Регулирование уставок реле по току срабатывания производится дискретно ступенями по 0,1 минимальной уставки диапазона.

СНИЯЭиП

 

Кафедра «Эксплуатация электрических станций»

 

 

«УТВЕРЖДАЮ»

 

Заведующий 

кафедрой ЭЭС            

А.Углов

 

 

Лекция 10

Тема:   Статические  ИО тока.

 

Учебная цель: дать студентам общие сведения о статических реле максимального тока, устройстве, принципе действия и технических характеристиках реле РСТ-11÷РСТ-14.

 

Вопросы:

 

1. Назначение, состав и принцип действия схемы сравнения ИО тока

2.  Общие сведения о статических реле максимального тока РСТ-11, РСТ-13.

3. Технические характеристики реле РСТ-11, РСТ-13.

4. Устройство и принцип действия РСТ-11 (РСТ-13).

 

Литература

1. Техническое описание реле РСТ-11, РСТ-13.

2. «Техническое обслуживание релейной защиты и автоматики электростанций и электрических цепей», часть 3, Статические реле.

 

г.Севастополь 2017г.
1. Назначение, состав и принцип действия схемы сравнения ИО тока

В измерительных органах РЗ нашли широкое применение схемы сравнения:

-двух абсолютных значений сравниваемых электрических величин  (напряжений или токов);

-фаз двух сравниваемых электрических величин.

В устройствах РЗиА применяются две схемы сравнения абсолютных значений электрических величин:

-на равновесии напряжений;

-на балансе токов, пропорциональных сравниваемым электрическим величинам.

В схеме сравнения на циркуляции токов (рисунок 1 ) выпрямители VS1 и VS2 соединяются последовательно разнополярными зажимами. Реагирующий орган подключается своими зажимами к точкам а и б параллельно обоим выпрямителям.

Под действием приложенных напряжений u₁ и u₂ по диодам мостов VS1 и VS2, а также по балластным резисторам R₁ и R₂ протекают токи I₁ и I₂. По обмотке реле эти токи протекают встречно. Результирующий ток, протекающий по обмотке реле, равен разности токов I₁ и I₂.

 

I_РО = |I₁| - |I₂|

 

 

Рисунок 1. Схема сравнения на циркуляции токов.

В случае равенства входных сравниваемых напряжений u₁ и u₂ ток I₁ равен току I₂, следовательно, 

I_РО = I₁ - I₂ = 0.

При превышении u₁ над u₂ (u₁ > u₂) ток I₁ > тока I₂.

I_РО= , а при R₁=R₂

Таким образом, ток, протекающий по обмотке реле, пропорционален разности сравниваемых напряжений.

Узлы сравнения, используемые в серийных реле защиты, имеют несколько вариантов исполнения. Одним из них является узел сравнения, применяемый в большинстве серийных реле тока и напряжения, реагирующих на полные значения измеряемых электрических величин. Этот узел работает на времяимпульсном принципе (рисунок 2). Для срабатывания таких реле требуется, чтобы:

1. - во-первых, входной сигнал превысил некоторое заданное значение (порог, уставка);

2. - во-вторых, чтобы обеспечивалось определенное соотношение между временем превышения входным сигналом заданного порога и временем, когда входной сигнал ниже уровня срабатывания (уставки).

Выполнение этих условий обеспечивает хорошую отстройку реле от помех, могущих возникать в цепях питания реле оперативным током, а также из-за наведенных напряжений от смежных цепей (помех).

Узел сравнения (рисунок 2,а) содержит в своем составе два индикатора уровня. Один  из них входит в состав преобразующей части узла  и представляет собой компаратор, собранный на операционном усилителе (ОУ) А1. На неинвертирующий вход А1 с делителя напряжения на резисторах R₃ ÷ R₆ и R₉ ÷ R₁₃ подается от плюсовой шинки положительное опорное напряжение U_оп1. Величина U_оп1 определяется уставкой реле, для чего служат выключатели SB1 ÷ SB5.

 На инвертирующий вход А1 подается выпрямленное напряжение U_{вх сс}, пропорциональное величине тока, поступающего от датчика тока. Если величина выпрямленного напряжения  U_{вх сс} меньше порогового напряжения U_оп1, то на выходе компаратора А1 будет максимальное положительное напряжение. Так, в случае питания операционного усилителя напряжением ±15В на выходе А1 будет напряжение, близкое к напряжению питания (U_{А1 вых} ≈ +13В). При этом конденсатор С1 заряжен до максимального (+9В, ограничение стабилитронами VD3) положительного напряжения.

