Основні теоретичні відомості по напівпровідниковим реле

Найпершими напівпровідниковими реле направлення потужності були прості схеми порівнювання абсолютних значень двох електричних величин, сформованих з вхідних величин реле та згідно з формулами:

(4.8)

а також порівняння за фазами. При цьому використовувались напівпровідникові діоди, та нуль-індикатори різних типів [2, 4, 3]. Їх перевага в тому, що для їх функціонування не потрібно мати джерела живлення стабільної напруги 15 - 30 В постійного струму.

При цьому можливі два варіанти таких схем: з включенням нуль - індикаторів (НІ) на різницю (рівновагу) випрямлених напруг, і на різницю (циркуляцію) випрямлених струмів (рис. 4.4 а, б).

Рис. 4.4. Детекторні ВО направлення потужності (а,б) і форма кривої їх вихідних напруг на границі спрацювання (в)

 

Рис.4.5. Принципова схема кільцевого модулятора (а), криві напруги на його виході при [ ] (б, в)

 

Умовою спрацювання схеми порівняння за абсолютними значеннями є рівність нулю середньої величини напруги (чі струму) в нуль-індикаторі (НІ). При цьому називається робочою напругою, а – тормозною.

Детекторна схема порівняння по фазі, яку ще називають кільцевим модулятором, показана на рис. 4.12. Принцип дії схеми заснований на тому, що вхідна величина або , миттєве значення якої в момент, що розглядається, більше, визначає струм в парі діодів, що мають відповідну полярність.

Наприклад, при позитивному напрямку струм проходить через діоди VD1 та VD2, а друга пара діодів закрита (не пропускає струм), оскільки струм від другої вхідної величини менший, то він проходить по відкритій парі діодів незалежно від полярності, тому що сума струмів від та , не змінює напряму результативного струму, навіть якщо струми мають протилежні знаки і діоди залишаються відкритими. Струм в НІ визначається меншою з вхідних напруг, тобто в нашому випадку Він проходить від проміжного трансформатора напруги TVL2, розгалужується через обидва відкриті діоди VD1 та VD2, по вторинних половинках обмоток TVL1 (зустрічно, тобто не створює потоку в магнітопроводі) і між середніми точками обох трансформаторів через НІ.

При зворотній полярності відкриються діоди VD3 та VD4 i направлення струму через НІ від TVL 2 також зміниться.

Детекторні вимірювальні органи (ВО) направлення потужності використовуються в панелях дистанційного захисту ліній електропередач напругою 35 кВ типів ПЗ-3 і ПЗ-4. В ролі нуль-індикатора використовується магнітоелектричне реле М237/054, потужність спрацьовування його біля 0.2 мкВт (струм спрацювання 6-10 мкА).

Якщо кут між Uр та Iр дорівнює кутові максимальної чутливості, то мінімальна напруга спрацювання не більше 0.6В при номінальному струмі, а струм не більше 0,25 Іном при номінальній напрузі. Це трохи гірше, ніж в індукційних реле направлення потужності.

Застосування транзисторів та операційних підсилювачів (ОП) докорінно змінило оцінку принципів виконання ВО направлення потужності. Напівпровідникові підсилювачів-обмежувачів дозволяють із синусоїдальних напруг отримувати збіжні функції сталої амплітуди. Створення сигналів типу sign(Е) (sign – знак, чі полярність) робить найбільш перспективним використання схем порівняння за фазою, що знайшло застосування в сучасній практиці використання напівпровідникових ВО.

Використання підсилювачів-обмежувачів з великим коефіцієнтом підсилення дозволяє при високій чутливості ВО суттєво зменшити споживання в колах струму і напруги. Як приклад напівпровідникового ВО направлення потужності розглянемо реле типів РМ-11 і РМ-12, які випускаються Чебоксарським електроапаратним заводом (ЧАЕЗ).

 

Рис.4.6. Принципова схема ВО реле типів РМ-11 та РМ-12 (а), діаграми напруг реле (б)

На рис.4.6, а показана фазопорівняльна схема цього реле [5, 8], на яку подаються порівнювальні напруги та , які формуються із вхідних, відповідно, струму і напруги. Схема працює на принципі порівняння часу збігу і незбігу миттєвих напруг та , і є однією із багатьох схем порівнювання по фазі, які легко реалізуються при використанні операційних підсилювачів. Факт збігу за напрямом миттєвих напруг і фіксується по зміні полярності струму в базах транзисторів VT1 і VT2 з високим коефіцієнтом підсилення. При відсутності напруг і , струм через діоди VD1 і VD4 більше ніж негативний струм зміщення від шинки "- 5В", і обидва транзистори відкриті.

