и минимального напряжений входят в серии
РСН 14 —РСН 17, каждая из которых имеет несколько типовых испол-
нений. Реле РСН 14 и РСН 15 являются реле максимального напряжения,
которые реагируют на повышение напряжения в сети защищаемого
объекта, а реле РСН 16 и РСН 17 представляют собой реле мини-
мального напряжения, срабатывающие при понижении напряжения в
сети.
По своему устройству реле серий РСН 14 — РСН 17 подобны реле РСТ.
Различаются они лишь тем, что вместо датчика тока в них установлен
датчик напряжения. Датчик напряжения содержит промежуточный
трансформатор и два добавочных резистора, включенных последователь-
но в цепь его первичной обмотки. Датчик имеет три вывода, которые
дают возможность использовать реле в двух диапазонах рабочих напря-
жений. Переход в другой диапазон обеспечивается за счет исключения
одного из добавочных резисторов. В остальной части схема реле ничем
не отличается от схемы реле РСТ, показанной на рис. 29. Поэтому в от-
дельном описании принципа работы реле РСН 14 — РСН 17 не нуж-
даются.
67
У реле минимального напряжения изменено подключение входных
выводов ОУ, входящего в схему компаратора А1. У таких реле опор-
ное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение
от датчика напряжения поступает на инвертирующий вход. Поэтому при
подаче на реле нормального напряжения выходное реле остается в от-
павшем положении. Оно срабатывает, когда поданное напряжение пада-
ет ниже напряжения уставки, определяемой значением опорного напря-
жения. Реле РСН14-РСН17 имеют другую нумерацию внешних за-
жимов.
Входные зажимы датчика напряжения имеют номера 12, 14 и 16.
Напряжение оперативного тока подается на зажимы 20 (плюс) и 21.
Замыкающий контакт реле выведен на зажимы 2 и 4, а размыкающий —
на зажимы 6 и 8.
Условные обозначения реле РСН 14- РСН 17 построены так же,
как и у реле РСТ. Первым стоит номер серии реле. Серии РСН 14 и
РСН 16 рассчитаны на питание оперативным постоянным током 220 В,
а реле серий РСН 15 и РСН 17 должны питаться от источника переменно-
го тока 220 В. За номером серии следует двузначное число, которое отра-
жает рабочую частоту реле, диапазоны уставок по напряжению и номи-
нальное напряжение реле. Вместе с номером серии зто число служит
обозначением типа реле. В остальном условные обозначения одинаковы.
Ниже дается расшифровка чисел, стоящих за номером серии: пер-
вой приводится рабочая частота, за ней — диапазон уставок и в конце —
номинальное напряжение; вторые значения диапазона уставок и номи-
нального напряжения указаны в скобках:
23 - 50 Гц, 12 - 30 (24 - 60) В, 30 (60) В;
50 - 60 Гц, 12 - 30 (24 - 60) В, 30 (60) В;
25 - 50 Гц, 15 - 37,5 (30 - 75) В, 100 (200) В;
52 - 60 Гц 15 - 37,5 (30 - 75) В, 100 (200) В;
28 - 50 Гц, 40 - 100 (80 - 200) В, 100 (200) В;
55 - 60 Гц, 40 - 100 (80 - 200) В, 100 (200) В;
30 - 50 Гц, 50 - 125 (100 - 250) В, 120 (240) В;
57 - 60 Гц, 50 - 125 (100- 250) В, 120 (240) В;
33 - 50 Гц, 80 - 200 (160 - 400) В, 200 (400) В;
39 - 60 Гц, 80 - 200 (160 - 400) В, 200 (400) В.
Реле типоисполнений 25, 52, 30 и 57 выпускаются только как реле
максимального напряжения, т.е. в сериях РСН 14 и РСН 15. Остальные
типоисполнения могут выполняться как реле максимального, так и
минимального напряжения.
Технические данные реле серий РСН 14 — РСН 17 практически совпа-
дают с соответствующими параметрами реле РСТ. Следует выделить
только такой параметр, как коэффициент возврата. У реле максималь-
ного напряжения он составляет не менее 0,9, а у реле минимального
напряжения не выше 1,1. У реле максимального напряжения с высо-
ким коэффициентом возврата типоисполнений 30 и 57, у которых
он должен быть не менее 0,95, предусмотрена регулировка коэффи-
68
циента возврата с помощью переменного резистора, установленного
в цепи выходного триггера Шмитта.
Заданная уставка по напряжению срабатывания в выбранном диапа-
зоне устанавливается с помощью кнопочных переключателей, выведен-
ных на лицевую плату реле. Уставка реле выражается в виде Сгуст =
= ит[П (1 + SG), где SG — сумма чисел на шкале уставок, переклю-
чатели у которых поставлены в выдвинутое положение, и риска на тор-
це головки расположена горизонтально. Числа на шкале уставок 0,8;
0,4; 0,2 и 0,1 показывают, что заданная уставка может быть установле-
на с точностью до 0,1 Umini где Umin — минимальная уставка выбран-
ного диапазона.
Мощность, потребляемая реле из цепей напряжения в нормальном
режиме, находится в пределах от 0,1 до 0,8 В-A. Она пропорциональна
номинальному напряжению реле.
Реле максимального напряжения обратной последовательности вхо-
дят в состав серии РСН 13. Они используются в качестве пусковых
органов защит, реагирующих на несимметричные КЗ. Измерительная
часть реле рассчитана на подключение к источнику трехфазного напря-
жения переменного тока с линейным напряжением, равным 100 В.
Рабочая частота составляет 50 или 60 Гц. Для питания реле оператив-
ным током требуется источник постоянного тока напряжением 220 В.
Напряжение срабатывания обратной последовательности может уста-
навливаться в пределах от 6 до 24,6 В (линейных) ступенями через
0,6 В.
Структура условного обозначения реле РСН 13 подобна структуре
обозначений для реле РСТ 11 - РСТ 14. Двузначное число, стоящее ря-
дом с обозначениями серии реле, соответствует рабочей частоте. Чис-
ло 28 относится к частоте 50 Гц, число 55 — к частоте 60 Гц.
На входе реле установлен обычный пассивный jRC-фильтр обратной
последовательности. К выходу фильтра подключен трансформатор,
ко вторичной обмотке которого присоединен пассивный Т-образный
фильтр верхних частот, предназначенный для снижения уровня выс-
ших гармоник, которые могут содержаться в поступающих на реле
напряжениях. Перечисленные звенья образуют воспринимающую часть
и узел формирования реле этой серии. Узлы сравнения, выхода и пита-
ния реле РСТ 13 соответствуют описанным в § 4 (см. рис. 24, 27 и
28,а).
Реле РСН 13 имеет коэффициент возврата не менее 0,9. Время сраба-
тывания реле при напряжении, равном удвоенному напряжению сраба-
тывания, не превышает 40 мс. Потребление реле по цепям переменного
напряжения в нормальном режиме не более 3 В-А на фазу, по цепям
оперативного тока не более 6 Вт.
Установка заданной уставки реле производится с помощью кнопоч-
ных переключателей, головки которых выведены на лицевую таблич-
ку. Напряжение срабатывания реле равно сумме чисел у головок пере-
69
ключателей, находящихся в выступающем положении, когда риски у
головок указывают на выбранные числа: С/уст = (Umin + SG) В, где
Umin — минимальное напряжение срабатывания реле, указанное на
табличке.
Реле тока обратной последовательности серий РТФ8 и РТФ9 относят-
ся к числу изделий на операционных усилителях, впервые освоенных
на Чебоксарском электроаппаратом заводе в начале 80-х годов. Эти
реле создавались для замены таких сложных комплектных реле, как
РТФ IM и РТФ 7, громоздких по размерам и неудобных в обслужи-
вании.
Реле РТФ 8 используются в качестве пускового органа токовой за-
щиты обратной последовательности линий и трансформаторов. Реле
РТФ 9.применяются для аналогичных защит генераторов и блоков гене-
ратор — трансформатор, когда нужно осуществить несколько ступе-
ней защиты обратной последовательности.
Реле РТФ 8 изготовляются на номинальные токи I и 5 А и имеют
диапазон изменения уставок по току обратной последовательности
от 0,3 до 1,2 номинального. Реле РТФ 9 выпускаются на номинальные
токи 1, 5 и 10 А и содержат два измерительных органа, имеющих раз-
ные диапазоны уставок по току обратной последовательности.
Для первого, более грубого органа пределы составляют от 0,4 до
1,6, а для второго, чувствительного — от 0,04 до 0,16 номинального
тока реле. Регулировка уставок производится ступенями по 10 %. Ре-
ле предназначено для работы на постоянном оперативном токе напря-
жением 220 или НОВ. Рабочая частота реле 50 или 60 Гц. При заказе
помимо значения номинального тока реле нужно указывать, на какое
напряжение оперативного тока и рабочую частоту должно быть испол-
нено реле. В качестве выходного применено электромагнитное реле
типа РП 13 на 110 В с двумя замыкающими контактами.
Для пояснения устройства и принципа работы реле РТФ 8 и РТФ 9
на рис. 30, а приведена структурная схема реле РТФ 9 Па /ном = 5 А.
Схема реле РТФ 8 подобна схеме первого, более грубого измеритель-
ного органа реле РТФ 9. На рис. 30, б дана принципиальная схема реле
РТФ 9.
В реле имеются два датчика тока ТА1 и ТА2, каждый с двумя пер-
вичными обмотками, имеющими соотношение витков 3:1, и одной
вторичной обмоткой. В первичную обмотку ТА1 с большим числом
витков подается ток фазы Л, а в соответствующую обмотку ТА2 — ток
фазы С. В первичные обмотки с меньшим числом витков подается ток
нулевого провода трансформаторов тока.
При таком соединении токовых цепей исключается влияние состав-
ляющих нулевой последовательности на работу реле. Ко вторичным
обмоткам подключен фильтр токов обратной последовательности, яв-
ляющийся основной частью узла формирования реле. Схема фильтра
описана в § 4 (см. рис. 21). Непосредственно к выходу ФТОП присо-
70
единен активный полосовой фильтр, настроенный на рабочую часто-
ту. Фильтр входит в состав узла формирования чувствительного орга-
на и служит для подавления высших гармоник, содержащихся в посту-
пающем на него сигнале. Описание подобного полосового фильтра
имеется в § 3 (см. рис. 14, б). Выходной сигнал от ФТОП подается с
делителя напряжения на резисторах R8 и R9 в узел сравнения грубого
измерительного органа.
Узлы сравнения обоих органов выполнены одинаково. В каждом
из них имеется однопороговый компаратор, времясравнивающая АС-це-
почка и триггер Шмитта, служащий одновременно пороговым элемен-
том и исполнительной частью узла. Работа узла сравнения основана на
сопоставлении времени превышения входным сигналом заданного
опорного напряжения с временем, когда входной сигнал меньше опор-
ного. Такой узел рассмотрен в § 4 (см. рис. 24). Выходные узлы обо-
их органов и делитель питания постоянным оперативным током мало
отличаются от примененных в реле РСТ 11 — РСТ 14 и описаны также в
§ 4 (см. рис. 27 и 28, а).
