Цель работы
Ознакомиться с принципом действия микроэлектронного реле типа РТЗ – 51, изучить влияние коммутационных помех по цепям оперативного постоянного тока на работу реле.
Пояснения к работе
Микроэлектронное реле тока типа РТЗ-51 с повышенной чувствительностью применяется в сетях с изолированной нейтралью напряжением 6–35 кВ для защиты от замыканий на землю генераторов, трансформаторов, электродвигателей, воздушных и кабельных линий.
Замыкание на землю – наиболее распространенный вид повреждения в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью. Сопротивление нулевой последовательности в таких сетях определяется в основном емкостью линий относительно земли, и поэтому установившийся ток замыкания значительно меньше токов междуфазных КЗ, а в большинстве случаев и тока нагрузки, особенно в воздушных сетях 6-10 кВ, где емкость сети относительно земли невелика.
В токе замыкания на землю всегда содержатся составляющие с частотами, отличными от промышленной частоты. Они могут возникать кратковременно при переходном процессе замыкания на землю, а также существовать длительно вследствие несинусоидальности напряжения сети. Реле тока типа РТЗ -51 реагирует на основную гармонику (50 Гц) тока нулевой последовательности 3 I0, появляющегося в сети при замыкании на землю. В качестве датчика тока нулевой последовательности используется трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП.
Принципиальная схема подключения реле приведена на рис.4.1. В общем случае защита объекта от междуфазных повреждений обеспечивается комплектом АК, включенным на фазные токи (группа трансформаторов тока ТА). Трансформатор тока нулевой последовательности TAN охватывает кабель (или кабельную вставку) и к его вторичной обмотке подключается чувствительное токовое реле KAZ (реле тока с встроенным селективным фильтром основной частоты). Три фазы кабеля в этом случае являются первичными обмотками трансформатора тока нулевой последовательности, в котором осуществляется суммирование магнитных потоков, а не токов как это имеет место в фильтрах тока нулевой последовательности, выполняемых для сетей с эффективно заземленной нейтралью, т.е. для сетей напряжением 110 кВ и выше. Это обусловлено необходимостью минимизации погрешности в выделении токов нулевой последовательности, когда полезный сигнал значительно меньше сигналов помехи, т.е. токов короткого замыкания и токов нагрузки.
Рис. 4.1
Принципиальная электрическая схема реле приведена на рис.4.2. В реле использованы операционные усилители (ОУ), что выдвинуло ряд требований к условиям применения реле и его эксплуатации. Кроме того, применение упрощенного блока питания в реле на базе параметрического стабилизатора (с непосредственной электрической связью с цепями постоянного тока) обусловило необходимость принятия комплекса мероприятий, обеспечивающих помехозащищенность устройства.
Входная часть реле состоит из промежуточного трансформа-тора TA1, резисторов R2-R7, которые совместно с переключателями SB1 – SB5 служат для дискретной регулировки уставки по току срабатывания.
Положение переключателей на схеме соответствует минимальной уставке. Последовательно с первичной обмоткой промежуточного трансформатора ТА1 включено сопротивление R1, ограничивающее величину тока во вторичной обмотке ТТНП при больших токах двойных замыканий на землю, когда насыщение трансформатора ТА1 приводит к уменьшению сопротивления нагрузки ТТНП.
| Рис. 4.2 |
Диоды VD1-VD4 предназначены для ограничения амплитуды входного сигнала. Преобразующая часть представляет собой активный фильтр на ОУ DA1 с многоконтурной обратной связью, включающей резисторы R8, R9 и R10 и конденсаторы С1 и С2. Отстройка реле от высших гармонических составляющих во входном токе осуществляется фильтром, настроенным на частоту 50 Гц.
Сравнивающая часть реле состоит из порогового элемента, выполненного на ОУ DA2, времязадающей цепи VD5, R15, R16 и C8, триггера Шмитта, построенного на ОУ DA3. Конденсаторы С3, С6, С7 и С9 являются корректирующими элементами операционных усилителей, исключающими их возбуждение.
Конденсатор С5 служит для динамического торможения, исключающего ложную работу реле, при подаче и снятии напряжения питания.
Резистор R17 является элементом обратной связи. Для питания операционных усилителей в схеме реле применен параметрический стабилизатор, состоящий из резисторов R26 и R27, стабилитронов VD11 и VD12, конденсаторов С12 и С13 и обеспечивающий постоянное напряжение ±15 В.
