9.3.1. Основные характеристики цифровых реле

Цифровые реле обладают всеми достоинствами, достигнутыми с помощью электронных реле с аналоговыми принципами обработки ин­формации. Это более близкий к единице коэффициент возврата измери­тельных органов (0,96 - 0,97 вместо 0,80 - 0,85 у электромеханических реле), малое потребление мощности от трансформаторов тока и напря­жения (на уровне 0,1 - 0,5ВА вместо 10-30ВА у электромеханиче­ских реле); при этом электронным реле требуется надежный источник питания. Практически, независимо от числа реализуемых функций, цифровое устройство РЗ потребляет от сети оперативного тока мощ­ность порядка 15 -20Вт,

Собственное время срабатывания измерительных органов цифро­вых реле осталось практически таким же, как у их электромеханических аналогов. Это можно объяснить тем, что для определения интегральных параметров контролируемых токов и напряжений (действующих значе­ний, фазовых сдвигов) требуется некоторое время.

В реальных сигналах всегда наряду с интересуемой гармоникой присутствуют и другие гармоники и периодические составляющие. Вы­деление же из сложного сигнала интересующей гармоники требует некоторого времени.

В общем случае, сказанное не распространяется на цифровые реле, в которых не используется определение интегральных параметров сиг­нала. Например, в дифференциальной токовой защите теоретически можно производить сравнение мгновенных значений токов в ветвях за­щищаемой схемы. В дифференциальных реле приходится сталкиваться с вопросами фильтрации, которая требуется для подавления помех в ра­бочих токах и при формировании блокирующих воздействий, например, при бросках тока намагничивания, если речь идет о дифференциальной РЗ трансформатора. Броски тока намагничивания обычно обнаруживают по факту появления второй гармоники в дифференциальном токе.

9.3.2. Фильтрация сигналов в цифровых реле

Цифровые фильтры имеют ряд преимуществ. Основные из них надежность в работе и стабильность характеристик, недостижимые в аналоговых фильтрах. Однако, также как и аналоговые фильтры, циф­ровые имеют трудности в части точности выделения нужной гармоники из сложенного сигнала и времени, затрачиваемого на фильтрацию.

Качество полосового фильтра характеризуется его частотой про­пускания. Сужение полосы пропускания улучшает помехозащищен­ность реле, так как большинство помех являются импульсными сигна­лами (грозовые разряды, коммутационные перенапряжения и т.д.), а, следовательно, имеют протяженные спектральные характеристики. При этом, чем уже полоса пропускания входного тракта реле, тем меньшая доля энергии помехи будет добавляться к рабочему сигналу. Однако, слишком узкополосный входной тракт цифрового реле приводит к не­приемлемому снижению быстродействия реле. Для повышения быстро­действия РЗ лучше применять фильтры меньшей добротности.

Цифровые принципы обработки сигналов эффективно применяют­ся и для обеспечения правильной работы реле при насыщении измери­тельных ТТ. Очевидно, что вторичный ток насытившегося ТТ сущест­венно отличается от его идеального значения. Однако, известно и то, что даже и случае глубокого насыщения ТТ в отдельные моменты времени трансформация осуществляется правильно,

9.3.3. Защита от перегрузок

Следствием токовой перегрузки установки является чрезмерный нагрев ее активных частей - обмоток, контактных соединений, магнитопровода и т.д. Казалось бы, наиболее простым решением в этом слу­чае будет непосредственный контроль температуры. Однако, системы теплового контроля весьма инерционны из-за необходимости изолиро­вать датчики температуры от токоведущих частей электроустановки. Имеются проблемы и с размещением датчиков, и с передачей сигналов от датчиков к выключателю. Вследствие этого практическое распро­странение получили РЗ на основе косвенного контроля теплового со­стояния электрических машин и аппаратов.

Косвенный контроль температуры проводника путем измерения протекающего по нему тока лежит и в основе теплового расцепителя с биметаллической пластиной, и в основе индукционного реле. Однако, механические устройства нестабильны, сложны в производстве и рабо­тают с большой погрешностью. Существенный прогресс в этом направ­лении был достигнут с переходом на электронную элементную базу по­строения тепловых реле. Впервые в отечественной практике тепловая защита в аналоговом варианте появилась в начале 80-х годов в составе комплектного устройства ЯРЭ2201 (модуль ТО210), Теперь при по­строении РЗ от перегрузок используют микропроцессоры (МП).