Параметры реле РТФ 8 и РТФ 9 не хуже, чем у других токовых реле,
содержащих ОУ. Они пригодны для работы при температуре окружа-
Рис. 30. Схемы реле тока обратной последовательности серии РТФ 9:
а — структурная; б — принципиальная
71
R32
ЗД5к
ГАЗ
SB1
SB3
34
VD3
735
30
TAZ
32
с
R37
267 к.
R33
365
R35
665
СЗ _L
ЗмкФ “Г
ЗБ
R5
43к
SB2
534
332
R30
ЗОн
R24
396к
R25
309К
525
350К
\А2
КД522Б
КЗВ
ЗЗЗК
nzo
ID ZU к
3Z
СБ
ЗЗпФ
RZ7
820к
R2B
SB6
ХРЗ
SB7
03
RZ9
300 к
R3
62к
R4
9,5k
02 4=
03 мкФ
150к 39Бк
3Z
R33
зйк
07
ЗЗпФ
01ыФ —•— z
' 036
220пФ
О 30
Рис. 30
(продолжение)
1
ющего воздуха от минус 40 до плюс 55 °C. Коэффициент возврата ре-
ле не менее 0,95, а время срабатывания не более 50 мс.
В чувствительном органе реле РТФ 8 благодаря наличию селектив-
ного фильтра составляющие третьей и пятой гармоник фазных токов,
проникающие через фильтр обратной последовательности, снижаются
в 3—4 раза перед тем, как поступить в узел сравнения.
Для выполнения заданной уставки по току обратной последователь-
ности необходимо перевести соответствующие переключатели на ли-
цевой табличке реле в разомкнутое, выступающее состояние. Получен-
ный ток срабатывания реле определяется как сумма, слагающаяся из
минимального тока срабатывания, значение которого указано на таб-
личке, и чисел, нанесенных у головок переключателей, поставленных
в разомкнутое положение: /С}Р = (1т[П + S©) А, при этом риски на тор-
цах гойовок указывают на выбранные числа.
Дифференциальные реле тока серий РСТ 15, РСТ 16 применяются
в качестве измерительных органов дифференциальной защиты пони-
жающих трансформаторов и мощных электродвигателей. Так же как
и другие реле серий РСТ, эти реле.имеют сейсмостойкую конструкцию.
Реле РСТ 15, РСТ 16 обладают высокой степенью отстройки от пере-
ходных токов небаланса, возникающих при включении трансформато-
ров и двигателей под напряжение. Поэтому ток срабатывания диффе-
ренциальной защиты при применении этих реле можно устанавливать
на уровне 0,5 номинального тока трансформатора или двигателя.
Область применения реле серий РСТ 15, РСТ 16 ограничивается
объектами, для которых не требуется автоматически загрублять защи-
ту при близких внешних КЗ, т.е. когда не требуется .реле с тормозны-
ми характеристиками.
Серия реле РСТ 15 предназначена для сетей с промышленной часто-
той 50 Гц, а серия РСТ 16 — для сетей с частотой 60 Гц. Все реле имеют
номинальный ток 5 А и рассчитаны на питание постоянным оператив-
ным током 220 В. В условном обозначении реле после номера серии
стоит цифра 1 или 5, указывающая, для какого способа подсоедине-
ния внешних проводов собрано реле на заводе. Цифра 1 относится
к переднему, а цифра 5 — к заднему присоединению проводов. Кроме
того, в обозначении приводится сокращенное выражение о внешних
условиях применения — для умеренного или тропического климата.
Познакомимся с устройством и принципом работы реле серий
РСТ 15, РСТ 16. На структурной схеме реле (рис. 31, д) выделены
функциональные звенья, обеспечивающие особые свойства таких реле.
Датчик тока 7ИГ — это трансреактор, нагрузкой которого служит
выпрямительный мост, состоящий из двух диодов и двух резисторов.
О подобной схеме шла речь в § 4 (см. рис. 19, г). Благодаря транс-
реактору в узел формирования реле не попадают медленно затухаю-
щие апериодические составляющие, содержащиеся в дифференциаль-
ном токе.
74
Трансреактор TAV реле серий РСТ 15, РСТ 16 (рис. 31, а) имеет
три первичные обмотки — одну основную (дифференциальную) с 30 вит-
ками и отводами от 12, 16, 20 и 25-го витков и две дополнительные по
три витка в каждой с отводом от 1-го витка. Отводы выведены на лице-
вую плату трансреактора и могут связываться гибкими проводами с
выходными зажимами реле. Основная и дополнительные обмотки свя-
заны между собой перемычками.
Нагрузочный мост принятого вида обеспечивает требуемую чувст-
вительность реле при небольших размерах датчика тока. К выходу
нагрузочного моста подсоединен делитель из резисторов R3—R6, с
которого берется доля дифференциального тока, подаваемая в актив-
ный фильтр нижних частот А].
Нагрузочный мост, делитель и фильтр нижних частот образуют узел
формирования реле. С помощью переключателя К резистор R5 может
Рис. 31. Дифференциальное реле тока серии РСТ 15:
а — структурная схема; б — амплитудно-частотная характеристика ФНЧ; в —
ь временные диаграммы работы реле; г — принципиальная схема
75
Рис. 31 (продолжение)
+220 ВС>49
-220 BQ/fi
Рис. 31 (продолжение)
05.10 вт
$|W
XS1
fO
ao
*<=30
H4 TAV4
К4
IB
20
25
30
42
w,~S
40СУ
H2
K2 3
wt = 3
12<У
65
KJ J
b/M
С1
0/5мкФ
Wif=4800~Y
ЬКЧ
— О
XSZ
XSJ
043
649k
04P
гр5м
045
750k
™\\
/59* U
08
59k
XS9
046
962 k
OB 11 257k
XS5 XP2
22k
0V4
CO/''
150 В
\2O1
—Й—
КД202Б
04
6£4
№2
02
681
03
9,7k
001нкФ к—
СЗ =М7<
ХР4
87
СОЗ 1 ‘ 59 К
3
PS
33,4k
09
68k
' SB4
9 7 O2¥
О 6 4к
044
6,2k
A2
XP6
VD3
НД202Б
OS
541
2
3Q
040
5ЁК
642
62 k
9 КР4ЧО
5D7
С2
097»^
06 4=
OISmkQ
-15 В
У XP9
C5
0,29
мкФ
28000w
1108
99Л
08
QpKfSb
5
'>
VD7l i
2О9Б
R23
З^к Л
65,10 И
йт
VT1
622
АЗ.»7
J , У <
2
t>
❖ 5"
048
9,7 м
KC545A
VD5
515A
VDB
КД
VL9
5&Б №
0,45мкФ
— СБ
=£07
045
мкФ
VW
XP5
209Б
быть исключен из схемы делителя. За счет этого значение выходного
сигнала, подаваемого на ФНЧ, изменяется в отношении 1:2. Переклю-
чатель К предназначен для ступенчатого изменения уставки реле по
току срабатывания в 2 раза (К = 1 и К = 2).
Инвертирующий активный фильтр нижних частот А1 выполнен по
схеме с многопетлевой обратной связью, описанной в § 3 (см. рис. 14, а).
Параметры резисторов и конденсаторов, входящих в схему фильтра,
подобраны так, что для постоянной слагающей входного сигнала ко-
эффициент фильтра равен I. При рабочей частоте его коэффициент усиле-
ния имеет максимальное значение, достигающее 2,2, а при частоте вто-
рой гармоники рабочей частоты он понижается до 0,9. На рис. 31, б
изображена амплитудно-частотная характеристика такого фильтра.
Форма сигналов, образующихся на выходе узла формирования при
появлении повышенного дифференциального тока, резко различается
в зависимости от того, является он током КЗ или током включения.
Это позволяет получать управляющий сигнал на выходе узла сравне-
ния только при КЗ в зоне защиты. Сам узел сравнения выполнен приме-
нительно к этой задаче. Он состоит из компаратора А2 и элемента вы-
держки времени АЗ. Элемент выдержки времени АЗ работает по схеме,
описанной в § 3 (см. рис. 17, а). Установленная выдержка времени
элемента АЗ равна 22 мс. При этом ОУ элемента времени является
также исполнительной частью узла сравнения. Для обеспечения релей-
ного эффекта выход элемента времени АЗ соединен положительной
обратной связью с входом компаратора А2.
Узел выхода и узел питания реле серий РСТ 15, РСТ 16 отличаются
ненамного от примененных в реле серий РСТ для постоянного опера-
тивного тока 220 В.
В нормальном режиме, когда по вторичной обмотке трансформато-
ра проходит только незначительный ток небаланса, напряжение на вы-
ходе фильтра нижних частот А] составляет не более 15 мВ. Опорный
ток 1оп замыкается через выход фильтра, создавая на инвертирующем
входе компаратора А2 положительный потенциал. На выходе компара-
тора А2 держится отрицательное напряжение, составляющее около
минус 13 В. На выходе элемента времени, как это видно из диаграммы
работы подобного элемента на рис. 17, б, будет иметься примерно та-
кое же отрицательное напряжение, которое надежно запирает транзис-
тор узла выхода реле, при этом по цепи положительной обратной свя-
зи на неинвертирующий вход компаратора А2 поступает небольшой
отрицательный потенциал.
На рис, 31, в представлены временные диаграммы работы реле РСТ 15,
РСТ 16 при КЗ в зоне защиты и при включении защищаемого объекта
под напряжением.
Начнем с действия реле при КЗ, которое иллюстрирует левый ряд
диаграмм. На первой из них показано изменение во времени диффе-
78
ренциального тока, протекающего в этом случае по первичной обмот-
ке трансреактора. Следующая изображает форму выпрямленного тока
/р, поступающего на вход фильтра нижних частот А1. Как видно из
диаграммы, этот ток имеет характер пульсаций с частотой, вдвое боль-
шей рабочей. Составляющие промышленной частоты в токе отсут-
ствуют полностью. Если нет апериодической составляющей, подавляемой
трансреактором, то при прохождении через фильтр постоянная слагаю-
щая этого тока сохраняется в неизменном виде, а гармоника двойной
частоты подавляется. Выходной ток фильтра /ф приобретает форму
постоянного тока с огибающей, имеющей уменьшенную примерно на
70 % пульсацию двойной частоты. Роль фильтра сводится в этом слу-
чае к сглаживанию сигнала.
При повреждении в зоне значение тока /ф превышает опорный ток
zon. Так как фильтр нижних частот А1 инвертирующий, то направле-
ние тока /ф оказывается противоположным току гоп. На инвертирую-
щем входе компаратора А2 эти токи сложатся, а так как ток г'ф боль-
ше, то знак входного тока компаратора изменится. Это вызовет немед-
ленную перемену знака выходного напряжения компаратора А2 на по-
ложительный. Отработает свою выдержку времени элемент АЗ, и че-
рез 22 мс откроется транзистор в узле выхода. Сработает выходное
реле и замкнет свои контакты.
Благодаря положительной обратной связи на неинвертирующем вхо-
де компаратора А2 появляется небольшой положительный потенциал.
Теперь для возврата реле требуется, чтобы дифференциальный ток стал
меньше тока срабатывания на значение, определяемое коэффициентом
возврата.
