Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор существующих устройств. формулировка задач исследования 12
1.1. Способы построения устройства дистанционных защит 12
1.1.1. Существующие способы построения дистанционных измерительных органов 12
1.1.2. Определение значений сопротивления в месте установки устройства 16
1.1.3. Определение угла сопротивления 19
1.2. Замкнутые схемы измеришельных органов 23
1.3. Некоторые особенности построения дистанционной защиты со сложной формой характеристики срабатывания 27
1.3.1. Существующие способы построения реле сопротивления со сложными характеристиками 27
1.3.2. Перспективность использования датчиков сопротивления (модуля и угла) для построения различных устройств защиты 30
1.4. Выводы 32
Глава 2. Разработка и исследование измерительных органов дистанционных защит на датчиках модуля и угла сопротивления 33
2.1. Введение 33
2.2. Разработка устройства для определения модуля сопротивления и реле на его основе . 34
2.2.1. Выбор функциональной схемы датчика модуля 34
2.2.2. Анализ погрешности схемы 38
2.2.3. Направленное реле сопротивления на основе датчика модуля 49
2.2.4. Анализ переходных характеристик датчика модуля 53
2.3. Разработка устройства для определения угла сопротивления 62
2.3.1. Использование метода прямого преобразования (на основе формирователей прямоуголь ных импульсов) 62
2.3.2. Использование метода следящего преобразования 69
2.3.3. Анализ переходных характеристик датчика угла 73
2.4. Разработка реле сопротивления на основе датчиков модуля и угла 80
2.4.1. Аппроксимация характеристики срабатывания в виде частей колец комплексной плоскости и их комбинаций на основе двух датчиков 80
2.4.2. Описание функциональной схемы 81
2.5. Разработка принципиальных схем -85
2.5.1. Принципиальная схема датчика модуля. 85
2.5.2. Принципиальная схема датчика угла 90
2.6. Аппроксимация характеристики срабатывания путем деления комплексной плоскости несколькими прямыми 99
2.6.1. Выбор функциональной схемы 99
2.6.2. Разработка принципиальной схемы 108
2.7. Разработка устройства с характеристикой срабатывания в виде двух пересекающихся окружностей 115
2.8. Выводы 120
Глава 3. Трехступенчатая направленная дистанционная защита линии 122
3.1. Принципиальная схема измерительного органа 124
3.2. Логическая часть защиты 127
3.3. Исполнительный орган 133
3.4. Конструктивное ъвыполнение защиаы 140
3.5. Выводы 157
Глага 4. Экспериментальные исследования защиты . 158
4.1. Лабораторные исследования макета защиты 158
4.1.1. Настройка и испытания электронного ключа 158
4.1.2. Исследование звена с регулируемым коэффициентом передачи 161
4.1.3. Регулировочные характеристики измерительного органа при замкнутой цепи обратной связи 166
4.1.4. Статические характеристики измерительного органа на комплексной плоскости сопротивлений 168
4.2. Исследование опытного образца защиты на электродинамической модели 171
4.3. Натурные испытания опытного образца защиты и результаты эксплуатации 180
4.4. Выводы 184
Заключение 186
Литература
- Способы построения устройства дистанционных защит
- Разработка устройства для определения модуля сопротивления и реле на его основе
- Принципиальная схема измерительного органа
- Лабораторные исследования макета защиты
Способы построения устройства дистанционных защит
Большинство дистанционных защит /I, 83, 85/ содержит измерительные органы, в которых для контроля значений сопротивлений на зажимах сравниваются две или несколько электрических величин. Граничным условием их срабатывания в случае простейшей ненаправленной защиты является равенство модулей сравниваемых величин: R„i/ = 1М15 ал) где 1\ц и Кт - комплексные коэффициенты для формирования сравниваемых величин ( в простейшем случае сравнения модулей они вещественны).
