Учебное пособие: Методические указания к лабораторным работам для студентов iy-y курсов фэн всех форм обучения Новосибирск

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

ã 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.

1.2. 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 U р и току I р . 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 U р и I р 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.

Сигналы, полученные при раздельном сравнении, суммируются и подаются на пороговый элемент – выходной компаратор А ₁ . 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 j_мч . В узле формирования напряжения создается постоянный сдвиг по фазе между напряжением U р , 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 R ₂ . Другие подсоединенные к TA элементы – стабилитроны VD ₁ и VD ₄₂ , фазовый корректор, состоящий из R ₃ , VD ₃ и C ₂ , а также интегрирующая цепочка R ₄ – C ₄ 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 R ₂ , 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 VT ₁ и VT ₂ . При отсутствии сравниваемых напряжений оба транзистора будут открыты, так как на их базу поступает положительный потенциал от источника через открытые диоды VD ₅ и VD ₆ на VT ₁ , а через VD ₇ и VD ₈ на VT ₂ . Закрытие VT ₁ может произойти только при одновременном закрытии VD ₅ и VD ₆ , а это возможно только, когда напряжения Е _U и Е _I будут положительны. Закрытие VD ₇ и VD ₈ , а значит и транзистора VT ₂ будет иметь место при одновременных отрицательных значениях Е _U и Е _I . При закрытии транзисторов на их выходах появятся импульсы напряжений U_{KVT 1}
и U_{KVT 2} . 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 VT ₁ и VT ₂ проходят на время сравнивающие цепочки. Для VT ₁ она состоит из сопротивлений R ₁₂ , R ₁₄ , диода VD ₁₁ и конденсатора С₆ , для VT ₂ – R ₁₃ , R ₁₅ , VD ₁₂ и C ₅ . Нижние обкладки конденсаторов C ₅ и C ₆ подключены к шинке +10 В, а верхние – через резисторы R ₁₆ и R ₁₇ – к инвертирующему входу компаратора A 1. При отсутствии импульсов, напряжение на входе компаратора ниже напряжения его срабатывания. На выходе компаратора при этом держится положительное максимальное напряжение, при этом выходной транзистор VT ₃ открыт и шунтирует обмотку одного из подключенного к нему выходного реле 1К или 2К .

Во время прохождения импульсов будет происходить поочередный заряд конденсаторов C ₅ и C ₆ , а при их прекращении – разряд (на рис. 2.3 – это зависимости U_{C 6} и U_{C 5} ). Наибольшее напряжение на конденсаторах, при их зарядке, ограничивается величиной U _{огр 2} . Его величина определяется открытием диодов мо-ста VS 1, после чего дальнейшее повышение напряжения на конденсаторах прекращается.

Напряжения U_{C 6} и U_{C 5} приходят на инвертирующий вход компаратора А1 через резисторы R ₁₆ и R ₁₇ , имеющие равные сопротивления. Поэтому на этом входе установится напряжение
U _{вх A 1} , 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 _{вх A 1} достигает его порога срабатывания U _п,с (на рис 1.3 это происходит к концу прохождения импульса с выхода VT ₂ ). Чтобы не произошло переключения компаратора и открытия VT ₃ 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 VD ₁₇ и откроется VD ₁₈ ).

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 j_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

1.3. 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.

1.4. 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

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 U р . Значение измеряемой величины не должно быть больше установленного предела измерения мультиметра!

Регулирование угла между током и напряжением осуществляется регулятором j, а измерение фазометром j₀ 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 j 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 j 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 j_мч с помощью регулятора j 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 j _мч = -45°, -30°, а для реле РМ-12 j _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.