Иначе проходит процесс в реле, когда в первичной обмотке транс-
реактора появляется ток включения защищаемого присоединения.
Временные диаграммы такого процесса приведены в правом ряду
(рис. 31, в). На первой из них изображена кривая изменения вторично-
го дифференциального тока гд в первичной обмотке трансреактора,
форма которой характерна для случая подачи напряжения на силовой
трансформатор. Близка к ней и форма такого тока при включении
двигателя. Этим кривым свойственна большая несимметрия относи-
тельно оси времени.
На следующем графике показан ток гр, поступающий в фильтр ниж-
них частот А1. Форма тока гр определяется тем, что этот ток является
долей выпрямленной производной дифференциального тока. В токе
г'р преобладает составляющая промышленной частоты и содержится
меньшая по значению постоянная слагающая. При прохождении через
фильтр слагающая промышленной частоты усиливается примерно в
2 раза больше, чем постоянная. Выходной ток фильтра г'ф приобре-
тает вид, показанный на следующей диаграмме. Он близок по фор-
ме к симметричному синусоидальному току и имеет положительные
79
и отрицательные полуволны. Отрицательные полуволны ?ф, мгновен-
ные значения которых превышают /оп, вызывают появление на выхо-
де компаратора А2 положительных импульсов, под воздействием ко-
торых элемент АЗ начинает отсчет своей выдержки времени. Но так
как ширина положительных входных импульсов компаратора А2 не
доходит до 22 мс, то срабатывания элемента времени не происходит,
и реле подействовать не может.
На рис. 31, г показана принципиальная схема реле РСТ 15.
По своим техническим данным реле РСТ 15, РСТ 16 лучше выпускае-
мых электромеханических реле серии РНТ 565.
Ток срабатывания реле может устанавливаться в пределах от 0,4 до
2,4 номинального. Коэффициент выравнивания при неравенстве вторич-
ных токов плеч может изменяться от 0,627 до 1,6. Точность выравнива-
ния составляет 7 %. Время срабатывания реле при токе, равном утроен-
ному току срабатывания, не более 40 мс. Потребление реле по цепям
переменного тока равно 2,5 В - А. Потребление цепей оперативного тока
в нормальном режиме равно 7 Вт, а при срабатывании реле - 9 Вт.
Число витков основной части дифференциальной обмотки (зажимы
6 и 8) определяется, исходя из заданной уставки по току срабатывания
реле Ц CjP, для плеча, где ток в нормальном режиме больше токов
других плеч защиты. Для определения нужного отвода делят значение
МДС срабатывания реле при относительной уставке Zc,p* = 0,5, состав-
ляющей 50 А, на заданный ток. По полученному результату выбирают
отвод с ближайшим меньшим числом витков (wOCH). Витки других
плеч подбирают с учетом равенства МДС: ZC)PwOCH = Z2c,p(w/ + н’доп)>
где Wi — используемые витки основной обмотки, к которым подсоеди-
няется дополнительная обмотка; мдоп — используемые витки дополни-
тельной обмотки; Z2C;P — ток срабатывания другого плеча. Затем опре-
деляют нужную уставку по относительному току срабатывания:
^с,р* ~ Zj с,р ^Сн/ЮО А.
По полученным резульататам устанавливают в соответствующее по-
ложение переключатель К и вставляют штекеры в нужные гнезда
XS1-XS5 на лицевой плате. Резистором R4 пользуются при наладке
реле, если нужно подстроить уставку с точностью до 10 %.
Реле направления мощности серий РМ 11, РМ 12 являются одними
из первых изделий на базе микросхем, внедренных в серийное произ-
водство на Чебоксарском электроаппаратом заводе. Эти реле пред-
назначены для замены индукционных реле направления мощности,
выпускавшихся до настоящего времени. Индукционные реле обла-
дают рядом принципиальных недостатков, таких, как наличие самохо-
да и вибрации контактных систем, низкая механическая устойчивость.
Многократные попытки избавить реле от этих недостатков не дали ве-
сомых результатов. Поэтому вопрос создания реле направления мощ-
ности на новой базе стоял особенно остро.
80
По аналогии с существующими индукционными реле мощности но-
мер серии реле РМ определяется по углу максимальной чувствитель-
ности <£х. Реле серии РМ 11 имеют два дискретно устанавливаемых
угла <^х: минус 30 и минус 45°, а реле серии РМ 12 — один угол, рав-
ный пдюс 70 °. Соответствующие зоны срабатывания реле РМ пред-
ставлены на рис. 32, а. В каждой из этих серий имеется несколько типоис-
полнений реле, которые находят отображение в условном обозначении
реле- Двузначное число, следующее за номером серии, показывает, на
какой номинальный ток это реле изготовлено. Число 11 соответствует
току 1 А, а число 18 — току 5 А. За этим числом идет цифра 1 или 2,
свидетельствующая о виде питания оперативным током. Цифра 1 —
питание от источника напряжения постоянного тока НО или 220 В,
а цифра 2 — комбинированное питание от вторичных цепей перемен-
ного тока защищаемого объекта и напряжения 220 В сети собственных
нужд. В последнем случае нормальное действие реле обеспечивается
при отклонении напряжения в пределах 0,5—1,15 номинального или
токе от 0,5 до 30-кратного значения по отношению к номинальному.
Рабочая частота 50 или 60 Гц определяется потребителем при офор-
млении заказа. Также указывают значение напряжений оперативного
постоянного тока 110 или 220 В.
В схеме реле серий РМ 11, РМ 12 имеется всего один ОУ, установлен-
ный на выходе узла сравнения. В остальном реле построено на резисто-
рах, конденсаторах и полупроводниковых приборах массового приме-
нения. Этим оно существенно отличается от других статических реле,
собранных из типовых функциональных элементов.
На рис. 32, б представлена структурная схема реле серий РМ II,
РМ 12.
Пунктиром обведены элементы, образующие узел сравнения (УС).
В нем осуществляется раздельное сравнение фазовых сдвигов меж-
ду напряжениями Ejj и Ej, сформированными в узле формирования
из поданных на реле напряжения и тока. С помощью фазоповоротных
схем обеспечивается такое положение, чтобы сдвиг между Еу и Ej
равнялся нулю, когда сдвиг между подведенными £7р и 7р достигает
угла максимальной чувствительности <^х соответствующего типа реле.
Благодаря этому во всех типоисполнениях реле используется одна схе-
ма узла сравнения. Командный управляющий сигнал на выходе реле
возникает при условии, если напряжения Ец и Ej оказываются сдви-
нутыми на угол не более чем ± 90°, которым определяется зона сраба-
тывания реле. Это соответствует совпадению знаков мгновенных зна-
чений сравниваемых напряжений Ец и Ej в течение одной четверти
периода и более.
Особенностью узла является раздельное сравнение интервалов совпа-
дения и несовпадения мгновенных значений положительного и отрица-
тельного знаков. Сигналы, полученные при раздельном сравнении, сум-
81
6-6985
Рис. 32. Реле направления мощности серий РМ 11, РМ 12:
а — зоны срабатывания; б - структурная схема; ДН _ датчик напряжения;
ДТ — датчик тока; — фазоповоротная схема; ФИС — формирователь импульсов
совпадения мгновенных значений сравниваемых напряжений (знак плюс относит-
ся к положительным значениям, а знак минус — к отрицательным значениям этих
напряжений); ^сов/^нс — времясравнивающая цепочка; ограничитель уров-
ней напряжений; 2 — сумматор; А1 — выходной компаратор с положительной об-
ратной связью; УВ — узел выхода; УП — узел питания
мируются и подаются на пороговый элемент — выходной компаратор Л 7.
Если уровень суммарного сигнала превышает порог срабатывания ком-
паратора, на выходе А1 возникает командный сигнал, вызывающий
срабатывание выходного реле с контактным выходом.
Для того чтобы разобраться более детально, как работают реле серий
РМ 11, РМ 12, рассмотрим принципиальную схему и временные диа-
граммы работы одного из таких реле (рис. 33).
На рисунке 33, а показана хсема реле РМ 11, питающегося от источ-
ника напряжения постоянного тока 220 В. Пунктиром выделены те час-
ти схемы, исполнение которых зависит от типа реле. Часть схемы под
82
цифрой 1, обведенной кружком, содержит датчики тока и напряже-
ния и относящиеся к ним фазоповоротные и согласующие звенья. Часть
схемы под цифрой 2, обведенной кружком, изображает узел выхода
и узел питания ± 220 В. Оставшаяся часть схемы представляет собой
узел сравнения, одинаковый для всех исполнений реле серий РМ 11,
РМ 12. На рис. 33, б показаны отдельно датчики тока и напряжения и
их фазоповоротные и согласующие звенья, присущие реле серии РМ 12,
а на рис. 33, в — комбинированный узел питания от трансформаторов
тока и напряжения собственных нужд переменным оперативным током
220 В.
К датчику напряжения TV реле РМ 11 (рис. 33, а) с помощью пере-
ключателей SB1—SB4 может подключаться одна из двух фазоповорот-
ных схем для получения выбранного угла <рх (30 или 45°). Основной
нагрузкой датчика тока 734 является резистор R2, другие подсоединен-
ные к 734 элементы — стабилитроны VD1 и VD42, фазовый корректор,
состоящий из R3, VD3 и С2, а также интегрирующая цепочка R4-C4
служат для компенсации угловых погрешностей и искажений формы
кривой тока во всем диапазоне значений тока КЗ.
В схеме датчика напряжения TV реле РМ 12 (рис. 33,6) установлены
переключатели SBl—SB4tvix ступенчатой регулировки уставок срабаты-
вания реле по напряжению, имеющих значения 1—3 В. Датчик тока 734 V
реле этого типа нагружен на резистор R2. Сердечник 734 И выполнен с
зазором. Его индуктивность намагничивания вместе с конденсаторами
СЗ и С4 образуют фильтр, настроенный на рабочую частоту. Назначение
фильтра — снизить уровень высших гармоник, поступающих в схему ре-
ле из токовых цепей.
Цепи, подсоединенные к датчикам, служат узлами формирования
срвниваемых напряжений Еу и Еу, подаваемых соответственно на вхо-
ды a-б и e-г узла сравнения. В узле формирования датчика напряжения
создается постоянный сдвиг по фазе между напряжением Up, поступаю-
щим на реле от трансформаторов напряжения, и напряжением Еу. За
счет этого сдвига обеспечивается получение заданной угловой характе-
ристики реле.
На выходе узла формирования датчика тока образуется напряжение
Ej, представляющее собой падение напряжения на резисторе R2, пропор-
циональное току, проходящему по первичной обмотке датчика.
Работа узла сравнения реле серий РМ 11, РМ 12 основана на принципе
сопоставления времени совпадения знаков мгновенных значений срав-
ниваемых напряжений Еу и Ej со временем несовпадения этих знаков.
Если время совпадения знаков превышает четверть периода промыш-
ленной частоты, то реле срабатывает. При меньшем времени совпадения
реле не действует.
