Схемы внутренних соединений СО, ПО, отсечки I, отсечки II и принцип их действия

2019-10-11

559

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

Вопросы:

1. Назначение, состав и структурная схема реле тока ОП

РТФ-6М.

2. Принцип действия фильтра токов обратной последовательности и входного преобразующего устройства.

3. Схемы внутренних соединений СО, ПО, отсечки I, отсечки II и принцип их действия.

4. Состав и принцип действия органа с интегрально-зависимой выдержкой времени реле РТФ-6М

5. Некоторые технические характеристики реле РТФ-6М.

6. Расчет уставок на реле РТФ-6М.

Литература

1. Алексеев С.А. Реле защиты. –М «Энергия», 1976 г.

2. Линт Г.Э. Симметричные составляющие в релейной защите. – М.: Энергоатомиздат, 1996 г.

3. Кузнецов Ф.Д. и др. Техническое обслуживание релейной защиты и автоматики электростанций и электрических сетей. – М.: издательство НЦ ЭНАС, 2001 г.

4. Лопатин В.Г., Лопатина Н.П. Симметричные составляющие в релейной защите. Учебное пособие, издательство СНУЯЭиП, 2013 г.

5. Линт Г.Э. Релейные защиты, выполненные на интегральных микросхемах. – М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

Назначение, состав и структурная схема реле тока ОП

РТФ-6М.

Реле тока обратной последовательности с интегрально-зависимой выдержкой времени РТФ – 6М предназначено для защиты мощных синхронных генераторов (с форсированным охлаждением обмоток) от повреждений при перегрузках токами обратной последовательности (ОП), вызванными несимметричной нагрузкой, несимметричными КЗ в сети или ненормальными режимами работы системы. Реле может также выполнять роль резервной защиты генератора от сверхтоков несимметричных КЗ.

Токи ОП I₂ возникают при появлении любой несимметрии в сети генераторного напряжения. Эти токи имеют обратное чередование фаз и, протекая по статорным обмоткам генератора, создают в нем магнитное поле, вращающееся в сторону, противоположную вращению ротора. Магнитный поток, создаваемый токами ОП, пересекает корпус ротора с двойной частотой. Он индуктирует в металлических частях ротора значительные вихревые токи, имеющие двойную частоту (100 Гц). Вихревые токи в роторе вызывают повышенный нагрев генератора и, взаимодействуя с основным полем статора, создают дополнительный, пульсирующий с двойной частотой, переменный механический момент; последний является причиной появления значительной вибрации вращающихся частей машины. Кроме того, магнитный поток, возбуждаемый токами ОП, индуктирует в цепи обмотки возбуждения ротора переменные токи, в результате чего искажается основное поле, а в составе фазных токов и напряжений генератора появляются высшие гармоники.

Токовая защита ОП, выполненная на блок-реле РТФ-6М, представляет собой четырехступенчатую максимальную токовую защиту с действием:

· первой ступени на сигнал;

· второй ступени на сигнал и на пуск органа с интегрально-зависимой выдержкой времени; интегральный орган (ИО) по истечении выдержки времени действует на отключение генератора;

· третьей и четвертой ступеней на отключение генератора.

Для согласования защиты с тепловой характеристикой генератора в реле РТФ-6М имеется орган с интегрально-зависимой выдержкой времени, которая соответствует допустимой длительности протекания токов ОП в статорных обмотках генератора. В общем виде интегрально-зависимая выдержка времени (срабатывания реле) определяется выражением

где: (1)

- А – постоянная величина, зависящая от типа и мощности генератора, имеющая размерность (секунды);

- - кратность тока ОП по отношению к номинальному току генератора.

При изменяющихся во времени токах ОП на входе реле характеристика органа с интегрально-зависимой выдержкой времени (ОИЗВВ) приближенно описывается уравнением (1). Относительный ток ОП в этом уравнении заменяется некоторым эквивалентным среднеквадратичным относительным током

. (2)

После подстановки выражения (2) в уравнение (1) получим интегральное уравнение, связывающее выдержку времени со среднеквадратичным значением меняющегося во времени тока ОП на входе реле

. (3)

Выражение (3) объясняет название органа с интегрально-зависимой от тока ОП выдержкой времени.

