книги / Релейная защита на унифицированных полупроводниковых элементах

6. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

Для питания аппаратуры управления высоковольт­ ными выключателями, контакторами, автоматами и об­ щей сигнализации на энергетических объектах в основ­ ном применяются источники постоянного или перемен­ ного оперативного тока 220 В в виде аккумуляторных батарей или специальных блоков питания с колебания­ ми уровня напряжения 0,8—1,1 номинального значения. Как по номинальным значениям параметров оператив­ ного тока, так и по точности их поддержания эти источ­ ники не пригодны для питания полупроводниковых устройств релейной защиты и автоматики. Как было указано выше, в качестве основных напряжений для питания полупроводниковых устройств приняты напря­ жения постоянного тока 12 и 6 В и для отдельных вы­ ходных устройств 24 В. Кроме того, точность поддержа­ ния этих напряжений, особенно 12 и 6 В, должна быть весьма высокой и составлять 1—2%. При применении выпрямленного тока допустимый уровень пульсации дол­ жен быть не более 1—3%.

Выполнение общих источников напряжения 12 и 6 В для всей подстанции или каждого РУ невозможно из-за больших переходных сопротивлений контактных соеди­ нений на сборках зажимов при таких низких напряже­ ниях, приводящих к возможности нарушения цепи, а также из-за недопустимых потерь напряжения в соеди­ нительных проводах и кабелях. Поэтому принято выпол­ нять самостоятельные источники питания 12 и 6 В для каждого присоединения, а при значительном числе уст­ ройств защиты и автоматики на присоединении —даже для отдельных устройств (на каждую панель или шкаф управления). При этом на объекте может иметься общая сеть постоянного тока 24 В на группу присоеди­ нений или объект в целом, получаемая с помощью мощ­ ных преобразователей от основного источника оператив­ ного тока 220 (ПО) В. Напряжения 12 и 6 В в таких

стабилизаторов на каждом присоединении. Такое реше­ ние позволило обойтись без отдельных независимых источников оперативного тока для полупроводниковых

52

устройств, что особенно выгодно для их внедрения на

на объектах, оборудованных аккумуляторными батарея­ ми 220 или 110 В.

Здесь рассматриваются только преобразователи и стабилизаторы 12 и 6 В, непосредственно применяемые для питания полупроводниковых устройств.

В качестве примера остановимся на элементах, вхо­ дящих в узел питания устройств релейной защиты, при-

Рис. 21. Простейшие схемы стабилизаторов напря­ жения постоянного тока.

а — с одним стабилитроном; б — с одним стабилитроном и эмиттерным повторителем.

мененных для КРУ и КРУН 6—10 кВ и использующих элементы серии «Логика-Т». Сначала рассматривается работа простейших стабилизаторов напряжения постоян­ ного тока, в которых применяют кремниевые опорные диоды (рис. 21). Показанный на рис. 21, а стабилизатор напряжения на одном кремниевом стабилитроне Д обес­ печивает стабилизацию напряжения на нагрузке RH при отклонениях питающего напряжения в весьма широких пределах.

Сопротивление R подбирается так, чтобы при ожи­ даемом наивысшем значении напряжения питания и ми­ нимальном токе нагрузки через стабилитрон проходил ток, близкий к максимально допустимому (обычно ие СВЫШе 0,8 /с т . макс ). Тогда при увеличении тока нагрузки доля тока, проходящего через стабилитрон, будет умень­ шаться. То же будет получаться и при снижении уровня питающего напряжения. При этом напряжение на на­ грузке Un будет оставаться практически неизменным.

53

Наименьшее значение напряжения питания и наиболь­ ший ток нагрузки, при которых сохраняется стабильное значение t/H, определяется минимальным током стаб i- лизации /с т .м и и стабилитрона. В диапазоне токов через стабилитрон /с т .м и и — /с т .м а к с изменение напряжения на нагрузке зависит от отношения дифференциального со­ противления стабилитрона Rn к сопротивлению R:

;=: ^UnRjdR-

Обычно /?д < /? и даже при значительном изменении питающего напряжения A1/п (до десяти и более процен­ тов) отклонение Uu не превышает 1—2%. Стабилизато­ ры, изображенные на рис. 21,а, имеют ограниченнее применение вследствие изменения напряжения стабили­ зации стабилитронов от образца к образцу (до ±15%) и большого ТКН. Кроме того, при повышении мощности нагрузки значительно увеличиваются потери в рези­ сторе R.

