Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

_____________________________________________________________________

621.318

И 887 № 2489

испытание статических реле, реагирующих на две электрические велИчины

Методические указания к лабораторным работам

для студентов IY–Y курсов ФЭН всех форм обучения

Новосибирск

2003

УДК 621.318.51(076.5)

И 887

Составили: канд. техн. наук, доц. В.А. Давыдов

канд. техн. наук, доц. А.И. Щеглов

Рецензент д-р техн. наук, проф. А.И. Шалин
Работа подготовлена на кафедре
электрических станций

 Новосибирский государственный

технический университет, 2003



Лабораторная работа № 1
Испытание реле направления мощности
типа РМ-11 (РМ-12)

1.1. Цель работы
Изучение принципа действия и конструкции реле РМ-11 и РМ-12, ознакомление с их характеристиками.

2. 
   Устройство и принцип действия реле направления мощности РМ-11 и РМ-12
   

Реле направления мощности серии РМ-11 и РМ-12 выполняются на базе микросхем и предназначены для замены индукционных реле направления мощности типа РБМ, имеющих ряд принципиальных недостатков, таких, как наличие самохода и вибрация контактных систем, низкая механическая устойчивость. Реле РМ-11 имеет два дискретно устанавливаемых угла максимальной чувствительности: –30 и -45, РМ-12 – один угол, равный +70. Реле РМ-11 применяется в направленных токовых защитах от междуфазных КЗ, РМ-12 – в направленных токовых защитах нулевой последовательности.

Принцип действия реле

Реле выполнено по схеме сравнения по фазе двух электрических величин Е_U и Е_I, определяемых подведенными к реле напряжению Uр и току Iр. Работа схемы основана на сравнении времени совпадения по знаку мгновенных значений входных напряжений со временем их несовпадения.

Структурная схема реле РМ-11 и РМ-12 представлена на

рис. 1.1.

Пунктиром обведены элементы, образующие узел сравнения (УС). В нем осуществляется раздельное сравнение фазовых сдвигов между напряжениями Е_U и Е_I, сформированными в узле формирования из поданных на реле напряжения и тока. С помощью фазоповоротных схем обеспечивается такое положение, чтобы сдвиг между Е_U и Е_I равнялся нулю, когда сдвиг между подведенными Uр и Iр достигает угла максимальной чувствительности. Командный управляющий сигнал на выходе реле возникает при условии, если напряжения Е_U и Е_I оказываются сдвинутыми на угол, не более чем ± 90, которым определяется зона срабатывания реле. Это соответствует совпадению знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений Е_U и Е_I в течение одной четверти периода и более.

О


Рис. 1.1. Структурная схема реле направления мощности
РМ-11, РМ-12:

ДН – датчик напряжения; ДТ – датчик тока;  – фазоповоротная схема;

ФИС – формирователь импульсов совпадения мгновенных значений
сравниваемых напряжений (знак плюс относится к положительным
значениям, а знак минус – к отрицательным значениям этих напряжений);
t_сов/t_нс – времясравнивающая цепочка; U₀₁/U₀₂ – ограничитель уровней
напряжения;  – сумматор; А1 – выходной компаратор с положитель-
ной обратной связью; УВ – узел выхода; УП – узел питания

собенностью узла является раздельное сравнение интервалов совпадения и несовпадения мгновенных значений положительного и отрицательного знаков. Такое двойное сравнение предотвращает неправильную работу реле при наличии апериодических составляющих в сравниваемых напряжениях и позволяет уменьшить время срабатывания реле. Если бы сравнение проводилось для мгновенных значений сравниваемых напряжений только одного знака, то могла бы произойти неправильная работа реле из-за одностороннего смещения кривой напряжения при наличии апериодической составляющей. Она может обуславливать расширения интервала совпадения мгновенных значений выбранного знака при одновременном сокращении интервала напряжений другого знака.

Сигналы, полученные при раздельном сравнении, суммируются и подаются на пороговый элемент – выходной компаратор А₁. Если уровень суммарного сигнала превышает порог срабатывания компаратора, на выходе А₁ возникает командный сигнал, вызывающий срабатывание выходного реле с контактным выходом.