Это напряжение подается на вход второго индикатора уровня, собранного на ОУ А2 по схеме триггера Шмитта. Положительное напряжение, поступающее с конденсатора С1 на инвертирующий вход схемы А2, создает на выходе триггера напряжение отрицательного знака    (≈-13В). Через цепь ПОС на неинвертиующий вход А2 поступает часть этого напряжения (U_ОП2 ≈ -3,5В). величина опорного напряжения зависит от соотношения сопротивлений R₁₅, R₁₆.

                                                    (1)

 

 

Рисунок 2. Узел сравнения тока (напряжения) широкого применения.

Опорное напряжение U_ОП2 определяет второе условие срабатывания реле.

При возрастании входного напряжения до величины, превышающей U_ОП1, происходит изменение режима компаратора А1, компаратор переходит (практически мгновенно) в иное устойчивое положение, и на его выходе устанавливается максимальное напряжение отрицательного знака (≈-13В). Изменение знака напряжения на выходе А1 вызовет разряд и перезаряд конденсатора С1 (верхняя обкладка С1, (R₇, R₈, VD2), выходная цепь А1, минусовая шинка -15В, источник питания, нулевая шинка, нижняя обкладка С1).

Если уровень входного сигнала U_{вх сс} становится выше опорного U_ОП1 лишь на непродолжительное время (t₁ ÷ t₂), то емкость С1 не успевает перезарядиться, - происходит лишь снижение напряжения на конденсаторе. В момент времени t₂ компаратор А1 возвращается в исходное состояние, напряжение на его выходе принимает знак плюс (≈+13В), и конденсатор С1 вновь заряжается через резистор R₇.

             (2)

 

 

Рисунок 3. К вопросу о коэффициенте возврата.

 

Исполнительная часть узла сравнения подействует только тогда, когда за счет увеличения входного сигнала время превышения U_{вх сс} над U_ОП1 (т.е. τ_ср) станет достаточным, чтобы емкость С1 успела перезарядиться настолько, что отрицательное напряжение на конденсаторе С1 станет ниже U_{ОП2 сраб.} (момент времени t_сраб). Потенциал инвертирующего входа А2 становится ниже потенциала неинвертирующего, и триггер «опрокидывается», - напряжение на выходе А2 становится максимальным и положительным. (≈ +13В). Изменение напряжения на выходе А2 ( U_{А2 вых} = +13В) является признаком срабатывания реле. После изменения знака напряжения на выходе А2 напряжение на его неинвертирующем входе становится тоже положительным. Это напряжение называют напряжением возврата, (+ U_{ОП2 возвр.} ≈ +3,5В), так как им определяется величина входного сигнала, которое требуется для возврата триггера Шмитта в исходное состояние.

При напряжении на входе схемы сравнения равном U_{вхссвозв.} компаратор А1 вырабатывает положительные импульсы с длительностью τ_в, при которой происходит преимущественно заряд конденсатора С1. В момент времени t_возв. напряжение на конденсаторе С1 достигает величины, равной U_{ОП2 в.}, и триггер Шмитта возвращается в исходное состояние.

Коэффициент возврат реле определяется выражением

и зависит от величин U_{ОП2 сраб.} и U_{ОП2 возв.}.

Как показывает опыт, τ_ср должна составлять примерно 1,6мс.  За это время входное напряжение изменяется практически не более чем на 3%. Благодаря этому работа реле мало зависит от формы кривой поступающего входного сигнала. Поэтому токовые реле такого исполнения надежно работают при значительных погрешностях трансформаторов тока, которые могут достигать 50% и более.

2. Общие сведения о статистических реле максимального тока РСТ-11 ÷ РСТ-14.

Максимальные токовые статистические реле серий РСТ-11÷ РСТ-14 предназначены для использования в качестве измерительных органов токовых защит (как мгновенного действия, так и работающих с выдержкой времени).

Реле серий РСТ-11÷ РСТ-14 пригодны для всех случаев, когда не требуются специальные меры по отстройке от апериодических составляющих и высших гармоник, которые могут содержаться в первичных токах защищаемого объекта.