Состав и структурная схема реле РТФ-6М

На рисунке 1 приведена структурная схема реле РТФ-6М. В состав реле входят:

· фильтр токов обратной последовательности (ФТОП);

· входное преобразующее устройство (ВПУ);

· сигнальный орган (СО);

· пусковой орган (ПО);

· два органа токовой отсечки (отсечка – I и отсечка – II);

· орган с интегрально-зависимой выдержкой времени (орган ИЗВВ);

· блок питания (БП).

2. Принцип действия фильтра токов обратной последовательности и входного преобразующего устройства

Фильтр токов ОП с компенсацией небаланса при изменении частоты включает в себя два промежуточных трансформатора тока ТТ1, ТТ2 и трансреактор ТАV, резисторы R13, R14 и конденсаторы С11, С12, а также С8, С9, С10 (рисунок 2). Выходом фильтра являются зажимы 6 и 16. Каждый из трансформаторов имеет две первичные обмотки и одну вторичную обмотку. Вторичная обмотка W₂ трансформатора тока ТТ1 подключена к группе резисторов R13, R14. Трансформатор тока ТТ2 нагружен конденсаторами С11 и С12.

Первичные обмотки ТАV и ТТ2 включены на разность токов двух фаз В и С (I_в – I_с) поэтому дополнительная компенсация токов НП I_ов и I_ос не требуется.

В трансформаторе ТТ1 одна первичная обмотка (W₁) включена на вторичный ток фазы А, вторая первичная обмотка (W₁') для компенсации тока НП I_оа включена в нулевой провод. Число витков обмотки W₁' в три раза меньше числа витков обмотки W₁. Ток НП фазы А I_оа, проходя по обмотке W₁, создает МДС F_о = I_оа×W₁. Сумма токов (I_оа + I_ов + I_ос), проходя по обмотке W₁', создает равную по величине и встречную МДС, равную (I_оа + +I_ов + I_ос) × W₁'. Поскольку W₁ =3 W₁', то │I_оа ×W₁│ = │(I_оа + I_ов + I_ос) × W₁'│.

Рисунок 2. Фильтр токов ОП и входное преобразующее устройство реле РТФ-6М

Ток во вторичном контуре ТТ2 пропорционален коэффициенту трансформации К_ТТ2 и геометрической разности токов (I_в – I_с). I_вт= К_ТТ2 (I_в – I_с).

Напряжение наС11, С12 отстает от вторичного тока I_вт на 90°.

К_ТТ2 показывает во сколько раз число витков первичной обмотки меньше числа витков W₂, то есть .

ЭДС на выходе ФТОП (при разомкнутой перемычке, например 14 – 16, складывается из:

· падения напряжения на резисторах R13, R14

; (4)

· напряжения на вторичной обмотке ТАV

; (5)

· напряжения на конденсаторах С11, С12

, где (6)

К_ТТ1 и К_ТТ2 – коэффициенты трансформации промежуточных трансформаторов тока;

Х_М и L_М – сопротивление взаимоиндукции и взаимная индуктивность обмоток ТАV.

Знак минус в выражении (5) обусловлен полярностью включения вторичной обмотки трансреактора.

Векторная диаграмма фильтра токов ОП реле РТФ-6М при подаче на его вход токов прямой последовательности приведена на рисунке 3.3. ЭДС Е_ф,н на выходе ненагруженного фильтра будет равна нулю при условии, что вектор напряжения U_1ТТ1 на резисторах R13, R14 будет уравновешиваться суммой противофазных ему векторов напряжений U_1ТА_V и U_1ТТ2, то есть должно соблюдаться условие U_1ТТ1+ U_1ТА_V + U_1ТТ2 = 0 или U_1ТТ1 = -( U_1ТА_V + U_1ТТ2).

Рисунок 3. Векторная диаграмма ФТОП реле РТФ-6М при подаче на его вход токов ПП

Подставив в последнее равенство выражения (4), (5) и (6), получим условие равновесия (Е_ф,н = 0) ФТОП при подаче на его вход симметричного тока ПП

U_1ТТ1= - (U_1ТА_V + U_1ТТ2)

После несложных математических преобразований получим условие равновесия фильтра.