Рассмотрим принципиальную схему и временные диаграммы, характеризующие работу узла сравнения. На рис. 2.2 изображена принципиальная схема РМ-11. Пунктиром выделены части схемы: I – узел формирования сравниваемых напряжений, который содержит датчики тока и напряжения и относящиеся к ним фазоповоротные и согласующие звенья; II – изображает узел выхода и узел питания; оставшаяся часть схемы представляет собой узел сравнения. Реле РМ-12 отличается от реле РМ-11 только схемой датчиков тока и напряжения.

К датчику напряжения TV реле РМ-11 с помощью переключателей SB-1 – SB-4 может подключаться одна из двух фазоповоротных схем для получения выбранного угла _мч. В узле формирования напряжения создается постоянный сдвиг по фазе между напряжением Uр, поступающим на реле от трансформатора напряжения, и напряжением Е_U . За счет этого сдвига обеспечивается получение заданной угловой характеристики реле.

Основной нагрузкой датчика тока TA является резистор R₂. Другие подсоединенные к TA элементы – стабилитроны VD₁ и VD₄₂, фазовый корректор, состоящий из R₃, VD₃ и C₂, а также интегрирующая цепочка R₄–C₄ служат для компенсации угловых погрешностей и искажений формы кривой тока во всем диапазоне тока КЗ. На выходе цепи образуется напряжение Е_I, представляющее собой падение напряжения на резисторе R₂, пропорциональное току, проходящему по первичной обмотке датчика.

Сравниваемые напряжения Е_U и Е_I подаются соответственно на входы а-б и в-г узла сравнения.

На входах органа сравнения установлены транзисторы VT₁ и VT₂. При отсутствии сравниваемых напряжений оба транзистора будут открыты, так как на их базу поступает положительный потенциал от источника через открытые диоды VD₅ и VD₆ на VT₁, а через VD₇ и VD₈ на VT₂. Закрытие VT₁ может произойти только при одновременном закрытии VD₅ и VD₆, а это возможно только, когда напряжения Е_U и Е_I будут положительны. Закрытие VD₇ и VD₈, а значит и транзистора VT₂ будет иметь место при одновременных отрицательных значениях Е_U и Е_I. При закрытии транзисторов на их выходах появятся импульсы напряжений U_KVT1
и U_KVT2. Ширина этих импульсов зависит от фазы сравниваемых

Рис. 1.2. Принципиальная схема РМ-11

напряжений Е_U и Е_I. Например, при угле максимальной чувствительности Е_I и Е_U совпадают по фазе, а ширина импульсов равна 180. Поскольку зона срабатывания реле приблизительно равна 180, то она будет располагаться в диапазоне 90 по обе стороны от угла максимальной чувствительности. На ее границе реле находится на грани срабатывания. Для этого случая на рис. 2.3 и изображены временные диаграммы узла сравнения (ширина импульсов совпадения 90).

Рис. 1.3. Временная диаграмма узла сравнения
Выходные сигналы с коллекторов VT₁ и VT₂ проходят на время сравнивающие цепочки. Для VT₁ она состоит из сопротивлений R₁₂, R₁₄, диода VD₁₁ и конденсатора С₆, для VT₂ – R₁₃, R₁₅, VD₁₂ и C₅. Нижние обкладки конденсаторов C₅ и C₆ подключены к шинке +10 В, а верхние – через резисторы R₁₆ и R₁₇ – к инвертирующему входу компаратора A1. При отсутствии импульсов, напряжение на входе компаратора ниже напряжения его срабатывания. На выходе компаратора при этом держится положительное максимальное напряжение, при этом выходной транзистор VT₃ открыт и шунтирует обмотку одного из подключенного к нему выходного реле 1К или 2К.

Во время прохождения импульсов будет происходить поочередный заряд конденсаторов C₅ и C₆, а при их прекращении – разряд (на рис. 2.3 – это зависимости U_C6 и U_C5). Наибольшее напряжение на конденсаторах, при их зарядке, ограничивается величиной U_{огр 2}. Его величина определяется открытием диодов мо-ста VS1, после чего дальнейшее повышение напряжения на конденсаторах прекращается.