Надо иметь в виду, что реле может подействовать только в том слу-
чае, когда время совпадения знаков мгновенных значений, как поло-
83
Рис. 33. Принципиальные схемы и характеристики реле серий РМ 11, РМ 12:
а — схема реле РМ 11; б — схема датчиков тока и напряжения реле РМ 12; а - схема комбинированного узла питания реле
переменным оперативным током; г — временная диаграмма работы узла сравнения
Рис- 33 (продолжение)
жительных, так и отрицательных, становится больше четверти периода
Такое двойное сравнение предотвращает неправильную работу реле пр
наличии апериодических составляющих в сравниваемых напряжения
и позволяет уменьшить время срабатывания реле. Если бы сравнени
проводилось дня мгновенных значений сравниваемых напряжений толь
ко одного знака, то могла бы произойти неправильная работа реле из-з
одностороннего смещения кривой напряжения при наличии апериоди
ческой составляющей. Она может обусловливать расширение интерва
ла совпадения мгновенных значений выбранного знака при одноврс
менном сокращении интервала совпадения напряжений другого знака
На входах узла сравнения установлены транзисторы VT1 и VT2. Пр1
отсутствии сравниваемых напряжений оба транзистора полностью открь:
86
ты, так как через базу каждого из них протекает открывающий ток,
идущий от плюса питания через резисторы R5R9 и диоды VD5— VD8.
Если на вход узла подано только одно из сравниваемых напряже-
ний, например Еу, то при положительной полуволне запрется диод
VD5, а при отрицательной — диод VD7. Запирание диодов происходит
потому, что изменяется направление тока через относящиеся к ним ре-
зисторы, при этом транзисторы VT1 и VT2 остаются открытыми, так как
положительный потенциал на их базах поддерживается через откры-
тые диоды VD6, VD8.
Если на схему подать другое сравниваемое напряжение Ej и при
этом Еу будет отсутствовать, то аналогично вышеизложенному тран-
зисторы VT1 и VT2 останутся открытыми через диоды VD5 и VD7.
Таким образом, при поступлении на схему узла сравнения только
одного из сравниваемых напряжений срабатывания реле не происхо-
дит.
В случае одновременной подачи на узел обоих напряжений Еу и
Ej в промежутки времени, когда знаки мгновенных значений этих
напряжений совпадают, транзисторы VT1 и VT2 будут поочередно за-
крываться. При положительных знаках мгновенных значений обоих на-
пряжений закроются диоды VD5 и VD6, База транзистора VT1 окажет-
ся связанной с отрицательным напряжением минус 5 В через резистор
R20, и VT2 закроется. На его выходе возникает положительный им-
пульс, ширина которого определяется временем совпадения знаков
сравниваемых напряжений.
При отрицательных знаках обоих напряжений будут запираться диоды
ИО7 и VD8, закроется транзистор VT2. На выходе VT2 появится анало-
гичный положительный импульс.
На рис. 33, г приведены временные диаграммы работы реле РМ 11 —
РМ 12. На верхней диаграмме показаны кривые изменения напряжений
Еи и Ej для граничного положения, когда угол сдвига между ними ра-
вен 90°. Интервалы, в которых знаки сравниваемых напряжений совпа-
дают, заштрихованы.
На расположенных ниже диаграммах коллекторных напряжений
VT2 и V72 видно, что положительные импульсы на их выходах чере-
дуются, точно повторяя интервалы совпадения знаков мгновенных
значений сравниваемых напряжений.
Выходные сигналы с коллекторов VT1 и VT2 прходят соответст-
венно каждый на свою времясравйивающую цепочку. Для VT1 она со-
стоит из резисторов R12, R14, диода VD11 и конденсатора С6, ддя
VT2 — из R23, R25, VD12 и С5. Когда VT1 и VT2 полностью открыты,
напряжение на их выходах равняется нулю. Нижние обкладки конден-
саторов С5 и С6 жестко подключены к шинке +10 В, а верхние оказы-
ваются в рассматриваемом случае связанными с той же шинкой через
открытые диоды 3 и 4 выпрямительного моста VS1- Оба диода открыты
87
токами, текущими по резисторам R14 и R15 и открытым транзисто-
рам VT1 и VT2 к нулевой шинке. Диоды VD11 и VD12, установленные
параллельно резисторам R14 и R15, находятся в запертом состоянии.
Таким образом, когда транзисторы VT1 и VT2 открыты, напряжение
Uorpl между обкладками конденсаторов С5 и Сб равно прямому паде-
нию напряжения на диодах 4 и 3 моста VS1, взятому с обратным зна-
ком. Напряжение с верхних обкладок конденсаторов С5 и С6 через
резисторы R16 и R17 поступает на инвертирующий вход компаратора
А1, создавая на его выходе напряжение положительного знака. Не неин-
вертирующий вход А1 по цепи обратной связи через открывающийся
диод VD17 поступает с резистора R21 положительный потенциал, опре-
деляющий порог срабатывания компаратора Un с. На выходе А1 дер-
жится максимальное положительное напряжение, приближающееся к
плюс 28 В. Выходной транзистор VT3 открыт и шунтирует обмотку
одного из подсоединенных к нему реле 1К или 2К.
Как было сказано выше, в промежутки времени, когда совпадают
положительные мгновенные значения сравниваемых напряжений, тран-
зистор VT1 закрывается. Начальный момент первого из этих проме-
жутков на временной диаграмме изменений Еу и Ej совпадает с момен-
том появления Ej, когда конденсатор С5 еще не начинал перезаряжать-
ся (пунктирная линия на диаграмме напряжений на конденсаторе t/fj)
и транзистор VT2 открыт до насыщения.
После запирания VT1 через резистор R12 и открывающийся диод
VD11 начинает заряжаться конденсатор С6, при этом закрывается
диод 3 моста ESI. Значение сопротивления RJ2 выбрано таким, чтобы
за время, соответствующее четверти периода, напряжение на С6 достиг-
ло максимального значения Ucmax- ^но определяется верхним уров-
нем ограничения £7огр1, когда открывается диод 2 моста VS1, и даль-
нейшее повышение напряжения на конденсаторе прекращается.
Как только VT1 снова откроется, сразу закроется диод VD11, и кон-
денсатор С6 начнет разряжаться через резистор R14 до уровня £7огр г.
Значение сопротивления R14 выбрано таким, чтобы на границе зоны
этот разряд заканчивался к началу следующего промежутка совпаде-
ния положительных сигналов, т.е. за 3/4 периода.
При наступлении промежутка совпадения отрицательных мгновен-
ных значений Еу и Ej закрывается транзистор VT2, и просходит заряд
емкости С5 до £7огр2 • К моменту окончания заряда С5 на конденсато-
ре С6 еще сохраняется напряжение, равное 1/3 Ucma Напряжения
UC6 и Uys приходят на инвертирующий вход компаратора А1 через
резисторы R16 и R17, имеющие равные сопротивления. Поэтому на
этом входе установится напряжение, равное полусумме напряжений на
конденсаторах, т.е. 2/3 ^Стах- Это напряжение подбирается несколько
выше порога сраатывания £7П с компаратора А1, и напряжение на его
выходе скачком снижается до значения, близкого к нулю. Транзистор
VT3 закроется, сработает выходное реле и замкнет свои контакты,
88
Одновременно по цепи обратной связи закроется диод VD17 и от-
кроется диод VD18. Напряжение на неинвертирующем входе А1 сни-
зится до порогового напряжения возврата (7П>В. Это напряжение подо-
брано так, чтобы после переключения компаратора А1 и закрытия
VT3 за время до срабатывания выходного реле не произошел сброс
выходного сигнала А1. Дело в том, что в течение этого времени мо-
гут быть моменты, когда оба транзистора VT1 и VT2 оказываются
открытыми, и нужно, чтобы происходящее из-за разряда понижение
напряжения не доходило ниже уровня ГП;П.
Попутно следует отметить, что, в связи с тем что в первом из про-
межутков совпадения положительных значений Ец и £/, показанном
на диаграмме рис. 33, г, когда на конденсаторе С5 напряжение было
близко к нулю, на инвертирующем входе А1 к моменту окончания
заряда С6 было напряжение, равное UcmaX№> что меньше (7П>С компа-
ратора А1.
Чтобы выставить заданное значение <^х у реле РМ11, нужно поста-
вить переключатели SB1-SB4, головки которых выведены на лицевую
плату реле, в положение, соответствующее выбранному углу. Для это-
го нужно поставить головку в спущенное положение и зафиксировать
ее, чтобы риска на торце головки была направлена в сторону обозначе-
ния выбранного угла.
Аналогично поступают при установке заданного напряжения срабаты-
вания реле РМ 12. На рис. 33, б показано положение головок для =
= 1 В. Головки других переключателей должны оставаться в выступаю-
щем положении.
Имеются некоторые отличия в выполнении узла выхода при питании
реле постоянным или переменным оперативным током. На постоян-
ном токе в схеме узла выхода стоят два транзистора VT3 и VT4. До
срабатывания реле транзистор VT3 открыт положительным напряже-
нием на его базе, при этом потенциал базы VT4 ниже потенциала его
эмиттера, VT4 закрыт, и в схему делителя напряжения оперативного
тока введен резистор R26t сопротивление которого равно сопротивле-
нию выходного реле. При срабатывании реле транзистор VT3 запира-
ется и дешунтирует обмотку выходного реле. Потенциал базы VT4
при этом повышается, VT4 открывается и закорачивает резистор R26.
За счет этого срабатывание выходного реле не вызывает изменения
уровней питающих напряжений, снимаемых с делителя.
При питании репе переменным оперативным током в узле выхода
ставится только транзистор VT3. Комбинированный узел питания ре-
ле переменным током (рис. 33, в) имеет две цепи питания: от напря-
жения 220 В трансформаторов собственных нужд и от собственных то-
ковых цепей защиты. В схеме узла имеется накопительный конденса-
тор С9 емкостью 200 мкФ, на котором поддерживается постоянное
напряжение с помощью управляемых тиристоров, установленных в обе-
89
их цепях питания. При повышении напряжения на конденсаторе С9
выше напряжения пробоя стабилитронов VD27-VD3Uтиристоры откры-
ваются и шунтируют цепь питания до окончания полупериода напряже-
ния переменного тока. Процесс повторяется, пока напряжение на кон-
денсаторе С9 не снизится до нормального уровня.
Технические данные реле РМ 11, РМ 12 имеют определенные преиму-
щества перед данным реле серии РБМ.
Область срабатывания составляет 165—180° при t/HOM и /Ном- Время
срабатывания реле PM 11 при утроенных значениях тока и напряжения
срабатывания и угле максимальной чувствительности с герконовым
выходом не более 30 мс, а с электромагнитным реле не более 45 мс,
время возврата не более 60 мс. Реле PM 11 имеет напряжение срабаты-
вания не более 0,25 В и относительный ток срабатывания не свыше
0,05 номинального.
Потребление измерительных цепей переменного тока составляет
0,15 В-А, переменного напряжения — 1 В-А для РМ 11 и 2 В А для
РМ 12.
Потребление цепей питания оперативным током при постоянном то-
ке 10 Вт, при переменном токе — от цепей напряжения 35 В-А (4 ВТ)
и от цепей переменного тока 10 В-А (4 Вт). Коэффициент загрубления
реле для частоты третьей гармоники по напряжению 9, по току 4,5.