(7)

В выражении (7) левая часть равенства не зависит от частоты . В правой части равенства слагаемые имеют взаимно-обратную зависимость от частоты, то есть с увеличением частоты первое слагаемое ( ) возрастает, второе слагаемое уменьшается; в результате сумма ( ) не изменяется.

Настройка фильтра на минимум небаланса осуществляется подстроечным резистором R14. При изменении его сопротивления изменяется величина напряжения U_ТТ1.

Емкости С8, С9, С10 служат для компенсации угловых погрешностей элементов фильтра.

Таким образом, при воздействии токов прямой последовательности на фильтр, напряжение на его выходе (на резисторах R15, R16) равно нулю.

Векторная диаграмма токов и напряжений ФТОП реле РТФ-6М при подаче на его вход симметричного тока ОП приведена на рисунке 4. ЭДС ненагруженного фильтра Е_фн равна геометрической сумме напряжений U_ТТ1, U_ТАV, U_ТТ2.

Е_фн = U_2ТТ1 + U_2ТТ2 + U_2ТАV. (8)

Вектор напряжения U_2ТТ1 совпадает по фазе с током I_2а фазы А. Векторы напряжений U_2ТАV и U_2ТТ2 по прежнему отстают от вектора разности токов (I_2в - I_2с) на 90°. Все три вектора напряжений совпадают по фазе. ЭДС на выходе фильтра определяется выражением [1].

(9)

Рисунок 4. Векторная диаграмма ФТОП реле РТВ-6М при подаче на его вход токов ОП.

Резисторы R15 и R16, установленные на выходе фильтра, служат для согласования уставок реле с номинальным током защищаемого генератора [1].

Входное преобразующее устройство (рисунок 2) включает в себя:

· согласующий промежуточный трансформатор ТVL, подключенный к выходным зажимам фильтра токов ОП;

· два выпрямительных моста VS1 и VS2;

· сглаживающие фильтры второй гармоники: дроссельДР1, конденсатор С6, а также конденсатор С7;

· балластные резисторы R17, R18;

· нелинейную цепочку VD4, R19, необходимую для коррекции характеристики интегрального органа;

· делитель напряжения (R22, R23, R29, R30, R36, R42, R43), который одновременно является входной цепью схем СО, ПО, отсечка – I и отсечка II. Схема указанного делителя приведена на рисунке 5.

ВПУ имеет два выхода, на каждом из которых имеется выпрямленное и сглаженное напряжение U_ВПУ1 и U_ВПУ2. Оба напряжения пропорциональны токам ОП в первичных цепях защищаемого элемента. С моста VS1 напряжение U_ВПУ1 поступает на входы сигнального и пускового органов, а также в схемы отсечек I и II. С моста VS2 напряжение U_ВПУ2 поступает на вход органа с ИЗВВ.

Схемы внутренних соединений СО, ПО, отсечки I, отсечки II и принцип их действия

Основные органы защиты, срабатывающие без выдержки времени (СО, ПО, 0 – I, 0 – II) имеют одинаковые мостовые схемы, отличающиеся лишь величинами некоторых сопротивлений.

Рассмотрим принцип действия указанных органов по упрощенной схеме СО. Схема представляет собой четырехплечий мост с вершинами АСDЕ (рисунок 5). К точкам АD подводится напряжение постоянного тока U_пит от блока питания. К точкам F и В подводится напряжение U_ВПУ1с делителя R22 ÷ R43.

В диагональ моста ЕС включено высокочувствительное магнитоэлектрическое реле М237/054 с током срабатывания (6 ÷ 10) мкА.

Сопротивления плеч моста подобраны таким образом, чтобы при отсутствии напряжения U_ВПУ1 по обмотке реле проходил бы ток в «тормозном» направлении («+» ист. пит., R49, R26, W_p, VD6, R20, «-» ист.пит.). Тормозной ток регулируется переменным резистором R26 в пределах от 50 мкА до 100 мкА, что обеспечивает надежный размыкающий момент на подвижной системе реле. Потенциалы точек F и В подобраны (с помощью сопротивлений плеч моста) так, чтобы при отсутствии U_ВПУ1 (или при достаточном малом) диод VD5 был бы заперт, а диод VD6 открыт.