Тогда,при сопротивлении на зажимах устройства дистанционной защиты, равном сопротивлению срабатывания,будет справедливо ЇГРІ _J 1 ІРІ Zp — Z.cp При этом модуль контролируемого устройством сопротивления соответствует модулю сопротивления от места его установки до точки короткого замыкания (к.з.)» В случаях к.з. в других местах линии ( 7 Z-cp ) поведение устройства лишь указывает, где находится конец вектора сопротивления - в заданной области срабатывания или вне ее. Эта область, ограниченная линией характери -стики срабатывания, в зависимости от алгоритма сравнения имеет форму окружности, эллипса, многоугольника или их комбинации на комплексной плоскости сопротивлений. В качестве примеров таких устройств можно указать на дистанционные защиты, выполненные на электромеханических реле сопротивления. На принципе сравнения двух электрических величин работает реле сопротивления /23/, все функциональные узлы которого выполнены на операционных усилителях (ОУ) интегрального исполнения. В нем сравниваются по абсолютному значению величины, сформированные по выражениям: tf - »\ 2 CP p (1.2) где К, , Ко і К я - коэффициенты преобразования электрических величин; 1мм. Угол максимальной чувствительности; ZCp модуль сопротивления срабатывания; 74 - отношение отрезка диаметра характеристики в третьем квадранте к отрезку диаметра в первом квадранте. Отношение 7п характеризует смещение характеристики в направлении угла максимальной чувствительности. На рис.1.1 приведена схема данного реле. При условии срабатывания и при 17} = О характеристика срабатывания имеет вид окружности, проходящей через начало координат, а при ТП = і,о - с центром в начале координат. Угол максимальной чувствительности опреде-ляется углом входного сопротивления RC двухполюсника.
Желательно было бы правильно определясь сопротивление до точки к.з. не только при 1Е., = I Е2 , когда точка к.з. на границе срабатывания, а при всех значениях входных величин V и I , охватывающих все режимы работы защищаемого объекта, включая короткие замыкания за различными сопротивлениями.
Устройство, на выходах которого имеется непрерывная для всех значений V" и I полная информация о значении сопротивления, имело бы более широкие функциональные возможности (Здесь под полной информацией следует понимать информацию о составляющих сопротивления: модуля и угла или активной и реактивной составляющий). Например, имея значения модуля и угла, нетрудно задавать области срабатывания устройства дистанционной защиты по этим параметрам. Путем соответствующей цифровой и аналоговой обработки сосшавляющих полного сопротивления легко обеспечить сложные формы характеристики срабатывания в виде многоугольника, колец и частей колец на комплексной плоскости сопротивлений. Использовать значения модуля и угла можно для решения задач автоматики выявления асинхронного режима, для непрерывного контроля состояния объекта электрической системы по его сопротивлению.
Изложенное подтверждает целесообразность построения устройств дистанционных защит на основе датчиков сопротивления и это положение принято за основу дальнейших исследований. Определение значений сопротивления может быть осуществлено через его прямоугольные ( R и X ) или полярные ( Z ж Qt Z ) координаты.
Разработка устройства для определения модуля сопротивления и реле на его основе
Одним из путей расширения функциональных возможностей дистанционных органов, как это показано при анализе существующих устройств, является определение и дальнейшее использование непрерывной и полной информации о значении сопротивления. В качестве такой информации могут служить координаты полного сопротивления при том или ином способе представления его вектора на плоскости. Например, активная и реактивная составляющие или модуль и угол сопротивления.
Способ определения полного сопротивления через его полярные координаты, т.е. с помощью модуля и аргумента имеет некоторые преимущества над остальными способами. Зто утверждение основано на следующих со обращениях. Так, зная модуль сопротивления и его аргумент, можно вычислить активную и реактивную составляющие. По известным полярным координатам нетрудно судить о характере режима работы системы. Становится возможным создание устройств, контролирующих или реагирующих на модуль и угол с улучшенными показателями. Например, облегчится решение задач обеспечения сложной формы характеристики, обнаружения места повреждения. Возможно создание устройств обнаружения и воздействия на асинхронные режимы по факторам изменения модуля и угла сопротивления элемента электрической системы или ее режима.