Диапазон рабочих температур от -40 до +55 °C для умеренного кли-
мата.
Блок реле сопротивления БРЭ 2801 представляет собой комплект-
ное реле, содержащее три дистационных органа, каждый из которых
имеет на выходе отдельное электромагнитное реле типа РП 13 с одной
парой переключающих контактов. Такие блоки выпускаются Чебок-
сарским электроаппаратным заводом вместо комплектов реле сопро-
тивления типов КРС2 и КРСЗ. Как и эти реле, блок БРЭ 801 может ис-
пользоваться в качестве пускового или измерительного органа дистан-
ционной защиты линий и трансформаторов напряжением 110 кВ и выше.
Реле КРС2 и КРСЗ обладают значительными размерами, имеют весьма
сложную конструкцию; потребляют довольно большую мощность от
измерительных трансформаторов тока и напряжения и могут неправиль-
но работать при нарушениях в цепях напряжения и тока. Благодаря то-
му что схема блока БРЭ 2801 собрана на ОУ, его габариты и потребле-
ние получились меньшими, а возможность неправильного действия при
различных нарушениях в цепях резко сократилась.
Блок реле сопротивления БРЭ 2801 собирается в стандартной кас-
сете типа БУКб, которая помещается в металлический кожух с внеш-
ними размерами 376x270x216 мм, снабженный передней крышкой
из прозрачного материала. В разъемы кассеты вставляются три реле
сопротивления типа С108, выполненных в виде отдельных блоков,
и блок выходных реле типа Pl 110, совмещенный с делителем питания
оперативным током. Разъемы связаны с наружными выводами, распо-
90
ложенными на кожухе. Они служат для подсоединения блока к цепям
измерительных трансформаторов, источнику питания оперативным
током и логической части защиты.
Подключение реле сопротивления С108 к трансформаторам тока
и напряжения может осуществляться двумя способами: на междуфаз-
ное напряжение и разность токов двух фаз или на фазное напряжение
и фазный ток с компенсацией тока нулевой последовательности.
Блок реле сопротивления БРЭ 2801 может применяться в разных
схемах дистанционной защиты. Поэтому в нем предусмотрена возмож-
ность получать несколько отличающихся друг от друга характеристик
срабатывания.
За основу принята характеристика в виде окружности, угол макси-
мальной чувствительности которой может быть установлен равным
65 или 80°. Расположение окружности на комплексной плоскости в
осях R и jX может меняться в зависимости от требований к защите.
Можно получать следующие характеристики срабатывания (рис. 34, а):
1 — направленная окружность, смещенная в первый квадрант с плав-
ной установкой смещения от 5 до 50 % уставки;
2 — направленная окружность с нерегулируемым смещением в пер-
вый квадрант на 5 % уставки;
3 — направленная окружность, проходящая через начало координат;
4 -6 — направленная окружность с заданным смещением в третий
квадрант соответственно на 5, 12 или 20 % уставки;
7 — ненаправленная окружность с центром в начале координат.
В схеме реле сопротивления предусмотрена возможность изменять
принятую за основу круговую форму характеристики, приближая ее
к эллиптической с отношением малой и большой осей е = 0,75 и е = 0,5
и сохраняя при этом наклон большой оси равным углу максимальной
чувствительности (рис. 34, б). Значение е для круговой характеристи-
ки равно единице.
Блоки реле сопротивления БРЭ 2801 выпускаются на номинальные
токи 1 и 5 А. В структуре условного обозначения блока им соответст-
вуют двузначные числа 20 или 27, помещаемые после собственного обо-
значения блока. За этими числами следует заглавная буква, обозначаю-
щая рабочую частоту блока — Е — относится к частоте 50 Гц, а И — к
60 Гц. За этими буквами стоит цифра 2 и буква, присваиваемая моди-
фикации реле по минимальному сопротивлению срабатывания. В за-
висимости от номинального тока эта буква означает: при /ноМ = 1 А
букве А соответствует минимальное сопротивление 5 Ом, а букве Б —
20 Ом, а при /Ном ~ 5 А букве А соответствует 1 Ом, а Б - 4 Ом.
Минимальные уставки по сопротивлению срабатывания модифика-
ции А могут быть уменьшены в 2 и 4 раза за счет переключения нагру-
зочных сопротивлений в датчике тока. Коэффициент kj, соответствую-
щий этим изменениям, может иметь значения, равные 1; 0,5 и 0,25.
Установка заданной уставки производится путем ступенчатого и плав-
91
Рис. 34. Блок реле сопротивления типа БРЭ 2801:
а — характеристики срабатывания реле; б — варианты круговой и эллиптичес-
кой характеристик срабатывания реле; в — векторная диаграмма для пояснения
принципа работы реле; г - векторная диаграмма токов и напряжений в узле фор-
мирования; д — структурная схема; г - принципиальная схема
УИ
R2
-UT
<^s-sov-
RB
УФ
SB3
<f^S5(eo)
УС
ХВЗ R<t5
от
R4
R7
R43
R46 С1
и =B5l8O^
7м¥
А4
КМ АУ ХРЗ
Л
R50
ДТ
RIB П| Пол приза. -
£4
^АБ
Д"
+Uab
+ U,
/?вГ]
О'! >4 ^<2%
(DJ
ei °,5 л J И
(DJ -га'/с
е А/<7Г]
>025
ej з -400°(о
<о>-^
, КЯ7
/У % К
4OQ
25
42
в
3
R41
R42
-^л
. >
К PC других (раз
585
R45
I и,ия
~иМ8\
RJB
у =55(80°) [-
СЯ4^
Синение
R49
и Р92П
А2 XPZ U А5
VJJZ
K4(Z,3,
R54
А Б АР5
ФИН
Узел
ffb.AL
Л 7 ХР6 D4
4
I и
кггзве
I
£5 ¥нв(
Ф е
Ф е
ф е
+ UeA
RZZ^.
тУР .
памяг-
ти.
о
ХРЧ
0~45В\ \41OB
±15 В
УП
Поляризация^^- |_______
Смеице- Поляра -
ние 3110,0. я
Ф е
Ф е
Ф е
220'440) В
Рис. 34 (продолжение)
+ 45 В
Я4: 98
Контроль
Х2-3
К2
496
KS
970 KS2 4-5
•^смещ %
XS4 Х84 +5-^ 4-50
----се»----
hz.tf
Kl-S
кг-в
K4:32A
ппз
К6\
35.7к
R7
XS3
-Б
-42
-20
XS5
Контроль
KS6
-400
4
МО
562
КЗ
922*
Кб
56.2*
XS7 к82 M-iOOVo
-J--ч< г)-------
0А4
К4 Г Т КЗ
4008 1 9500W J49K
•
\922к
Х5*
KZ9
45 к
KU. 907А
4-4 29A
K4.468
XS 40
XS44
KS4Z
кзв ,
xss ,
50
25
42
6
X4'-498
J
Рис. 34 (продолжение)
6.44
’Л8Л
,К42\
54*
0,9
V4
ГгН1^?}
040
04
639
Я21
KS535D7
505
-458
R45
49 К
69В
400*
R43
47,6 к
КЗЗ
^4к
- 07
ДОмяФ
Ор97нкФ
R4SI
6B7* I
К25'' R27
9.09к 9,09к
\С9
\ОЗЗниФ
Т^В5(65)°
ХР5
40
4&К 5 -О-
VD4
+ 45 В
VD2
vz
629 3,09k R35 $09*
XP2
049
5226
VE5
R97
400*
V9
।-------~—1 R98
1|
£‘° Г1
R92I
1033ннф 54К Н
649
47.8k
X4'.25B
K4-48B
646
49к
R49
вв;7к
Смеще\
пае
R47
586
621
><Г
745к
ЗВ6
фЗнкФ 6J7
390к
699
9,09*
2^
В <
Поляризация
Ofl97tw,Q
Поляра. -
зицая
5В7 'ТТ
08
о^Г
4Вн 5 ’°-
623
K55H7B7
бТвзо
’Н«й
W-M 2ООк^0р1тф
04
К реле
Вход
подпитки
621
200к.
X4:3A
е)
— 45В
693
390к
<ШмкФ 5,4к *
R9O <М>Г>
5.4к
44§
40
\7.^5Б l^VDO
VH7_______
X83
835 9/>9к
631 f21ft
Ml
ОЗЗпчФ 11
. 44QA3
-Mirk
5
Б,3к
09
632
969 л
045
ЦЗЗмкФ
иС9
0р4м*Ф
К4.2А
01 --------------
оззнкЗ
048
0,33
мкФ
049
XS45JXS44
М4П656
ДЛ||«7л
]Я5?~----
459*
+ 45В
VO8l^
446A7^C4B
—
_ ЗЙОпФ
ДЗЗнкФ
Выход
XP6
ного изменения напряжения, снимаемого с выхода датчика напряжения.
С их помощью значение сопротивления срабатывания может быть уве-
личено до 40-кратного по отношению к минимальной. Необходимо
иметь в виду, что регулировка смещения характеристик реле по
рис. 34, я, б не влияет на значение выбранной уставки срабатывания
и угла максимальной чувствительности.
Изучение принципа работы реле сопротивления, входящих в состав
блока БРЭ 2801, начнем с рис. 34, в, на котором в осях R и/Х изображе-
на характеристика реле сопротивления в виде окружности, смещенной
в третий квадрант. На этой окружности отмечены точки 1 и 2, лежащие
по концам диаметра, проведенного под углом максимальной чувстви-
тельности. Эти точки, названные особыми, служат исходными для по-
лучения требуемой зоны срабатывания реле.
Вспомогательные векторы, соединяющие начало координат с точка-
ми 1 и 2, обозначим Zt hZ2- Посмотрим, какая существует связь меж-
ду этими двумя векторами и положением произвольного вектора Z,
расположение которого может быть как в зоне срабатывания, так и за
ее пределами. Вначале рассмотрим случай, когда вектор Z - Z"' лежит
внутри характеристической окружности. Построим два разностных
вектора Z. — Z± и Z * — Z-?, каждый из которых предсталяет собой
разность между вектором Z' и векторами и Z2 соответственно.
Угол а между полученными разностными векторами больше я/2, так
как он является углом при вершине треугольника, опирающегося на
диаметр характеристической окружности. Это свойство может быть
отнесено и к любому другому вектору Z, конец которого расположен
внутри окружности. Только тогда, когда вершина треугольника лежит
на самой окружности, этот угол будет равен я/2. Очевидно, что для
вектора Z =_Z ", конец которого выходит за пределы окружности, угол
между соответствующими векторами Z " — Zx h^Z''-Z2 будет всегда
меньше я/2. Таким образом, для зоны срабатывания граничным являет-
ся угол аср = 7г/2. Условие срабатывания реле сопротивления с круго-
вой характеристикой может быть представлено с помощью следующего
выражения:
Z - Zj
-п/2 > аге---------> 7г/2.
Z - z2
Опираясь на это выражение, можно различить, находится вектор Z
в зоне или вне зоны срабатывания, измерив фазовый угол между двумя
векторами, проведенными из особых точек характеристической окруж-
ности к концу вектора^.