При появлении напряжения U_ВПУ1, пропорционального току ОП в защищаемом элементе, и достижении им достаточной величины соответствующей , диод VD5 открывается, и через открывшийся диод VD5 положительный потенциал поступает в точку F. В результате потенциал точки F становится выше потенциала точки Е, при этом диод VD6 запирается и через обмотку реле W_p перестает протекать тормозной ток. В точке D происходит перераспределение токов, - большая часть тока (рабочий ток) проходит через резистор R21 к точке Е, а затем по обмотке реле слева направо (по рисунку). Под действием рабочего тока I_раб реле срабатывает.

У каждого из органов (СО, ПО, 0 – I, 0 – II) замыкающий контакт магнитоэлектрического реле действует на свое промежуточное реле типа РМУГ, подключенное к цепи стабилизированного напряжения постоянного оперативного тока (рисунок 6).

Рисунок 6. Схема цепей оперативного постоянного тока реле РТФ-6М

4.Состав и принцип действия органа с интегрально-зависимой выдержкой времени реле РТФ-6М

Токозависимая характеристика выдержки времени интегрального органа реле РТФ-6М

В процессе нормальной работы турбогенератора выделяющаяся тепловая энергия отводится системой (- ами) охлаждения. В результате этого между количеством выделяемой теплоты и количеством теплоты, отводимой, наступает баланс (равенство). При этом в генераторе устанавливается температура нормального режима . Значение температуры нормального режима ниже значения критической температуры.

Увеличение нагрузки на генератор (в пределах эксплуатационной целесообразности и допустимости) приводит к некоторому изменению количества выделяемой теплоты; в результате тепловой баланс наступает при иной более высокой температуре генератора, которая не должна превышать критическую.

Нарушение симметрии полных токов в сети генераторного напряжения приводит к дополнительному разогреву генератора вихревыми токами, протекающими в массиве ротора. Причиной протекания вихревых токов в «бочке» ротора являются токи ОП в обмотках статора, возбуждающие внутри машины магнитное поле, вращающееся навстречу вращению ротора.

Особенно велики токи ОП при двухфазном КЗ в сети генераторного напряжения, а также при К⁽²⁾, К⁽¹⁾, К^(1.1) за блочным трансформатором с соединением обмоток Δ/Y-11.

При появлении токов ОП в полных фазных токах генератора последний получает дополнительное количество теплоты, в результате чего тепловой баланс наступает при более высокой температуре, которая может достигнуть и превысить критическую температуру.

Продолжительность перехода генератора из одного теплового состояния (когда температура генератора ниже критической) в другое (когда становится равной критической ) зависит от нескольких факторов:

· от номинальной мощности генератора;

· от эффективности системы охлаждения;

· от конструктивных особенностей генератора;

· от величин токов прямой последовательности;

· и, конечно, от величин токов ОП.

Для оценки поведения генератора при воздействии на него токов ОП вводится параметр А [с] генератора и определяется его тепловая характеристика, которая показывает допустимое время протекания токов ОП. Параметр А – это промежуток времени, в течение которого токи ОП, протекающие по обмоткам статора и по величине равные номинальному току генератора , сообщают генератору дополнительное тепло, в результате чего температура генератора возрастает до критической. Вполне очевидно, что количество дополнительной тепловой энергии, при которой температура генератора возрастает от до зависит от величин токов ОП и от времени их протекания.

Построим тепловую характеристику генератора как зависимость допустимого времени протекания токов ОП от величин токов ОП (рисунок 7).

За время Δt_доп, равное параметру А данного генератора, токи ОП сообщают генератору дополнительное количество тепловой энергии ΔQ_доп, пропорциональное квадрату тока ОП и допустимому времени их протекания Δt_доп.

При токе ОП равном 1 количество дополнительной тепловой энергии ΔQ станет критическим, если время протекания токов ОП Δt_доп будет количественно равно параметру А.