Целью второй главы являются решение следующих задач: - разработка функциональных схем измерительных органов (датчиков) модуля и угла сопротивления; - разработка принципиальных схем, определение типов и параметров отдельных элементов; - анализ функционирования разработанных органов в нормальном и переходных режимах, определение ожидаемых технических показателей работы; - разработка устройств дистанционной защиты на основе полученных схем датчиков модуля и угла.
За основу датчика модуля взято устройство, выполненное по функциональной схеме (рис.1.4), решения уравнения (1.6) на операционных усилителях. Однако реализация решения (1.6) по данной схеме (рис.1.4), предполагает , что формирователь модуля I окажется вне замкнутого контура, образованного множительным устройством, сумматором, интегратором и цепью обратной связи. В связи с этим погрешности этого формирователя проходят на выход устройства так же, как и полезный сигнал. Поэтому предпочтительнее выглядит схема, изображенная на рис.2.1, которая менее чувствительна к смещению и дрейфу нуля, изменению параметров компонентов формирователя модуля.
Данная схема построена согласно уравнению короткозамкнутой линии, и поэтому выходная величина соответствует модулю сопротивления от места установки до точки к.з. В нормальных же режимах по выходной величине можно судить о некотором обобщенном сопротивлении линии и нагрузки. Однако существование параллельных источников и линий могут значительно искажать действительное значение сопротивления нормального режима. В таких случаях введение поправок или соответствующая градуировка шкалы регистрирующего прибора позволяют вести контроль сопротивления не только при к.д. , но и в нормальном режиме.
Операцию умножения I на Z можно выполнить с помощью звена с регулируемым коэффициентом передачи и звена имитирующего некоторую долю сопротивления линии Z.0 . Коэффициент передачи Ке звена с регулируемым коэффициентом передачи изменяется выходным напряжением }ГР , соответствующим Z. , Общий коэффициент передачи звеньев, реализующих переменный Б и Z0 , есть K6ZQ -Z . Поскольку ток I; умножается на Кг , то очевидно, что при этом выполняется операция умножения
Модуль напряжения на выходе звена, соответствующего о » TTZ = l zl сравнивается с модулем напряжения на линии VA Так как ОУ выполняет операции над напряжениями, нужно преобразовать ток в напряжение Vj в таком масштабе, при котором вее значения 1ГХ находился бы в диапазоне рабочих напряжений ОУ (10-15 В). Кроме того необходимо привести в соответствие напряжение на линии 1ГЛ с диапазоном рабочих напряжений ОУ.
Принципиальная схема измерительного органа
Звено с регулируемым коэффициентом передачи выполнен нейнвертирующим, так как в обратном случае при к.з. в защищаемой зоне мгновенные значения YM S11 л и У дут совпадать по знаку, что приведет к несрабатыванию. Другими словами, сигнал 5 - , являющийся рабочим при к.з. в защищаемой зоне, превращается в тормозной как и ПГЛ .в ключе можно использовать маломощный высокочастотный транзистор п-р-п проводимости типа KT3I2 Б, В. Значение сопротивления в цепи его базы должен быть в пределах 5 8 кОм, что обусловлено допустимым значением тока базы.
На выходе интегратора 0У7 после затухания переходного процесса имеем постоянное напряжение up % однозначно определяемое сопротивлением на зажимах устройства. Его непрерывный характер зависимости от сопротивления позволяет при помощи соответствующей логической части осуществить дистанционную защиту с несколькими ступенями. Кроме Up полезным является и сигнал рассогласования , на выходе сумматора ОУ6, который может использоваться для блокировки от синхронных качений. Дело в том, что при к.з. внезапное увеличение Угл вызывает появления всплеска сигнала рассогласования, исчезающего по мере отрабатывания по каналу обратной связи данного изменения. При качаниях, в силу медленного изменения как Ум , так и U A , сигнал рассогласования не изменяется на сколько-нибудь большое значения. Появление всплеска сигнала рассогласования используется как сигнал, разрешающий срабатыванию. Следует отметить, однако, неуниверсальность данной блокировки от качаний. Если качания асинхронные, то при углах расхождения эквивалентных э.д.с. асинхронно работающих частей, близких к 180, появление всплеска , разрешающий срабатыванию защиты.