При цьому напруга на їх базах – біля 0.65В, а на колекторах – біля нуля. Якщо полярності і , протилежні, то один з кожної пари діодів VD1, VD2 і VD3, VD4 відкритий, і тому полярність струму в базі залишається такою ж, як при відсутності і , і транзистори залишаються відкритими (рис.4.13,б). Якщо полярності збігаються, то при позитивних півхвилях одночасно закриваються діоди VD2 і VD4 (змінюється полярність струмів, які проходять через резистори R3і і R6), а при від'ємних – закриваються діоди VD1 і VD3 (змінюється полярність струмів, які проходять через резистори R1 і R5). В ці інтервали часу струми в базах VT1 і VT2 змінюють полярність і ці транзистори закриваються (криві VT1 і VT2 на рис.4.13,б). Значення миттєвих вхідних напруг, необхідних для закриття діодів, визначає чутливість ВО по струму і напрузі. Чим ті напруги нижчі, тим точніше визначається час збігу знаків миттєвих напруг і . Коли закриваються транзистори VT1 і VT2, починається заряд відповідно конденсатора С1 через резистор R7 і діод VD6 і конденсатора С2 через резистор R8 і діод VD7. При відкриванні транзисторів VT1 і VT2 замикається коло розряду конденсаторів С1 і С2 через резистори R9 і R10 відповідно. Швидкість розряду вибирається рівною близько 0.33 швидкості заряду, що забезпечує повернення напруги конденсаторів до початкових умов, якщо час збігу відповідає кутові між і , рівному 90°,тобто границі спрацювання ВО.

Для обмеження діапазону зміни напруг конденсатор значенням UОБМ “згори” і напругою біля + 10В “знизу” передбачено міст VS. Діоди мосту відкриваються, коли напруга на конденсаторах стане більшою напруги на повзунку змінного резистора R14 і коли ця напруга стане нижчою від напруги +10В. На інверсний вхід операційного підсилювача (ОП) А1 подається напівсума напруг конденсаторів С1 і С2, оскільки опір резисторів R11 і R12 однаковий. На рис.5.3,б показано ці напруги. На межі спрацювання при кутові збігу 90° амплітуда напруги U4 на інверсному вході ОП дорівнює біля 2/3 розмаху зміни напруги. Таким і вибраний поріг спрацювання тригера Шмідта на ОП. Опірна напруга U5с регулюється резистором R15. Позитивний зворотний зв'язок (ЗЗ) (резистор R1З) вибраний з таким розрахунком, щоб напруга повернення U5п була нижчою ніж мінімум напруги U4 межі спрацювання. Якщо в одній із напруг є аперіодична складова, то ВО не спрацює завдяки тому, що половина напруги UОБМ недостатня для перекидання тригера Шмідта, а транзистор закривається, коли напруга U4 вже достатньо зменшиться. Зменшення впливу аперіодичної складової є важливою перевагою складання напруг схем збігу позитивних і негативних полярностей, тому що не дозволяє рахуватися з перехідними процесами у вхідних перетворювачах ВО.

Реле типу РМ-11 мають ту область застосування, що і індукційні реле типу РБМ-171 (РБМ-271), і мають регульовані кути = -30° та = -45°. Реле типу РМ-12 як і реле типу РБМ-177 (РБМ-178, РБМ-277, РБМ-278) мають кут = +70°. Потрібний кут максимальної чутливості, отримується завдяки вхідним фазоповоротним схемам формування напруг та . В реле типу РМ-12 передбачена можливість зміни напруги спрацювання (1,2 В і 3 В). Живлення напівпровідникової схеми і вихідного реле здійснюється від джерела постійної оперативної напруги 110 чи 220В або від додаткового випрямляючого блоку живлення, який включається на струм і напругу, що подаються на реле. В першому випадку використовується дільник напруги і параметричний стабілізатор на стабілітронах.

Стабілізатор включається на оперативну напругу через додаткові резистори, які для зменшення нагрівання розміщені під цоколем реле. В нормальному режимі джерело постійного струму розраховане тільки на живлення напівпровідникової частини захисту.

При спрацюванні реле спеціальний транзистор шунтує один із додаткових резисторів, що забезпечує формування напруги на вхідному виконавчому органі.

При змінному оперативному струмі вхідний струм подається через проміжній трансформатор, а змінна напруга - через додатковий конденсатор, що зменшує активну потужність, яка розсіюється. Стабілізатор напівпровідникової частини захисту такий самий, як і при постійному оперативному струмі і включений на заряджений конденсатор через резистор.

Реле типів РМ-11, РМ-12 мають по два виконавчих органи, причому можливе використання тільки одного з них по вибору: або швидкодіючого реле РПГ-5 з магнітокерованими контактами (з відносно невеликою комутаційною можливістю), або проміжного реле типу РП-13 з досить потужними контактами.

Якщо порівняти параметри реле серії РБМ і відповідні їм реле серії РМ-10,11,12 то можна зробити такі висновки:

- по мінімальній напрузі спрацювання, що визначає мертву зону трьохфазних КЗ, обидва реле майже однакові;

по мінімальному струму, що визначає точну роботу, реле серії РМ-10 мають явну перевагу [0.05 Іном];

- по споживанню колами струму і напруги реле РМ-10 на постійній оперативній напрузі значно кращі, 0,5 ВА по струму і 3 ВА по напрузі, проте при змінному струмі показники обох типів реле практично однакові;

- по об'єму реле РМ-10 в два рази менше ніж реле РБМ.

- Найбільшою перевагою реле РМ-10 є стійка робота при погрішностях трансформаторів струму до 50%.