Если принять угол срабатывания реле большим, чем я/2, то характе-
ристика реле примет вид двух соприкасающихся дуг окружностей.
Такая характеристика с определенным допуском приравнивается к эл-
липтической. Она тоже используется в блоках БРЭ 2801.
95
Рассмотрим, как реализуется приведенное выше условие срабатыва-
ния в схеме реле сопротивления. Для этой цели в узле формирования
реле создают два сравниваемых напряжения и f?, пропорциональ-
ных разностным векторам Z—Zл и Z-Z?. В узле сравнения реле произ-
водится измерение фазового сдвига между этими напряжениями. Реле
срабатывает, когда угол сдвига становится больше установленного
угла срабатывания реле аср.
Чтобы разобраться в том, какими должны быть сравниваемые напря-
жения^ и_#2> вспомним, что при КЗ на линии первичное напряжение
на шинах питающей подстанции, на которой установлена защита линии,
равно падению напряжения на сопротивлении петли КЗ от первичного
тока КЗ С'ш =_/к^к- В измерительной части реле действуют пропорцио-
нальные первичным величинам вторичное линейное напряжение U и ток
_/, представляющий собой геометрическую разность соответствующих
вторичных фазных токов. Сравниваемые напряжения и Е2 создают-
ся в реле путем преобразования поступающих U и L Действительно,
если принять
_£i ~ lU+hiiL. и ^-2 =
и вынести за скобки кг х/, то получим
~ iLkUIL 2/^11) ~ ki ~^i)
и
#2 = kv .IJU/L + 2/jfci л) = fcu/(Z - Z2 ).
Здесь отношение Ujl_ = является приведенным значением сопротив-
ления петли КЗ, а отношения комплексных коэффициентов —fc12/^j 1 ~
=_Zr и “^22/Л11 =_?2 — соответствующими значениями вспомогатель-
ных векторов, проведенных из начала координат к особым точкам 1 и
2 на характеристике реле.
Обратимся к структурной схеме реле сопротивления блока БРЭ 2801,
показанной на рис. 34, д. Схема разделена штриховыми линиями на
три части. Слева находится воспринимающая часть реле, середину зани-
мает узел формирования, а справа расположены узел сравнения, узел
выхода и узел питания.
Узел измерения содержит датчик напряжения ДН, с выхода которого
снимается напряжение U, и датчик тока ДТ. К выходу ДТ подключены
нагрузочные резисторы R1-R4 и делитель из R2 и R5-R10. Переклю-
чатели SB1 и SB2 служат для ступенчатого изменения уставки реле.
Через делитель протекает ток Создаваемые на резисторах делителя
падения напряжения, пропорциональные току/, подаются в узел фор-
мирования. Описание датчиков напряжения и тока приведено в § 4.
В узле формирования имеются два сумматора, служащих для получе-
ния сравниваемых напряжений и Е2. Каждый сумматор состоит из
активного фильтра-сумматора и инвертирующего масштабного усили-
96
теля. Применен фильтр-сумматор с двойным Т-мостом в цепи обратной
связи, показанный в § 3 на рис. 20, а. На входе фильтров-сумматоров
установлены резисторы и последовательные АС-цепочки, нужные для
получения соответствующих входных токов. Ко входу второго сумма-
тора может еще подключаться отдельный контур ’’памяти” АЗ, о на-
значении которого будет сказано ниже. Остановимся на векторной диа-
грамме токов и напряжений, действующих в схеме реле сопротивле-
ния при КЗ в зоне срабатывания, представленной на рис. 34, г. Для на-
глядности эта диаграмма составлена для случая, когда сопротивление
петли КЗ совпадает с сопротивлением Z' на рис. 34, в. Это значит, что
показанный на рис. 34, г вторичный ток _Z отстает от напряжения U на
угол ip, равный углу р полного сопротивления Z*. Для получе-
ния напряжения,#! на вход фильтра-сумматора А1 подаются два вход-
ных тока. Один из них — это ток /^r, пропорциональный напряжению U,
а второй — ток Jz 1, который определяется током J_, но сдвинут отно-
сительно него на такой угол, чтобы его направление было противопо-
ложно направлению вспомогательного вектораZ^na рис. 34, в. Анало-
гично для получения напряжения Е2 нужно подать на вход другого
фильтра-сумматора А2 два входных тока. Одни из них — это такой же
ток Jy, как и поданный на вход А1, а второй — это ток Iz2-> создавае-
мый током 1, но имеющий направление, противоположное направлению
вспомогательного вектора Z2. Как видно из рис. 34, в, г, фазовый
сдвиг между суммарными входными токами сумматоров Jh % = +
+ Iz 1 и_72Е =JjJ^lz2 равен углу а между разностными векторами
Z' и Z' —Z2. Соответственно угол сдвига между напряжением ,
возникающим на выходе масштабного усилителя А4, и напряжением
#2, образующимся на выходе аналогичного усилителя А5, будет иметь
то же значение.
Ток 2^. определяется общим резистором R15, резистором R18 для
первого сумматора и резистором R19 для второго сумматора, причем
#18 = #19- Так как эти сопротивления чисто активные, то ток /и совпа-
дает по направлению с напряжением U. Отсюда следует, что коэффи-
циент ki j является действительной величиной.
Для того чтобы получить на входе А1 токJ_zi> расположенный в
третьем квадранте, используют напряжение минус Uj, снимаемое не-
посредственно с выхода ДТ. Tok_Zz; образуется в активно-емкостной
цепочке из R13, R16 и С1. Ток Jz 1 опережает создающее его напряже-
ние минус Uj на угол </?м ч, что соответствует исходным требованиям.
Ток lz2, приходящий на вход А2, создается в цепи из R]4, R17 и С2
напряжением плюс Uj, снимаемым с резисторов R2 и R5—R10. Он опере-
жает ток_/ на угол ч, т.е. противоположен по направлению вспомо-
гательному вектору Z2
Сравниваемые напряжения^! и Е2 поступают в узел сравнения. При-
менен узел сравнения, выполненный по схеме рис. 26 (см. § 4). Некото-
7-698S
97
рое различие схем состоит в том, что на входе преобразующей ^асти
в формирователе импульсов несовпадения ФИН вместо восьми диодов
оставлено четыре, так как сравниваются всего два напряжения. Изме-
нена немного и схема сравнения. В цепи интегратора поставлено три
зарядных резистора вместо одного. Это сделано, чтобы иметь возмож-
ность получать три значения аср, определяющих соотношение осей е
характеристики реле. Нужный е вводится переключателем ХВЗ.
В нормальном режиме и при КЗ вне зоны угол междуи Е2 неве-
лик. Он сравним с углом а" между разностными векторами на рис. 34, г
и не достигает угла срабатывания реле аср. Мгновенные значения на-
пряжений Еу и Еу имеют одинаковые знаки на подавляющей части
обоих полупериодов промышленной частоты. Реле не действует.
При КЗ в зоне срабатывания фазовый сдвиг между и Еу значи-
тельно возрастает и становится больше л/2. Соответственно время не-
совпадения мгновенных значений Еу и Еу превысит четверть периода,
и если реле имеет круговую характеристику, то оно сработает. При ис-
пользовании эллиптической характеристики, когда аср > тт/2, требуемое
время несовпадения будет больше четверти периода.
Контур ’’памяти” АЗ вводится в схеме узла формирования, когда
реле имеет характеристику, проходящую через начало координат, и осо-
бая точка 2 совпадает с ним. Ток на фильтр-сумматор А2 подаваться
не должен. Из-за зтого при КЗ вблизи шин возможен отказ защиты,
так как у реле появляется ’’мертвая зона”, вызванная отсутствием срав-
ниваемого напряжения Ег. Чтобы обеспечить работу реле при КЗ в на-
чале линии, в цепь фильтра-сумматора А2 вместо входного тока /по-
дается ток от контура ’’памяти”. Его назначение состоит в том, чтобы
при КЗ в зоне, сопровождающемся понижением Um до нуля, поддер-
жать на входе А2 достаточный для действия реле ток, направление кото-
рого совпадало бы с током 1ц предшествующего режима. В контуре
’’памяти” такой ток создается суммой напряжений плюс U'q^ и ми-
нус U'bc> представляющих собой примерно 3 % соответствующих линей-
ных напряжений ДН других фаз. Направление суммарного напряже-
ния соответствует фазному напряжению Uc. Контуром ’’памяти” слу-
жит активный полосовой фильтр АЗ с двойным Т-мостом в цепи отри-
цательной обратной связи. По схеме он мало отличается от фильтров-
сумматров А1 и А2. В нем отсутствуют диоды между входами и огра-
ничительная цепочка, включенная параллельно мосту. Благодаря доста-
точной добротности при трехфазном КЗ вблизи шин затухающее напря-
жение на выходе АЗ поддерживается в течение времени, вполне доста-
точного для срабатывания реле.
Напряжения U'ca и Ubc поступают на вход А3 через последователь-
ные цепочки R21, СЗ и R22, С4, которые компенсируют сдвиг между
входным и выходным сигналами АЗ. Выходное напряжение контура
’’памяти” подается на фильтр-сумматор А2 через конденсатор С2. Этим
98
обеспечивается совпадение по фазе тока, идущего из контура ’’памяти”
с током 1ц.
Между фильтрами-сумматорами А1 и А2 введена дополнительная
связь через резисторы R38 н R42, средняя точка которых связана с ну-
левой шинкой через встречно включенные диоды VD1 и VD2. Эта це-
почка сдвигает ненамного характеристику реле в первый квадрант,
обеспечивая недействие реле при близких внешних КЗ.
В узле выхода для каждого реле сопротивления имеется свое элек-
тромагнитное реле типа РП 13, снабженное парой переключающих кон-
тактов. При действии любого из них загорается общий светодиод ’’Сра-
батывание”. Предусмотрена возможность отсоединения каждого из
них от светодиода при проверках. Управляющий сигнал на выходное
реле поступает через инвертор на элементе И-НЕ микросхемы типа
К511ЛА2 и усилитель на транзисторе типа КТ940А, собранный по схе-
ме с общим эмиттером.
Блок БРЭ 2801 обладает данными, позволяющими осуществлять
дистанционную защиту линий и трансформаторов напряжением 110—
500 кВ. Погрешность реле по сопротивлению составляет не более 10 %.
Время срабатывания в основной части характеристики не превышает
70 мс. Ток точной работы зависит от выбранной минимальной устав-
ки по сопротивлению. Наименьшее значение тока точной работы на
верхней уставке равняется 0,1 номинального тока реле, а его наиболь-
шее значение на нижней уставке доходит до 40-кратного по отношению
к номинальному. Коэффициент возврата может изменяться от 1,07 до
1,15 и зависит от отклонения угла сопротивления от </?м ч. Коммутацион-
ная способность контактов выходных реле порядка 30 Вт. Уставка реле
по сопротивлению срабатывания определяется из выражения
^уст = (ZminKj 100)/W%&,
где Kj — коэффициент ступенчатой регулировки уставки в цепи тока,
который может иметь значение 1, 0,5 или 0,25; А % — ступень регули-
ровки в цепи напряжения, выражаемая в процентах: к — коэффициент
плавной регулировки в цепи напряжения в пределах 0,4—1 выбранной
ступени N %.