Более совершенным является стабилизатор, выпол­ ненный по рис. 21,6. Он представляет собой усилитель постоянного тока на транзисторе 71, включенном по схс ме с общим коллектором. При таком включении напря жение на нагрузке отличается от напряжения на стаби­ литроне Д на незначительную величину, равную падению напряжения между базой и эмиттером транзистора Т9 которым на практике пренебрегают. Благодаря пример ному равенству этих двух напряжений схему включения транзистора с общим коллектором называют также эмиттерным повторителем. Ток нагрузки в данной схеме больше тока в базе транзистора в (Р + 1) раз. Транзи­ стор Т выполняет роль регулируемого сопротивления, которое меняется в зависимости от колебании питающе­ го напряжения и тока нагрузки. Резистор R подбирает­ ся таким, чтобы обеспечить в наихудших режимах про­ хождение через стабилитрон тока не меньше /ст.мии Качество стабилизации оценивается по коэффициент) стабилизации, равному

Ж"Тл7’

Для простейших стабилизаторов значение /Сст превышает 30. В более совершенных стабилизаторах компенсационного типа, один из которых описывается ниже, /(ст составляет несколько сот. В типовых узлах питания, применяемых в транзисторных защитах при

54

соединений 6—10 кВ на элементах «Логика-Т», напря­ жения постоянного тока 12 и 6 В получают из напряже­ ния 24 В с помощью компенсационных стабилизаторов типа Т501 и Т502 и преобразователя напряжения Т503. Элемент Т501 применяют для получения напряжения 12 В, а элемент 1502 для напряжения 6 В. На рис. 22 представлена схема элемента Т501. Входные цепи ста­ билизатора рассчитаны на нестандартное напряжение

15 В. Напряжение 24 В должно подаваться на него че­ рез стабилитрон типа Д815Б.

Допустимое отклонение входного напряжения 24 В составляет ±20% при уровне пульсации до 3%. При этом на выходе элемента гарантируется точность под­ держания заданного напряжения в пределах 2% и уро­ вень пульсации не свыше 0,8%.

Регулирующим органом стабилизатора является со­ ставной усилитель на транзисторах Г и 7\.

Регулирующий орган управляется выходным сигна­ лом дифференциального усилителя на транзисторах

и 7V Управляющий сигнал снимается с коллекторов транзисторов Т2 и Тъ.

На базы транзисторов дифференциального усилителя поступает напряжение с диагонали измерительного мо­ ста, подключенного к выходу стабилизатора. Одну пару плеч моста образует делитель напряжения из двух нере­ гулируемых резисторов /?з и RL и одного выносного ре­

55

гулируемого резистора R типа ГТПЗ-43, с движка кото­ рого подается напряжение на базу Г2. Остальные рези­ сторы типа МЛТ 0,5. Два других плеча образуются резистором и стабилитроном Д2 с последовательно включенными диодами Дг и Д4. Последние служат для температурной компенсации изменения напряжения ста­ билитрона ДгНапряжение на стабилитроне Д2 являет­ ся опорным напряжением измерительного моста; к нему подключена база 7V На транзистор Г2 дифференциаль­ ного усилителя через резистор Re подано повышенно, напряжение, представляющее собой сумму выходной, напряжения и напряжения стабилитрона Ди подклю­ ченного через резистор Rz к дополнительному источнику выпрямленного напряжения, получаемого от специаль­ ного преобразователя типа Т503.

Наличие общего эмиттерного резистора Rb у транзи­ сторов Г2 и Т3 обеспечивает высокую чувствительность дифференциального усилителя, так как создается обрат­ ная связь между ними. При увеличении тока базы, а вместе с ним и тока коллектора транзистора Г2 возра­ стает падение напряжения на резисторе Rs, что влечет за собой при неизменном потенциале на базе транзи­ стора Г3 снижение напряжения между его эмиттером и базой и соответствующее уменьшение коллекторного тока. Это приводит к увеличению разности потенциалов между коллекторами Г2 и Г3, являющейся выходным напряжением дифференциального усилителя. Это напря­ жение прикладывается к базе транзистора Т\ и шинке 12 В. Ток эмиттера Т{ добавляется к току базы Т и определяет его режим. Падение напряжения между кол­ лектором и эмиттером Т при нормальной работе стаби­ лизатора автоматически устанавливается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось по­ стоянным. Поддержание неизменного значения выходно­ го напряжения стабилизатора обеспечивается следую­ щим образом. Если, например, выходное напряжение по какой-либо причине возрастает, то это приводит к повы­ шению напряжения на базе Г2. Коллекторный ток Т2 падает, и напряжение между базой Тх и шинкой 12 В снижается. Падение напряжения между эмиттером и коллектором транзистора Ти а затем и Т увеличивается, что приводит к понижению выходного напряжения. В случае понижения выходного напряжения по какойлибо причине происходит встречное уменьшение паде­