Напряжения U_C6 и U_C5 приходят на инвертирующий вход компаратора А1 через резисторы R₁₆ и R₁₇, имеющие равные сопротивления. Поэтому на этом входе установится напряжение
U_вхA1, равное полусумме напряжений на конденсаторах.

Параметры схемы подобраны так, что при угле сдвига 90 между Е_I и Е_U напряжение на входе компаратора U_вхA1 достигает его порога срабатывания U_п,с (на рис 1.3 это происходит к концу прохождения импульса с выхода VT₂). Чтобы не произошло переключения компаратора и открытия VT₃ за время до срабатывания выходного реле, напряжение срабатывания компаратора снижается за счет обратной связи до напряжения порога возврата U_п,в (после его срабатывания закроется диод VD₁₇ и откроется VD₁₈).

Реле РМ-11, РМ-12 имеют возможность использовать одно из двух выходных реле:

• 
  1К – герконовое реле с повышенным быстродействием;
  
• 
  2К – электромеханическое реле с повышенной коммутационной способностью контактов.
  

Переключение осуществляется накладкой, расположенной на клеммах цоколя реле (клеммы 6, 3, 10).

Для выставления заданного значения угла максимальной чувствительности у реле РМ-11 нужно поставить переключатели SB1-SB4, головки которых выведены на лицевую панель реле, в положение, соответствующее выбранному углу.

Аналогично на реле РМ-12 выставляется напряжение срабатывания U_ср.р (1, 2 или 3 В).

Основные характеристики реле

Зону действия реле можно представить в виде сектора ограниченного углами, при которых реле находится на грани срабатывания. Угол максимальной чувствительности определяется возведением перпендикуляра к прямой, характеризующей границы зоны действия реле (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Зона срабатывания РМ

Угловая характеристика РМ-11 или РМ-12, представляющая собой зависимость тока срабатывания от угла сдвига между током и напряжением (при неизменном напряжении) или напряжения от угла сдвига (при неизменном токе срабатывания), близка к аналогичной характеристике индукционных реле направления мощности. Ее общий вид показан на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Угловая характеристика РМ
Вольт-амперная характеристика (рис. 1.6), представляющая зависимость тока срабатывания от напряжения реле при неизменном угле сдвига _м.ч между ними, показывает, что при токе более 1.2 … 1.3I_ср U_ср остается неизменным, и наоборот, при напряжении более 1.2 … 1.3U_ср I_ср = const. Из этого следует, что чувствительность рассматриваемого реле проверяется по двум величинам: U_ср и I_ср.


Рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика РМ

2. Задание на работу

1.3.1. Познакомиться с принципом действия (во время подготовки) и конструкцией реле.

1.3.2. Определить зону действия реле и угол максимальной чувствительности при различных положениях переключателя угла максимальной чувствительности на реле.

1.3.3. Снять и построить угловую характеристику тока срабатывания реле.

1.3.4. Снять и построить вольт-амперную характеристику реле и определить минимальный ток и минимальное напряжение срабатывания реле.

2. 
   Методические указания к выполнению лабораторной работы
   

К пунктам 3.2 – 3.4

Испытание реле производится на установке ЭУ 5001, которая предназначена для наладки и проверки простых и сложных релейных защит и элементов автоматики на месте их установки или в лабораториях.

Установка состоит из блоков:

ФР5000 – блок регулировочный (расположен в середине);

ФМ5000 – блок нагрузочный (расположен снизу);

ФП5000 – блок приставка (расположен сверху).

На лицевой панели стенда выведены клеммы с тыльной части установки, которые задействованы в процессе опыта.

Для выполнения пунктов 1.3.2 и 1.3.3 собирается схема по
рис. 1.7.


Рис. 1.7. Схема испытания реле мощности

Перед началом опыта переключатели всех блоков должны быть переведены в положение, соответствующее табл. 1.1.