Выставлять уставку начинают с определения К/ в целях получения
наименьшего тока точной работы. По нему находят предварительное
значение N%k - ZminKj 100/ZycT. По полученному результату берут
ближайшую большую ступень N%. Окончательная настройка реле на
заданную уставку производится резистором R11 плавной регулировки к,
выведенным на лицевую сторону реле сопротивления. Перед настрой-
кой нужно поставить все переключатели в положение, соответствую-
щее заданной уставке и выбранной форме характеристики реле. Снача-
ла устанавливают нужную ступень Kj с помощью переключателей SB1
и SB2 у ДТ согласно рис. 34, д. Вслед за этим переставляют однополюс-
99
ную вилку ХВ1 в гнездо ZCM%, соответствующее принятому смещению
характеристики реле, в первый или третий квадрант. При смещении в
первый квадрант свыше 5 % дополнительно доворачивают резистор R5
до нужного положения, при этом переключатель SB6 ’’Смещение” дол-
жен быть замкнут и находиться в утопленном положении, а переключа-
тели SB 7 и SB8 ’’Поляризация” должны быть разомкнуты и находиться
в выдвинутом положении. Риски на торце всех трех переключателей
располагаются при этом вертикально.
Если характеристика реле должна проходить через начало коорди-
нат, то переключатели SB6—SB8 поворачивают в горизонтальное поло-
жение, при этом переключатель SB6 ’’Смещение” переходит в высту-
пающее положение и размыкается. Переключатели SB7 и SB8 ’’Поля-
ризация” переводятся в утопленное положение и замыкаются.
Установка угла максимальной чувствительности производится пере-
ключателями SB3-SB5 с обозначением </>м ч. Углу 65° соответствуют
разомкнутое, выдвинутое положение переключателей с вертикальным
направлением риски. Для получения угла 80° нужно все переключате-
ли замкнуть, поставив их в утопленное положение, риски на торцах
переключателей приобретают горизонтальное направление. Наладка
блоков БРЭ 2801 производится по программе, аналогичной принятой
для статических реле других типов. Объем снимаемых электрических
характеристик должен совпадать с применяемым для электромеханичес-
ких дистанционных реле. Методика определения особых точек характе-
ристик реле сопротивления блоков БРЭ 2801 дается в § 6. На рис. 34, с
дана принципиальная схема блока БРЭ 2801.
6. ТЕХНИКА ОБСЛУЖИВАНИЯ АППАРАТУРЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ,
СОДЕРЖАЩЕЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Наладка статических реле защиты несколько отличается по объему
от наладки электромеханических реле и имеет свои особенности.
Обычно применяется следующая последовательность работ при налад-
ке статических реле защиты:
1) внешний осмотр и проверка состояния монтажа;
2) механическая регулировка релей переключателей;
3) измерение сопротивления изоляции;
4) проверка питания реле оперативным током;
5) измерение напряжений постоянного тока в контрольных точках;
6) проверка напряжений (токов) срабатывания электромагнитных
реле и герконов;
7) проверка датчиков тока и напряжения;
8) снятие электрических характеристик реле;
9) проверка реле рабочим током и напряжением.
100
Внешний осмотр реле производится при снятой наружной оболочке
и откинутой печатной плате. Цель осмотра — визуальная оценка со-
стояния реле. В ходе осмотра определяют качество печатного монтажа,
желательно с помощью лупы. Это позволяет легче выявлять такие де-
фекты, как обрывы печатных проводников, образование лишних про-
водящих мостиков от растекшегося припоя, нарушение лакового покры-
тия, плохие пайки выводов радиокомпонентов и микросхем, а также
проводов, соединяющих печатную плату с выносными деталями и внеш-
ними зажимами реле. Зазор между печатными проводниками .должен
быть не меньше 0,25 мм. Кроме того, надо посмотреть, как стянуты
магнитопроводы трансформаторов и трансреакторов. При наличии в
них доступного для осмотра воздушного зазора следует определить,
соответствует ли зазор требуемому значению. Механическое крепление
проверяют у всех деталей, смонтированных отдельно. Производят за-
тяжку винтовых соединений на всех платах деталей и на зажимах цо-
коля. Нужно опробовать от руки действие подвижной части .и контак-
тов электромеханических выходных реле, кнопок и переключателей.
Раствор контактов реле должен быть порядка 1 мм, а совместный ход
при замыкании контактов — около 0,5 мм. При наличии моментомера
измеряют нажатие контактов, которое должно быть 6—9 г, и усилие,
действующее на толкатель со стороны плоской пружины. Значение
усилия должно быть не меньше 10 г. Для регулировки этого усилия
пользуются специальным винтом, расположенным наверху контактной
системы.
Чистят контакты реле острым лезвием ножа или мелким надфилем,
специально выделенным для этой цели. После чистки следует проте-
реть контакты мягкой неворсистой тряпочкой.
Измерение изоляции проводят, соблюдая меры предосторожности,
чтобы во время испытаний не повредить микросхемы и другие полу-
проводниковые приборы. Одной из причин повреждений могут являть-
ся импульсные перенапряжения, проникающие в полупроводниковую
часть реле через разделительные трансформаторы и связывающие ем-
кости при пробое изоляции в смежных цепях. Возможность поврежде-
ний такого рода резко снижается, если на время испытаний объединить
накоротко входные зажимы, относящиеся к отдельным группам цепей
тока, напряжения, оперативного тока и т.д.
Измерение изоляции производится мегаомметром на 500 В относи-
тельно металлического каркаса или монтажной скобы, на которых кре-
пятся промежуточные трансформаторы и печатная плата реле. Пооче-
редно проверяется изоляция каждой отдельной группы цепей при зам-
кнутых на каркас объединенных зажимах остальных цепей.
При наличии у датчиков тока нескольких первичных обмоток нужно
также проверить изоляцию между этими обмотками при соединенных
накоротко выводах каждой из них.
101
Отдельно проверяется изоляция контактов электромеханических
реле и герконов относительно каркаса и между разомкнутыми контак-
тами.
Проверка питания реле оперативным током производится при номи-
нальном значении напряжения оперативного тока. Измеряются напряже-
ния ± 15 В питания полупроводниковой части и напряжения во всех
контрольных точках делителя питания. Затем измеряют напряжения
постоянного тока в контрольных точках основных узлов реле, а также
на обмотках выходных реле в несработанном состоянии. В большин-
стве случаев при измерениях пользуются переносными многопредель-
ными ампервольтметрами постоянного тока. В этом случае целесооб-
разно проводить замеры напряжений в контрольных точках относитель-
но шинки минус 15 В (вместо нулевой).
Еще надо проверить, что при понижении напряжения питания до
0,7 номинального при постоянном и до 0,6 номинального при перемен-
ном оперативном токе уровни стабилизированных напряжений ± 15 В
остаются в допустимых пределах. Если питание реле возможно также
от трансформаторов тока, то следует проверить стабильность напряже-
ний ± 15 В при изменениях подаваемого на входы оперативных цепей
переменного тока в диапазоне, указанном в заводской документации.
Напряжение срабатывания выходных реле и герконов определяется
при питании от регулируемого источника постоянного тока. Напряже-
ние подается непосредственно на обмотку с соблюдением полярности
в соответствии с исполнительной схемой реле. На время проверки на-
пряжение питания со входных зажимов реле должно быть снято. По-
лученное напряжение срабатывания должно составлять от 0,55 до 0,65
номинального напряжения выходного реле, значение которого указы-
вается на обмотке реле или в техдокументации. При отклонении значе-
ния напряжения срабатывания от указанных пределов нужно произвес-
ти подрегулировку механической части реле.
При измерениях напряжений постоянного тока в схемах статических
реле защиты можно пользоваться вольтметром постоянного тока с внут-
ренним сопротивлением порядка 20 кОм/В.
Измерение тока намагничивания трансформатора датчика напряже-
ния проводится при наладке для выявления неисправностей в обмот-
ках и магнитопроводе. Ток намагничивания определяется при подаче
на первичную обмотку напряжения, равного 1,1 номинального, при от-
ключенной вторичной нагрузке. При отсутствии заводских данных о
значениях тока намагничивания полученные замеры сравнивают с ре-
зультатами замеров аналогичных трансформаторов у реле того же типа.
У датчиков тока проводят измерение напряжения на вторичной на-
грузке, подавая в первичную обмотку номинальный ток.
Снятие основных характеристик реле производится в объеме, при-
нятом для электромеханических реле того же назначения. Расширение
объема требуется только для индивидуальной проверки отдельных
102
функциональных элементов, параметры которых влияют на характе-
ристики реле. Так как состав функциональных элементов зависит от ти-
па реле, с вопросами проверки некоторых из них познакомимся отдель-
но в конце этого параграфа.
Не разрешается подавать воздействующие электрические величины
на реле при снятом оперативном токе.
В конце настройки нужно измерить напряжения в контрольных точ-
ках и на обмотках выходных реле,-когда на вход реле поданы воздей-
ствующие величины, достаточные для его срабатывания (не менее чем
на 10 % выше уставки срабатывания).
Рекомендуется производить замеры напряжений в контрольных точ-
ках по заранее составленным таблицам данных об ожидаемых значе-
ниях напряжений для сработанного и несработанного состояний реле.
После включения реле в схему защиты нужно еще раз проверить
значения питающих напряжений на делителе напряжения оперативного
тока.
В полной схеме защиты проводятся необходимые замеры под рабо-
чим током и напряжением или от постороннего источника, как это де-
лается для электромеханических реле того же назначения. Объем та-
ких замеров определяется типовой программой проверки защиты под
нагрузкой.
Использование электронно-лучевого осциллографа для наблюдения
за работой статических реле тока и напряжения. Такая проверка приме-
няется вместо измерения напряжений в контрольных точках в срабо-
танном состоянии реле. Она удобна тем, что наряду с определением зна-
чений напряжений позволяет установить временные соотношения меж-
ду сигналами. Лучше пользоваться двухлучевым осциллографом.
При снятом оперативном токе соединяют входы осциллографа с
наиболее характерными контрольными точками реле (например, у стати-
ческих реле PCT 11 это точка ХР1 — выход первого компаратора и точ-
ка ХР2 — вход триггера Шмитта). Нуль осциллографа соединяется с
нулевой шинкой реле.
Подают оперативный ток на реле. Устанавливают удобное для наблю-
дения отклонение луча осциллографа в соответствии'^) значением ожи-
даемого сигнала. Затем подают в реле переменный ток и постепенно
доводят реле до срабатывания. При появлении знакопеременных им-
пульсов напряжения в контрольной точке нужно отрегулировать режим
осциллографа, чтобы на экране было неподвижное изображение процесса
длительностью в два—четыре периода промышленной частоты. С по-
мощью масштабных коэффициентов оценивают соответствие значений
напряжений и длительностей сигналов на экране заводским характерис-
тикам.