Процесс царева проводника протекающим но нему током хорошо изучен и описан в литературе. Тепло, выделяющееся в единичном про­воднике или во всей обмотке, частично отводится в охлаждающую сре­ду, а частично идет на разогрев самого проводника. С достаточной для целей РЗ точностью процесс нагрева может быть описан линейным дифуравнением первого порядка.

Постоянная времени нагрева определяется конструкцией и усло­виями охлаждения. Например, в электрических машинах условия охлаждения существенно зависят от того, вращается или стоит машина. Так, у остановленного электродвигателя, вследствие ухудшения вентиляции, постоянная времени охлаждения обмотки увеличивается в 1,5 - 2 раза.

Ток перегрузки в общем случае изменяется во времени, а началь­ная температура существенно зависит от предыдущего режима. Пра­вильным решением будет отслеживание текущего значения температу­ры обмотки путем непрерывного вычисления интеграла, получаемого из решения дифуравнения первого порядка [5]. Предельная температура, при достижении которой происходит отключение, принимается за 100 %.

Устройство РЗ электродвигателя от перегрузки должно учитывать различные условия пуска. Кроме того, в отключенном состоянии элек­тродвигателя постоянная времени должна автоматически увеличиваться в несколько раз, чтобы учесть ухудшение условий охлаждения обмотки. Па рис. 9.9 приведена функциональная схема защиты от перегрузки.

Рис. 9.9. Функциональная схема зашиты от перегрузок: I — отключение, II — предупредительный сигнал; Ш — запрет повторного пуска

При расчете уставок и параметров настройки защиты на основе моделирования процесса нагрева возникают определенные затруднения, Так как моделирование процесса нагрева по дифференциальному урав­нению первого порядка дает приближенную картину, то, в общем случае, перегрузочная характеристика объекта защиты и времятоковая ха­рактеристика устройства защиты не совпадают.

В рекомендациях по выбору уставок для подобной защиты фирмы АВВ

(реле SРАМ1500) в качестве базисной расчетной точки принима­ется точка, соответствующая времени нахождения двигателя при шес­тикратном токе. При любом подходе защита должна быть настроена так, чтобы ее времятоковая характеристика с некоторым запасом прохо­дила ниже перегрузочной характеристики.

9.3.4. Отстройка токовой отсечки от пусковых режимов

Быстродействующие токовые отсечки электродвигателя (или ли­ний с двигательной нагрузкой) приходится существенно загрублять для того, чтобы отстроиться от пусковых токов. При этом режим пуска за­нимает незначительное время по сравнению с рабочим режимом. Более разумным было бы загрублять защиту на время пуска. Однако, схема выявления режима пуска достаточно сложна, чтобы реализовать ее из отдельных реле, и поэтому этот способ не имел должного распростра­нения. Для цифровых реле это сводится к реализации довольно простых алгоритмов. На рис.9.10 представлено решение, близкое к принятому во многих измерительных модулях цифровых реле фирмы АВВ.

Рис. 9.10. Отстройка отсечки от пусковых токов

В данной схеме токовая отсечка выполнена на измерительных ор­ганах КА1 и КТ1.

Наряду с основным токовым органом КА1 в реле дополнительно имеются еще три реле (КА2-КА4) с током срабатывания, близким к 0,1Iн, 1,5 Iн, 1,25 Iн, Здесь Iн - ток нагрузки защищаемой линии в устано­вившемся режиме. Режим пуска обнаруживается по факту нарастания тока от нулевого значения до значения, соответствующего пусковому режиму. Это фиксируется по последовательному срабатыванию токо­вых органов с уставками 0,1 Iн и 1,5Iн. Если нарастание тока между от­меченными пределами происходит за время не более 60 мс, то элемент времени КТ2 успевает сформировать выходной сигнал до того как он будет заблокирован сигналом от токового органа КАЗ, Выходным сиг­налом элемента времени КТ2 триггер ОВ1 переводится в состояние, обеспечивающее загрубление уставки основного токового органа КА1 в два раза. По окончании режима пуска ток линии снижается, что приво­дит к появлению сигнала высокого уровня на выходе токового органа КА4, имеющего уставку 1,25 Iн. В случае формирования им устойчивого сигнала в течение заданного времени (например, 100 мс), на R-входе триггера DD1 появляется си! нал и триггер возвращается в исходное со­стояние.

В реальных устройствах защиты обычно предоставляется свобода в яыборе данной функции, что достаточно просто сделать, введя в схему программный ключ S.