Количество дополнительной энергии ΔQ_{дополн.,крит} тождественно площади прямоугольника t₁, а, б, t_2доп. Обозначим на рисунке 7 эту площадь S_крит. Построим на рисунке 7 несколько прямоугольников с площадью S_крит для различных величин токов ОП. Местоположения точек б, б', б'', б''', б'''' определяют допустимое время протекания токов ОП той или иной величины, при которых температура генератора достигает критического значения. Соединив точки б, б', б'', б''',… плавной кривой, получим тепловую характеристику конкретного генератора, которая указывает на интегральную зависимость допустимого времени (t_доп) протекания токов ОП в статорных обмотках генератора от величин этих токов.

В реле РТФ-6М имеется устройство – интегральный орган (ИО), которое реализует выдержку срабатывания выходного промежуточного реле, интегрально зависящую от величины тока ОП.

Если действующее значение токов ОП на входе реле изменяется во времени, то значение тока в вышеприведенной формуле заменяется некоторым эквивалентным среднеквадратичным относительным током ОП. Тогда

Рисунок 8 поясняет среднеквадратичное значение тока ОП и выдержку времени срабатывания, которую обеспечивает интегральный орган.

Рисунок 8. поясняющий среднеквадратичное значение тока ОП, изменяющегося во времени Здесь: t₁ – момент возникновения несимметричного КЗ; Δt_срИО – выдержка времени срабатывания ИО; t_срИО – момент времени срабатывания ИО.

Принцип действия интегрального органа реле РТФ-6М

Орган с интегрально-зависимой выдержкой времени срабатывания включает в себя частотно-импульсный модулятор (ЧИМ), интегратор (И) с диодно-ключевой схемой, блокинг-генератор (БГ), триггер (Т) и выходное реле КL5 (рисунок 9).

Частотно-импульсный модулятор (VТ1 ÷ VТ6) преобразует напряжение U_ВПУ2, поступающее со второго выхода ВПУ на вход интегрального органа, в последовательность однополярных прямоугольных импульсов напряжения (как показано на рисунке 10). Амплитуда и длительность этих импульсов постоянны и не зависят от величины входного сигнала U_ВПУ2. Длительности пауз t_n между импульсами обратно-пропорциональны значению напряжения U_ВПУ2.

В нормальном режиме работы защищаемого элемента (когда токи ОП отсутствуют) цепь питания интегрального органа разорвана замыкающим контактом пускового реле ПО, то есть промежуточное реле КL2 пускового органа находится в состоянии до срабатывания. Напряжение U_ВПУ2 на выходе ВПУ равно нулю. В целом интегральный орган не действует.

При появлении токов ОП достаточной величины срабатывает пусковой орган, который замыкает контакт пускового реле КL2, и на интегральный орган подается постоянное напряжение U_пит. Схема интегрального органа приходит в действие. Кроме того, на вход ЧИМ и на диодный ключ со второго выхода ВПУ поступает напряжение ± U_ВПУ2, пропорциональное значению тока ОП. После подачи на ИО напряжения питания ЧИМ начинает вырабатывать прямоугольные импульсы напряжения, длительность и амплитуда которых полностью определяется параметрами цепей ЧИМ (τ_и = const, U_m_ЧИМ = const).

Скважность импульсов на выходе ЧИМ определяется выражением

, где

q – коэффициент, определяемый параметрами цепей ЧИМ и являющийся постоянной величиной.

Импульсами с выхода ЧИМ через диодный ключ управляется интегратор, основными элементами которого являются параллельно включенные конденсаторы С2 ÷ С5. Принцип действия интегратора основан на заряде конденсаторов С2 ÷ С5 от напряжения U_ВПУ2. Диодный ключ (VD1, VD9) во время действия прямоугольных импульсов напряжения u_выхЧИМ подает на интегрирующие конденсаторы С2 ÷ С5 напряжение U_ВПУ2. Скорость заряда конденсаторов тем больше, чем больше напряжение U_ВПУ2 и чем чаще следуют импульсы с выхода ЧИМ.