Измерение временных задержек на операционных усилителях. В ка-
честве примера рассмотрим, как она определяется у реле РСТ 15 по за-
водской инструкции. Через ключ пуска миллисекундомера подают на-
103
пряжение минус 15 В (точка ХР4) на вход компаратора Л2 (точка ХРЗ).
останов миллисекундометра осуществляют контактом выходного реле.
Запускают миллисекундомер и по его показаниям определяют суммар-
ное время, в которое помимо интересующей нас задержки входит соб-
ственное время срабатывания выходного реле. Затем переключают ко-
нец с точки ХРЗ на обмотку выходного реле — в точку 3 на печатной
плате. Запускают миллисекундомер и измеряют время срабатывания
выходного реле. Разность полученных времен является искомым време-
нем задержки.
Другим, довольно наглядным способом измерения является визу-
альный — с помощью электронно-лучевого осциллографа. Для этого
переводят полупроводниковую часть реле в автоколебательный режим
и проводят осциллографирование процесса.
При снятом оперативном токе соединяют точку ХР7 через ключ и
резистор 43 кОм с точкой ХРЗ. Между точками ХРЗ и ХР5 включают
конденсатор емкостью 0,25 мкФ и параллельно ему диод анодом к точ-
ке ХРЗ. На входы осциллографа подключают точки ХР5 и ХРб.
Подают оперативный ток на реле. Включают ключ и устанавливают
режим осциллографа, позволяющий определить искомую задержку
в масштабе времени.
Снятие характеристик активных фильтров. У активных частотных
фильтров рекомендуется снимать амплитудно-частотные характерис-
тики. Для этого при снятом оперативном токе подключают ко входу
фильтра настроечный генератор сигналов звуковой частоты синусои-
дальной формы, имеющий регулировку выходного напряжения от 0
до 5 В. К выходу фильтра подключают ламповый вольтметр типа B3-38
или подобный ему. Подают оперативный ток на реле. На настроечном
генераторе устанавливают напряжение порядка 1—2 В и, плавно изме-
няя частоту, снимают частотную характеристику фильтра, поддержи-
вая значение входного напряжения постоянным. Полученную харак-
теристику сравнивают с заводской. Если расхождение между ними со-
ставляет более 5 %, то производят подрегулировку фильтра.
У токовых реле можно снимать частотную характеристику фильтра,
подавая на вход реле ток порядка 10 % тока срабатывания реле.
Настройка ФТОП реле РТФ 8 (РТФ 9) на минимум небаланса. По
заводской инструкции рекомендуется производить настройку ФТОП
при подаче на вход реле симметричной системы токов прямой последо-
вательности, равных номинальному току реле.
Ниже описывается способ такой проверки с помощью установки
для проверки сложных защит типа У5О53. Для снятия характеристик
нужно подготовить схему, изображенную на рис. 35. Для реле с/ном =
= 5 А берется реостат на 2—5 Ом, для реле с/ном = 1 А 10—20 Ом. С по-
мощью блока К513 устанавливают ток 1с равный 40 % номинального
тока реле, а с помощью К515 — ток /4, равный 40 % номинального
тока реле. Поддерживая токи // и 1с неизменными, устанавливают
104
между ними угол, равный 240°. Напряжение небаланса на выходе фильт-
ра после подрегулировки не должно быть больше 15 мВ.
Регулировка углов срабатывания н возврата реле направления мощ-
ности РМ 11, РМ 12. С помощью установки У5053 подают на реле на-
пряжение и ток, равные номинальным. Плавно изменяя угол между то-
ком и напряжением, определяют зону действия реле, а также углы сра-
батывания и возврата реле при входе и выходе из зоны. Если ширина
зоны срабатывания оказывается меньше 165° или разность углов сраба-
тывания и возврата больше 4°, то нужно произвести подстройку реле
в приводимой последовательности.
Подают на реле напряжение и ток номинального значения и устанав-
ливают между ними угол, соответствующий границе зоны срабатыва-
ния. Движки резисторов R19, R21 и R22 (см. рис. 33, а) ставят в верх-
нее по схеме положение. Плавно опускают движок резистора R21 и до-
биваются срабатывания реле (при этом контакты выходного органа на-
чинают вибрировать). Отходят от границы рабочей зоны на 3—4° и, плав-
но опуская движок резистора R22, добиваются четкого возврата реле
(вибрация контактов прекращается).
Возвращаются на границу рабочей зоны, при этом реле должно срабо-
тать без вибрации (если вибрация остается, ее устраняют резистором
R22). Плавно опускают движок резистора R]9 и добиваются возврата
реле, а затем, плавно поднимая его, доводят реле до срабатывания. На
этом подстройка заканчивается. После нее надо повторить измерение
угла максимальной чувствительности реле и зоны срабатывания.
Определение особых точек характеристики срабатывания реле со-
противления. По заданным уставкам строят предполагаемую характе-
105
'а)
Рис. 36. Стержни к паяль-
нику ЭПНС для работы на
печатных платах:
а — прямой стержень;
б — угловой стержень
ристику реле сопротивления и определяют значение и угол каждого из
вспомогательных векторов, соединяющих особые точки с началом коор-
динат. Подключают осциллограф или ламповый вольтметр к проверяемой
точке на выходе формирователя и к нулевой шинке. Подают на реле
ток и напряжение, соответствующие вычисленным значениям сопротив-
лений. Подаваемый ток устанавливается такого же значения, что и для
определения сопротивления срабатывания реле (обычно это номиналь-
ный ток).
Регулируя значение и угол подаваемого напряжения, добиваются ми-
нимального значения напряжения на выходе формирователя, кото-
рое должно быть близко к нулю. Ему соответствует положение особой
точки. На осциллографе эта точка характеризуется отсутствием состав-
ляющей основной гармоники промышленной частоты в наблюдаемом
сигнале.
Пайка на печатных платах реле может производиться обычным быто-
вым паяльником типа ЭПНС на 220 В. Для того чтобы можно было вы-
полнить пайку микросхем, необходимо изменить форму стержней па-
яльника. Прямому стержню придают форму, показанную на рис. 36, я,
а угловому — форму, изображенную на рис. 36, б.
Угловой стержень применяют для выпаивания микросхем, имеющих
прямоугольный корпус. Для этого захватывают узким пинцетом вы-
воды одной стороны микросхемы ближе к корпус}' и прикладывают
угловой стержень нагретого паяльника канавкой к отпаиваемым вы-
водам. В течение нескольких секунд припой расплавится, и тогда с по-
мощью пинцета нужно извлечь зажатые выводы из отверстий в печат-
ной плате.
Для припаивания любых элементов к печатным проводникам поль-
зуются прямым стержнем. Пайку производят низкотемпературным
припоем ПОС-61. Время, затрачиваемое на пайку, должно быть не бо-
лее нескольких секунд.
106
Рис. 37. Мост для снятия
диаграмм сопротивлений:
а - принципиальная схе-
ма; б — шкапа прибора;
в - внешний вид
107
Диаграммы сопротивлений снимают при поиске неисправностей на
печатных платах. Для того, чтобы на замер не влияли межэлектродные
сопротивления полупроводниковых приборов, пользуются измеритель-
ным мостом, у которого напряжение в точке измерения ниже уровня
пробоя электронно-дырочных переходов диодов и транзисторов. Схе-
ма такого моста приведена на рис. 37, а. На рис. 37, б представлена шка-
ла такого измерительного моста. Прибор (рис. 37, в) имеет логарифми-
ческую шкалу, что дает возможность охватить в одном диапазоне изме-
рений сопротивления от 10 Ом до 10 МОм. Питание прибора осущест-
вляется от двух батареек типа КБС.
Снятие диаграмм напряжений в контрольных точках удобно произ-
водить с помощью многопредельного магнитоэлектрического проб-
ника, показанного на рис. 38, а. В пробнике применен малогабаритный
прибор на 50 мкА. Прибор укреплен на щупе, в теле которого встроены
добавочные резисторы и кнопки на микро-
переключателях. Его внешний вид показан
на рис. 38, б.
Определение коэффициента усиления ОУ
по напряжению требуется при обнаружении
дефектов и при отбраковке операционных
усилителей перед установкой в схему. Его
можно выполнить с помощью прибора,
б
б)
Рис. 38. Магнитоэлектрический пробник для снятия диаграмм напряжений;
а — схема; б — внешний вид
108
ис. 39. Прибор для определения коэффициента усиления операционных усилите-
ей типа К553УД2:
1 — низкочастотный генератор 8—10 Гц; 2 — милливольтметр
[оказанного на рис. 39. В нем имеется генератор низкочастотных пря-
моугольных импульсов с частотой около 10 Гц на операционном уси-
1ителе А1 и чувствительный милливольтметр на операционном усилите-
ie А2. Для питания прибора нужен источник напряжения ± 15 В. Для
того может быть использован делитель напряжения постоянного тока
:татического реле защиты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982.
2. Фолькенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС.
М.: Мир, 1985.
3. Остапенко Г .С. Аналоговые полупроводниковые интегральные микросхемы.
М.: Радио и связь, 1984.
4. Лысенко Е.В. Функциональные элементы релейных устройств на интеграль-
ных микросхемах. М,: Энергоатомиздат, 1985.
5. Темкииа Р.В, Измерительные органы релейной защиты на интегральных
микросхемах. М.: Жнергоатомиздат, 1985.
6. Джонсон Д., Джонсои Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. М.:
Энергоатомиздат, 1983.
7. Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М.: Энергоатом-
издат, 1987.
8. Шиеерсон Э.М. Дистанционные защиты. М.: Энергоатомиздат, 1986.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие...................................... 3
1. Интегральные микросхемы — техническая основа для
создания аппаратуры релейной защиты............... 4
2. Свойства интегральных микросхем и основные типо-
вые схемы их использования........................ 7
3. Типовые схемы применения операционных усилителей,
используемые в качестве функциональных элементов
реле защиты...................................... 20
4. Основные узлы реле защиты, выполненных на опера-
ционных усилителях.............................. 37
5. Типы серийных реле защиты, выполненных на опе-
рационных усилителях ............................. 61
6. Техника обслуживания аппаратуры релейной защиты,
содержащей интегральные микросхемы...............100
Список литературы.................................ПО
Производственное издание
Лиит Георгий Эммануилович
СЕРИЙНЫЕ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ,
ВЫПОЛНЕННЫЕ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
Редактор Т.Н. Дороднова
Редактор издательства А.В. Вопковицкая
Художественные редакторы В.А. Г о з а к-Х о з а к, Т.Н. Хромова
Технические редакторы ЕН. Л яду хин а, Т.Н. Тюрина
Корректор Л.А. Гладкова
ИБ № 3004
Набор выполнен в издательстве. Подписано в печать с оригинала-макета 14.03.90.
Формат 60 х 88 1/16. Бумага офсетная № 2. Печать офсетная. Усл.печ. л. 6,86.
Усл.кр.-отт. 7,10. Уч.-изд. л. 7,38- Тираж 34 000 экз. Зака^ 6985. Цена 35 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая над,, jо.
Отпечатано в ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Зна-
мени МПО ’’Первая Образцовая типография” Государственного комитета СССР
по печати, 113054, Москва, М-54, Валовая ул., 28.
35 к
им на
ttifPir fit^ет.пи»ос1м1