Рассмотрим логическую часть защиты, где определяется ступень срабатывания, задается выдержка времени второй и третьей ступени, вырабатывается выходной сигнал с учетом сигнала от блокировки от качаний. Причем, в качестве такого сигнала может использоваться как сигнал рассогласования измерительного органа, так и сигнал от самостоятельного устройства блокировки от качаний. На рис.3.4 представлена функциональная схема логической части защиты. Три аналоговых сигнала \Гр = { (2 ) от Трех измерительных органов фазных пар (АВ, ВС, СА) поданы на первые входы девяти компараторов (KI-K9). На вторые их входы подключены опорные напряжения от блоков задания уставок по сопротивлению БЗУІ, БЗУІІ, БЗУШ.
Опорные напряжения регулируются от 0 до максимального значения стабилизированного напряжения источника опорного напряжения IOB. Регулирование осуществляется ступенчато, шестью га-летными переключателями. Причем тремя переключателями изменяются опорные напряжения трех ступеней скачками, равными одному вольту. Другими тремя переключателями регулируются последний один вольт первых трех переключателей с точностью до 0,1 в» Полярность опорных напряжений-обратная полярности напряжений Vp на выходах измерительных органов. Превышение по абсолютному значению каким-либо 1ГР значения опорного напряжения любого компаратора приведет к его срабатыванию. К еще трем компараторам (KI0-KI2) (подведены) сигналы от устройств блокировки от качаний, работающих самостоятельно или подключены выходы сумматоров в измерительных органах, где имеются сигналы рассогласования
При срабатывании любого из этих 12 компараторов на его выходе появляется напряжение +5В, соответствующий логической единице. Компараторы первой ступени (KI, К4, К7) подключены к входам логического элемента ИЛИ I, второй ступени (К2, К5, К8) к входам логического элемента ИЛИ 2, третьей ступени к входам ИЛИ 3 (на рис.3.4 элементы ИЛИ обозначены цифрой I). Выходы компараторов KI0-KI2 подключены к входам логического элемента ИЛИ 5. Всплеск сигнала рассогласования в момент к.з. непродолжительный (около 0,01 0,1 сек) и становится равным нулю до появления сигнала на отключения. Такой же характер может иметь соответствующий сигнал от самостоятельного устройства блокировки от качаний. Это обстоятельство требует запоминания кратковременного срабатывания компараторов KI0-KI2 от или другого сигнала в течение времени, достаточного для отклонения повреждения. Для этого применены логические элементы ИЛИ4, И6, И7, И8, ИЛЙ9 и ИЛИЮ. При срабатывании какого-либо компаратора KI-К9 сработает один из логических элементов ИЛИІ, ИЛИ2, ИЛИЗ. Например ИЛИІ. Это приводит к срабатыванию логического элемента ИЛИ4 и, подачей логической единицы на первые входы, подготавливает логические элементы И6 и ИІІ. При появлении сигнала на входах KI0-KI2 сработает логический элемент ИЛИ5. Дальше сработают логические элементы И6, ИЛИ9. Если теперь и исчезнет сигнал на входе компараторов KI0-KI2 и возвратятся элементы ИЛИ5 и Й6 в исходное состояние, элементы ИЛИ9 и ИЮ не отпадают, так как элемент ИЛИ 9 находится как бы на самоудерживании через элемент ИЮ. Элемент ИЛИ9, сработав, запускает со второго входа элемент ИИ, на первом виде - которого уже имеется логическая единица. ИИ в свою очередь через элемент ИЛИІ4 подает сигнал на вход исполнительного органа.