Таблица 1.1

Пере-ключа- тель

SA2

SA3

SA4

SA5

SA6

SA7

SA9

SA11

SA12

Поло-жение

HL5

0

5

450

I~

I~

115

H2

100

Пере-ключа- тель

SA13

SA14

SA15

SA16 SA17

SA18

SA19

SA20

SA21

Поло- жение

0

возврат

10

на предел тока 25 А

АВ

5

прямо

0

Пере- ключа- тель

SA25

SA26

A27

SA29

SA30

Поло- жение

внутри

АВ

0

отключено

отключено

Регулирование тока в цепи токовой обмотки реле осуществляется плавно регулятором TV1 блока ФР (в исходном состоянии его рукоятка должна находиться в крайнем левом положении). Измеряется ток амперметром А того же блока, предел шкалы которого определяется первичным номинальным током измерительного трансформатора тока в блоке ФМ (переключателем SA15). Подача тока в цепь осуществляется переключателем SA8 (переводом его в положение «срабат»).

Регулирование напряжения на входе испытуемого реле осуществляется регулятором TV4 в блоке ФП, а измеряется вольтметром V того же блока. Диапазон его шкалы определяется положением переключателя SA24. Для более точного измерения напряжения на входе реле следует использовать цифровой мультиметр, который подключается к клеммам Uр. Значение измеряемой величины не должно быть больше установленного предела измерения мультиметра!

Регулирование угла между током и напряжением осуществляется регулятором , а измерение фазометром ₀ блока ФП. Диапазон шкалы фазометра определяется положением переключателя SA23. При нахождении переключателя в положении « 360 » угол измеряется по средней шкале.

Факт срабатывания реле определяется по загоранию светодиода HL5, расположенного на вольтметре V блока ФП.

Определение зоны действия реле производится в следующей последовательности:

• 
  тумблер SA8 перевести в положение «срабат»;
  
• 
  переключателем SA4 и регулятором TV4 установить номинальное напряжение реле U_ном=110 В (для РМ-11);
  
• 
  переключателем SA9 и регулятором TV1 установить номинальный ток реле I_ном=5 А (для РМ-11);
  
• 
  изменяя угол между током и напряжением с помощью регулятора  блока ФП, определить зону срабатывания реле;
  
• 
  опыт повторить для другого угла максимальной чувствительности, выставленного на реле (для РМ-11).
  

Угловая характеристика снимается в следующей последовательности:

• 
  тумблер SA8 перевести в положение «срабат»;
  
• 
  переключателем SA4 и регулятором TV4 установить напряжения на реле: U_ном;
  
• 
  при различных углах между током и напряжением (регулируемых с помощью регулятора  блока ФП) путем плавного увеличения тока (переключателем SA9 и регулятором TV1) определить минимальный ток срабатывания реле, замеры производятся примерно через 10 … 20;
  

Снятие вольт-амперной характеристики производится в следующей последовательности:

• 
  тумблер SA8 перевести в положение «срабат»;
  
• 
  установить угол между напряжением и током _мч с помощью регулятора  блока ФП при номинальном токе и номинальном напряжении реле (при снижении тока или напряжения стрелка фазометра может колебаться, на эти колебания не обращать внимания);
  
• 
  переключателем SA4 и регулятором TV4 установить напряжения на реле: U_ном, 50 В, 5 В, 0.25 В, для этих напряжений необходимо определить токи, при которых реле находится на грани срабатывания, их регулирование производится регулятором TV1 и переключателем SA9;
  

• 
  переключателем SA9 и регулятором TV1 установить токи на входе реле: I_ном, 0.5I_ном, 0.1I_ном, 0.05I_ном, для этих токов необходимо определить напряжения, при которых реле находится на грани срабатывания, регулирование напряжения производится регулятором TV4 и переключателем SA4.
  

1.5. Контрольные вопросы
1.5.1. Для чего применяется реле направления мощности?

1.5.2. В каких защитах используются реле типа РМ-11?

РМ-12?

1.5.3. Покажите с помощью векторных диаграмм, что для реле РМ –11 углы максимальной чувствительности  _мч = -45, -30, а для реле РМ-12  _мч = 70 являются оптимальными.

1.5.4. При каких значениях I_р и U_р определяется зона действия реле? Поясните, как по результату опыта построить границу действия реле направления мощности?

1.5.5. Объясните работу узла сравнения реле по его временной диаграмме.