По своим техническим характеристикам реле серии РСТ-11÷ РСТ-14 близки к хорошо себя зарекомендовавшим электромагнитным реле максимального тока типа РТ-40.

Рассматриваемые реле обеспечивают четкую работу при больших кратностях первичного тока, когда погрешность в работе измерительных ТТ может достигать 80-90%.

Реле обладают повышенной помехоустойчивостью и сейсмостойкостью и рассчитаны для применения на объектах атомной энергетики.

Имеется 28 исполнений реле серий РСТ-11 ÷ РСТ-14.

Условное обозначение реле:

 

РСТ – 11 – 19 – 1 - УХЛ4

 

номер серии

диапазон уставок

характер подключения внешних проводов

характер климатических условий эксплуатации

Пример: реле статическое токовое, питается напряжением переменного ОТ, с передним подключением проводов, предназначено для эксплуатации в условиях умеренного климата.

3. Технические характеристики реле РСТ-11 ÷ РСТ-14   

Для питания этих реле используются источники ОТ напряжением ~220В или -220В. Так, реле РСТ-11 и РСТ-12 питаются переменным ОТ напряжением ~220В; реле РСТ-13 и РСТ-14 питаются постоянным ОТ напряжением -220В.

Основные технические характеристики реле РСТ-11, РСТ-13 представлены в таблице 1.

Коэффициент возврата  реле не ниже 0,9.

Мощность, потребляемая от цепи не превышает 8,5 В·А.

Реле не срабатывает в момент снятия или при подаче напряжения ОТ, а также при кратковременном его исчезновении (до 50мс). При этом значение контролируемой величины тока может достигать 0,85 уставки. Отсутствие оперативного напряжения приводит к отказу реле.

 Отключающая способность контактов выходного реле при напряжении от 24В до 250В в цепях постоянного тока с индуктивной нагрузкой -30Вт (но не боле 1А) и в цепях переменного тока при cosφ_г не менее 0,4 до 250 В·А (но не более 2А).

Все элементы реле, кроме балластных резисторов, смонтированы в общем корпусе, состоящем из основания (цоколя) с съемного прозрачного кожуха. Переключатели уставок, выходящие регулируемой частью на наружную строну лицевой таблички, установлены на плате с печатным монтажом.

Размеры цоколя реле 152x66 мм, высота реле -181 мм, масса реле - 1,2 кг.

Реле предназначено для установки на вертикальной панели. Предусмотрено переднее или заднее присоединение проводов.

Таблица 1

Исполнение реле, 220В	Номинальный ток, А	Диапазон уставок, А	Максимальная погрешность, %	Потребляемая мощность от ТТ при Iср, В.А	Потребляемая мощность от ТТ при Iр=Iном, В.А	Потребляемая мощность по цепи ОТ, В.А	Термич. стойкость, длительно, А	Исполнение реле, -220В
РСТ-11-04	0,4	0,05-0,2	7,5	0,1	0,2	7 (8,5)	0,55	РСТ-13-04
РСТ-11-09	1,6	0,15-0,6	5	0,1	0,2	7 (8,5)	1,75	РСТ-13-09
РСТ-11-14	2,5	0,5-2	5	0,1	0,5	7 (8,5)	4,15	РСТ-13-14
РСТ-11-19	10	1,5-6	5	0,2	0,5	7 (8,5)	11	РСТ-13-19
РСТ-11-24	16	5-20	5	0,2	1,0	7 (8,5)	19	РСТ-13-24
РСТ-11-29	16	15-60	5	0,8	1,0	7 (8,5)	27	РСТ-13-29
РСТ-11-32	16	30-120	5	2,4	1,0	7 (8,5)	27	РСТ-13-32

 

 4. Устройство и принцип действия реле РСТ-11 (РСТ-13).

Работа реле основана на времяимпульсном принципе. 

Реле состоит из следующих функциональных частей:

- воспринимающей (промежуточный трансреактор TAV);

- преобразующей (выпрямительный мост VS1, выход которого подключен к резистору R1);

- сравнивающей (пороговый элемент А1 на ОУ, интегрирующая цепь RC и триггер Шмитта);

- исполнительной (промежуточное реле KL, включенное  в коллекторную цепь транзистора VT1).

 

 

 

Рисунок 4. Функциональная схема реле РСТ-11.

На рисунке 5 представлена принципиальная электрическая схема реле РСТ-11 и временные диаграммы его работы.