Лабораторные исследования макета защиты
Одним из основных звеньев измерительного органа является электронный ключ. Для его настройки и испытания был собран макет части измерительного органа, содержащий ключ (рис.4.1). Были проверены три варианта его исполнения. Это использование в качестве коммутирующего элемента диодного моста (рис.4.2а), двух биполярных транзисторов разной проводимости (рис.4.26) и одного _ /5"8 Рис. 4-І Схема испытания электронного ключа. Рис. 4-2 Варианты исполнения электронного ключа а)на диодах Д220А, б) на транзисторах КТЗІ2Б(ті),и МПІІ4А(ТІ), Б) на одном транзисторе КТЗІ2Б транзистора (4.2в). Выбор первых двух вариантов был произведен, исходя из таких соображений, что ключ коммутирует разнополярные сигналы, каждой полярности которых нужен транзистор или диод соответствующей проводимости. Примененный в схеме тип диода (Д220А) отличается высокой граничной частотой рабочих сигналов (до 20 МГц), малыми шумами и небольшим прямым падением напряжения. При проведении испытаний из большого количества типов работу, близкую к целесообразной, демонстрировала пара транзисторов типов КТЗІ2Б и МШІ4А. Настройка и испытания проводились постоянными сигналами, которые позволяют легче определить оптимальные значения сопротивлений, создающих наименьшие смещения и большой диапазон переключаемых напряжений. В таблицах П.І и П.2 приведены результаты испытания диодного ключа (ключ открыт при отрицательных Т л ). Как показывают испытания, диодный ключ работает с наименьшими погрешностями при изменениям входных сигналов 1 от 0 до 5В. По мере увеличения входного сигнала ЇЇІ растет относительная погрешность ключа, оцениваемая по формуле гДе ЩЬ1Х - измеренное напряжение на выходе 0УІ (рис.4.1); %ио ожидаемое напряжение на выходе 0УІ, равное входному ITj ; вых.макс.= 10 В - максимальное рабочее напряжение ОУ. Втаблицах П.З и П.4 приведены результаты испытаний транзисторного ключа на транзисторах КТЗІ2Б и МПІІ4А. Как видно из таблиц, данный ключ осуществляет коммутацию постоянных сигналов во всем диапазоне изменений Ui и 1ГЛ . При этом погрешность ключа минимальна и обусловлена смещением нуля ОУ. Изменение напряжения 1ГЛ от 0,01 до 10 В не влияет на его правильную работу.
Были проведены испытания электронного ключа синусоидальными напряжениями T/ї и "Ц"л с различными амплитудами и при изменении угла между ними от 0 до 360. Выяснилось, что при углах, отличных от нуля и 1Гд> 5В, в выходном напряжении имеются высокочастотные сигналы (около 1200 Гц). Они возникают в моменты переключения и носят затухающий характер. В ходе экспериментов был предложен третий вариант - с одним транзистором КТЗІ2Б. Это обосновывалось тем, что коммутируются только напряжения, а ток, протекающий при этом по транзистору, незначительный, и для открытого транзистора его полярность несущественна, В работе был оставлен один транзистор, вследствие чего рабочий диапазон ключа возрос до 10 В и никаких искажений формы коммутированных сигналов не наблюдалось. В п.4.2 приведены осциллограммы испытаний опытного образца дистанционной защиты на электродинамической модели. Осциллограмма VK показывает правильность функционирования электронного ключа на КТЗІ2Б как в нормальных режимах, так и в переходном процессе.
Была изучена способность ключа коммутировать сигналы в переходных режимах, когда в рабочих сигналах присутствуют различные составляющие и сами они меняются. С этой целью на ключ были поданы сигналы частотой от 20 Гц до 20 кГц (частоты коммутируемых и коммутирующих сигналов одинаковы). При изменении параметров сигналов в указанных пределах ключ работает правильно.
Минимальное значение коммутируемого сигнала 0,01 В, что равно амплитуде белого шума на выходе предшествующего ключу операционного усилителя. Клдч также сохраняет коммутационную способность при минимальной амплитуде коммутирующего сигнала(в данном случае 1Гд - напряжения на линии), равном 0,01 В. Такие малые значения напряжения 1ГЛ могут привести к фазовым смещениям в рабо- те ключа. Они связаны с конечной скоростью нарастания напряжения на выходе формирователя коммутирующих сигналов (ОУЧ на рис. 3.3). Эксперименты показали, что фазовое смещение на частоте 50 Гц равно сотням долей градуса и по сравнению с искажениями фазы из-за смещения нуля ОУ не представляет практической опасности.