56

резистор /?г(#з), зажим 9]. Все резисторы типа МЛТ 0,5 Допустим, что в силу случайных причин, например, неидентичности характеристик транзисторов ITi и Г2, кол лекторный ток Т± оказался большим, чем у Т2. Тогда этот ток создает в сердечнике трансформатора магнит ный поток, который вызовет э. д. с. на всех обмотках трансформатора. Базовая обмотка подключена к тран­ зисторам таким образом, что обеспечивается положи­ тельная обратная связь. Электродвижущая сила, наве­ денная в базовой обмотке, вызывает протекание тока по цепи резистор R \—диод Д2, переход эмиттер — база тран­ зистора Ти причем этот ток способствует быстрому пере­ ходу транзистора Т± в режим насыщения. Транзистор Г- запирается. Питающее напряжение постоянного тока оказывается приложенным к обмотке w2 по цепи; за­ жим 15у переход эмиттер — коллектор отпертого транзи­ стора Т\9 обмотка w2j зажим 9. Магнитный поток ® сер­ дечнике меняется при этом по линейному закону, и во вторичных обмотках наводятся э. д. с. прямоугольной формы. Когда значение потока достигает максимума,

13

Рис. 23. Преобразователь напряжения Т503.

58

3. д. с. снижаются до нуля. Спадание потока изменяет знак э. д. с., что приводит к запиранию транзистора Т\ и отпиранию транзистора 7V Начинается второй полупериод работы преобразователя, в ходе которого происхо­ дит перемагничивание сердечника. Элемент имеет мощность около 3,6 Вт. Допустимые токи нагрузки вто­ ричных обмоток — до 0,2 А.

7. ВЫПОЛНЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ПРИСОЕДИНЕНИЙ 6— 10 кВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

Для массового производства устройств релейной за­ щиты присоединений 6—10 кВ, устанавливаемых в КРУ и КРУИ, разработана сетка модулей, из которых со­ ставляются схемы управления, защиты, автоматики и сигнализации отдельных присоединений.

На подавляющем большинстве присоединений 6—10 кВ для ликвидации к. з. применяется, как прави­ ло, максимальная токовая защита, снабжаемая в неко­ торых случаях блокировкой минимального напряжения. Основными органами такой защиты являются органы тока и напряжения. На рис. 24 показана принципиаль­ ная схема органа максимального тока (токовогооргана), •выполненного на полупроводниковых приборах.

Токовый орган подключается к трансформатору тока присоединения через согласующий трансформатор БТ9 который обеспечивает электрическое разделение полу­ проводниковой части защиты и токовых цепей присоеди­ нения, а также вместе с резисторами R\ и R2 типа МЛТ2

Рис. 24. Принципиальная схема органа максимального тока.

служит для согласования трансформатора тока с вход­ ным сопротивлением релейного элемента Э1. При нали­ чии в модуле нескольких токовых органов их согласую­ щие трансформаторы собираются в отдельный блок.

Регулируемый резистор /?3 типа ППЗ-43 и резистор типа МЛТ2 предназначены для установки заданного тока срабатывания защиты. Для удобства регулирова­ ния ручка регулируемого резистора /?3 выносится на лицевую плату модуля. Выпрямитель ВМ и конденсатор Ci типа МБГО-2 используются для выпрямления и сгла­ живания переменного тока, поступающего от раздели­ тельного трансформатора. Выпрямленный ток подается на релейный элемент Э1 типа Т205. Описание элемента

Т205 приведено в § 5.

Работа токового органа происходит следующим об­ разом. В нормальном режиме, когда через присоедине­ ние проходит ток нагрузки на вход элемента Э1, подается выпрямленный ток, недостаточный для его срабатывания. При этом на выходе элемента Э1 (за­ жим S) (напряжение близко к нулю. При возрастании тока через присоединение до величины, большей тока срабатывания, на выходе элемента Э1 появляется еди­ ничный сигнал, составляющий не менее — 4,5 В. Этот сигнал используется в различных модулях либо непо­ средственно для приведения в действие выходного реле, либо запускает орган выдержки времени защиты, в ка­ честве которого применяется типовой элемент времени Т305.

Для получения требуемого коэффициента возврата токового органа к элементу Э1 подключается внешний резистор Rs типа МЛТ0,5. При близких к. з. входной сигнал может достигать значений, превышающих пре­ дельно допустимые для элемента Т205. Во избежание его повреждения предусмотрен узел ограничения вход­ ного сигнала, расположенный в модуле питания. При высоком уровне входного сигнала открывается диод Д\ и подключает к входу релейного элемента цепочку из последовательно соединенных четырех стабилитронов

тока 24 В через диод Дг и резистор /?6 типа МЛТ1. Технические данные рассмотренного токового органа

удовлетворяют требованиям к релейной защите присое­

60