Схема питания реле от оперативного переменного тока включает в себя выпрямительный мост VS1, резистор R28 и конденсатор С14.
Исполнительный орган реле представляет собой усилительный каскад на транзисторе VT1, в цепь коллектора которого включено выходное быстродействующее реле K1.
Резисторами R24, R25 задается ток, открывающий транзистор VT1 в режиме срабатывания.
Для защиты транзистора VT1 и диодов моста VS1 от перенапряжений в схеме используются варисторы RV1 и RV2.
Оперативные цепи реле могут подключаться как к источнику постоянного напряжения с номинальным напряжением 110 или 220 В соответственно, так и к источнику переменного тока с номинальным напряжением 100 В.
Изменение уставки может производиться ступенями n – 6, 12, 24, 36 и 48 мА. Значение величины тока срабатывания на соответствующей уставке определяется по формуле: I = (20+Σ n)∙10-3 А.
Порог срабатывания сравнивающей части реле задается резисторами R11, R12 и R14. Изменением сопротивления R11 обеспечивается настройка реле на минимальной уставке.
Сигнал с выхода усилителя DA2 в зависимости от его полярности заряжает или разряжает конденсатор С8. Для ускорения срабатывания и возврата реле предусмотрено ограничение уровня заряда и разряда конденсатора С8, которое выполнено на резисторах R18 – R23 и диодах VD6 – VD9.
При отсутствии входной воздействующего сигнала и в режиме, когда этот сигнал меньше установившегося порога срабатывания порогового элемента DA2 конденсатор С8 времязадающей цепи заряжен до положительного потенциала, триггер Шмитта находится в несработанном состоянии, транзистор VT1 закрыт и входное реле K1 не срабатывает.
При появлении входной воздействующей величины, превышающей порог срабатывания ОУ DA2, конденсатор С8 перезаряжается до напряжения достаточного для срабатывания триггера. Транзистор VT1 открывается и входное реле K1 срабатывает.
Как показал опыт эксплуатации, функционально реле РТЗ – 51 полностью заменяет реле РТЗ – 50, которое имело следующие недостатки:
- значительный разброс уставок срабатывания по первичному току при работе с различными ТТНП одного типа;
- большую зависимость фактической (по первичному току) кратности регулирования уставок срабатывания от типа ТТНП;
- недостаточную фактическую кратность регулирования уставок срабатывания при подключении защиты к двум и более ТТНП одновременно, соединенным своими обмотками последовательно или параллельно, согласно или встречно и др.
Реле может использоваться при различном включении измерительных трансформаторов тока типа ТЗЛМ и ТЗРЛ. Наличие в реле РТЗ – 51 частотного селективного фильтра позволяет снизить коэффициент броска емкостного тока, требуемый для выбора уставок. Отмеченные недостатки в новом реле устранены.
Потребление цепи оперативного тока составляет около 5 В∙А на переменном и 10 Вт - на постоянном напряжении. Частотный фильтр обеспечивает загрубление реле более чем в 4 раза на частоте 150 Гц и более чем в 15 раз на частоте 400 Гц. Поэтому реле РТЗ – 51 в отличие от РТЗ – 50 практически реагирует только на основную гармонику тока.
Хотя в целом опыт эксплуатации реле РТЗ – 51 можно признать положительным, необходимо отметить, что при использовании реле в шкафах КРУ неоднократно наблюдались случаи ложного срабатывания его при коммутации близко расположенных электромеханических промежуточных реле и реле времени. Причиной, вызывающей срабатывание реле РТЗ – 51 в этих режимах, являются перенапряжения в цепях питания реле, приводящие к возбуждению активного фильтра. Ограничение уровня перенапряжений, возникающих при коммутации индуктивной нагрузки, может быть достигнуто установкой на обмотках указанных реле искрогасительных контуров, в простейшем случае состоящих из цепочки последовательно включенных диода (с обратной полярностью включения) и резистора. При этом наличие резистора является обязательным не только по условию достижения требуемых времен возврата электромеханических реле, но и для защиты диода, опасность пробоя которого имеет место, когда из-за вибрации управляющих контактов и недостаточных высокочастотных свойств диода через него протекает большой ток.