Схема интегратора отрегулирована так, что при достижении на С2÷С5 напряжения необходимой величины он (интегратор) начинает пропускать коммутирующие импульсы («пачку» импульсов, до 8 – 10 имп.) с выхода БГ на вход триггера. Таким образом, интегратор является электронным ключом, момент времени отпирания которого определяется величиной напряжения U_ВПУ2 и напряжением срабатывания ИО U_{ср ИО}(рисунок 10). Импульсы блокинг-генератора, поступающее на вход триггера «опрокидывают» его и через обмотку реле КL5, которая включена в коллекторную цепь одного из транзисторов триггера, начинает проходить ток, - реле КL5 срабатывает и самоудерживается своим замыкающим контактом. Так формируется сигнал на отключение генератора с выдержкой времени, зависящей от значения токов ОП в первичных цепях защищаемого элемента.

Возврат триггера и реле КL5 в исходное состояние происходит после снятия напряжения питания U_пит при размыкании контакта реле КL2 (ПО).

На рисунке 11 приведена интегрально-зависимая характеристика времени срабатывания реле РТФ-6М. Из ее анализа следует, что при появлении токов ОП в защищаем элементе и достижении ими величины срабатывает сигнальный орган (КL1), контактами которого формируется сигнал о перегрузке генератора токами ОП.

При дальнейшем увеличении токов ОП и достижении ими величины срабатывает ПО, который пускает интегральный орган и формирует сигнал о пуске органа с ИЗВВ. Сигнал о пуске интегрального органа поступает на щит управления, и его наличие говорит о том, что через время t_срИО произойдет срабатывание реле РТФ-6М с последующим отключением генератора. Поскольку для каждого конкретного типа генератора параметр А является вполне конкретной и постоянной величиной, то время срабатывания ИО (и реле РТФ-6М в целом) определяется квадратом тока ОП.

При токах и реле РТФ-6М срабатывает с выдержкой времени и соответственно. Выдержки времени отсечек малы и не зависят от значений токов ОП.

На рисунке 11 пунктирной линией показана зависимость допустимого времени протекания токов ОП в статорных обмотках генератора от значений токов ОП, исходя из тепловой характеристики генератора. Участок характеристики от точки б до точки б' указывает на зависимость выдержки времени срабатывания ИО от значений токов ОП. Подобие участка характеристики б ÷ б' тепловой характеристике генератора обеспечивается соответствующим расчетом и настройкой схемы интегратора и схемы ИО в целом.

Итак, при токах ОП меньше все измерительные органы (СО, ПО, О – I, О – II, ИО) находятся в исходном состоянии (в состоянии «дежурного режима ожидания»).

При достижении токами ОП (скачком) величины :

· срабатывают СО, ПО;

· пускается ИО;

_·срабатывает схема О – I, которая формирует сигнал на деление шин и отключение генератора с выдержкой времени t_{ср О-I}

При достижении токами ОП (скачком) величины :

· срабатывают СО, ПО;

· пускается ИО;

· срабатывает схема О – II с временем t_{ср О-II} с действием на отключение генератора

5. Некоторые технические характеристики реле РТФ-6М

1. Реле РТФ-6М исполняются на номинальный переменный ток 5А и 10А; частота 50 гЦ.

2. Номинальное напряжение питания – 220В постоянного оперативного тока.

3. Номинальный вторичный ток защищаемого генератора может быть в пределах (0,7 ÷ 1,0) номинального тока реле. Для реле с I_ном = 5А номинальный вторичный ток лежит в пределах от 3,5А до 5А. Для реле с I_ном = 10А, номинальный вторичный ток лежит в пределах от 7А до 10А.

4. Небаланс на выходе ФТОП при токах ПП 1,5 I_ном не превышает величины, соответствующей току ОП величиной 0,015 I_ном.

Например, пусть I_ном = 5А. ЭДС на выходе ненагруженного фильтра Е₁ от токов ПП, величина которых равна 1,5×5А=7,5А, не превышает ЭДС Е₂ от токов ОП, если величина последних составляет 1,015×5А=0,075А.

5. В зависимости от диапазона регулирования уставок постоянной А реле имеет три исполнения с соответствующими диапазонами токов срабатывания СО, ПО, Отсечки – I и Отсечки – II.

Таблица 1

Исполнение

2019-10-11

559

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

Обсуждение в статье: Схемы внутренних соединений СО, ПО, отсечки I, отсечки II и принцип их действия

Обсуждений еще не было, будьте первым... ↓↓↓