Входным сигналом является  ток i_р, подводимый к зажимам реле 10 и 12 от измерительного ТТ.

 

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема и временные диаграммы реле РСТ-11 (РСТ-13).

Трансреактор TAV преобразует ток i_р в пропорциональное ему напряжение, которое выпрямляется мостом VS1 и без сглаживания подается на вход компаратора А1.

 В промежутки времени, когда мгновенное значение переменного сигнала на И-входе компаратора А1 превышает напряжение порога U_ОП, на выходе компаратора появляется максимальное отрицательное напряжение -15В. Пороговое напряжение U_ОП1 поступает на Н-вход компаратора А1 с делителя напряжения R6 ÷ R13. C помощью переключателей SB1 ÷ SB5 изменяется величина порогового напряжения U_ОП1, тем самым регулируется уставка реле по току срабатывания.

При превышении мгновенным значением входного сигнала на И-входе А1 порогового напряжения U_ОП1 компаратор «опрокидывается». Конденсатор С2 быстро разряжается через VD2, R8, R7, выходную цепь компаратора, источник питания, «0».

В промежутке времени, когда мгновенное значение сигнала на входе компаратора А1 ниже порога U_ОП, на выходе А1 напряжение вновь возрастает и емкость С2 вновь заряжается через резистор R₇ (поскольку R 7 = 3 R 8, емкость С2 заряжается медленнее, чем разряжается).

При увеличении амплитуды входного тока время разряда и последующего перезаряда емкости С2 возрастает, а время заряда С2 положительным напряжением уменьшается.

При входном токе I_р, равном току срабатывания реле I_ср напряжение на емкости С2 (а следовательно, и на входе элемента А2) достигает отрицательного порога срабатывания триггера Шмитта. При этом триггер переключается, а напряжение на его выходе скачком изменяется от величины -13В до +13В.

По цепи через R17 на базу транзистора VT1 подается положительное напряжение, и транзистор открывается и переходит в состояние насыщения. Через открывшийся транзистор VT1 получает питание промежуточное реле KL от выпрямительного моста VS2.

Одновременно с этим становится положительным напряжение порога U_ОП2 триггера А2. Последнее необходимо для обеспечения устойчивой работы реле.

Для уменьшения времени срабатывания и времени возврата реле, а также для увеличения коэффициента возврата параллельно И-входу элемента А2 включен стабилитрон VD3 (двусторонний ограничитель). Уровень стабилизации (±9В) несколько превышает U_ОП2ср и U_ОП2воз. Этот уровень выбран так, чтобы перезаряд емкости С2 осуществлялся на начальном, линейном участке экспоненты, что улучшат временные характеристики реле.

Резистор R17 ограничивает ток i_бэ VT1, R18 ограничивает напряжение U_бэ.

Диод VD6 предохраняет транзистор VT1 от перенапряжений по цепи коллектор – эмиттер.

Конденсаторы С1 и С4 предназначены для защиты реле от импульсных помех. Конденсатор С3 предназначен для предотвращения кратковременного срабатывания реле при включении напряжения ОТ.

Напряжения ±15В снимаются с стабилитронов VD4 и VD5.

Конденсаторы С5 и С6 сглаживаются.

Регулирование уставок реле по току срабатывания производится дискретно ступенями по 0,1 минимальной уставки диапазона.

Значение тока срабатывания определяется по формуле:

I_ср= I_{ср min} (1+ N),

где I_{ср min} - минимальная уставка по току срабатывания данного диапазона уставок (выбранная из таблицы);

N – сумма чисел на шкале уставок (0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6), около которых шлицы переключателей SВ1÷SВ5 установлены горизонтально. При этом контакты соответствующих переключателей разомкнуты, а резисторы R9÷R13 введены в работу, что приводит к повышению порога срабатывания U_ОП1 компаратора А1.

Резистор R3 предназначен для коррекции тока срабатывания реле.

 

 

Рисунок 6. Пример расчета тока срабатывания реле РСТ-11-04.

I_срmin=0,05А

I_ср= I_срmin·(1+N)=0,05(1+1,6+0,8+0,4+0,2+0,1)=0,2А

 

 

 

Рисунок 7. Пример расчета тока срабатывания реле РСТ-11-29.

 

I_срmin=15А

I_ср= I_срmin·(1+0+0,8+0,4+0+0)=15·2,2=33А