ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ЭЛЕМЕНТНЫЕ БАЗЫ

Лекция 11

Полупроводниковая элементная база. Общие сведения. Она условно может быть разделена на неинтегральную и интегральную. Неинтегральная база состоит из отдельных типовых полупроводниковых элементов (диодов, транзисторов и др.), резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Такое исполнение снижает надежность ее функционирования, поэтому такие устройства защиты сейчас не находят широкого применения. Неинтегральная полупроводниковая элементная база позволяет улучшить ряд параметров электромеханических реле, в том числе реле тока РТ-40 и реле напряжения РН-50. По сравнению с ними полупроводниковые реле имеют следующие преимущества:

а) более высокое быстродействие;

б) значительно меньшую потребляемую мощность;

в) удобство в эксплуатации;

г) более высокий коэффициент возврата;

д) значительно меньшие погрешности при срабатывании.

Распространение получили реле тока для защит МТЗ-М (максимальная токовая защита с магнитным ТТ) и ТЗК-1 с магнитными трансформаторами тока. Реле РТЗ-50 используются в защитах от замыкания на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью. Кроме того, нашли применение реле направления мощности и реле сопротивления. На вход реле сопротивления подводится комплекс напряжения и комплекс тока , характеристической величиной является комплекс сопротивления . Как правило, применяют минимальное реле сопротивления, срабатывающее при снижении значения до заданного сопротивления срабатывания .

Полупроводниковая интегральная элементная база (полупроводниковые интегральные микросхемы) является более совершенной и представляет собой сложное полупроводниковое устройство, состоящее из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов, расположенных в небольшом объеме полупроводникового материала или на его поверхности путем выращивания кристаллов и напыления пленок. Использование полупроводниковых интегральных микросхем в устройствах РЗиА позволяет резко сократить число внешних проводников, упростить монтажную схему, повысить их быстродействие, уменьшить массу и габариты, значительно сократить потребление мощности, а отсутствие движущихся частей и контактов позволяют выполнить релейную защиту с более высокой надежностью по сравнению с электромеханическими системами. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые и цифровые. К аналоговым относят операционные усилители (ОУ), преобразующие непрерывные сигналы. Они имеют широкие возможности для использования в измерительных органах. На основе цифровых микросхем выполняют логическую часть устройств релейной защиты и автоматики. Они преобразуют и обрабатывают дискретные сигналы, выраженные в двоичном или другом цифровом коде.

В устройствах релейной защиты и автоматики применяются в основном полупроводниковые интегральные микросхемы со средней степенью интеграции: триггеры, регистры, сумматоры, операционные усилители и др. Они содержат от 10 до 100 различных элементов в одном корпусе. Из-за небольшой степени интеграции операционных усилителей и логических интегральных микросхем такие устройства релейной защиты и автоматики тоже содержат достаточно большое количество различных узлов и блоков.

Среди измерительных реле на основе аналоговых интегральных микросхем с одной воздействующей электрической величиной используются следующие:

реле с независимыми выдержками времени: реле тока РСТ-14 (реле максимального тока статическое), реле напряжения РСН-14 – РСН-17;

реле с зависимыми выдержками времени, устанавливаемые в блоки токовой защиты на автоматических выключателях ВА-50 (выключатель автоматический).

Среди измерительных реле на основе аналоговых интегральных микросхем с двумя воздействующими электрическими величинами применяются следующие:

реле направления мощности РМ-11 (реле мощности);

реле сопротивления (блок реле сопротивления) для комплектного устройства ЯРЭ-2201 (ящик полупроводниковых устройств для энергетических объектов), БРЭ-2801 (блок полупроводниковый для энергетических объектов);

дифференциальные реле тока с торможением, предназначенном для защиты понижающих трансформаторов;

реле сдвига фаз серии РСФ-11 (реле сдвига фаз), применяемое в схемах АПВ ЛЭП с двусторонним питанием.

Основные элементы. Полупроводниковые диоды, транзисторы, операционные усилители постоянного и переменного тока (курс ФОЭ, повторить принцип действия и схемы соединения).

Активные измерительные трансформаторы. Информацию о состоянии управляемого объекта устройства РЗиА получают от пассивных измерительных трансформаторов тока и напряжения. Если защита выполнена электромеханическими измерительными реле, то они непосредственно подключаются к этим трансформаторам, как было представлено ранее. Для микропроцессорных защит требуется предварительное преобразование сигналов, поступающих с трансформаторов тока и напряжения. В частности это вызвано требованием снижения погрешности преобразования, которые значительны у первичных измерительных трансформаторов тока и напряжения вследствие наличия МДС намагничивания магнитопровода Fнам, создающей неравенство МДС первичной и вторичной обмоток

В качестве промежуточных преобразователей применяют вторичные активные измерительные трансформаторы тока и напряжения, построенные на интегральных операционных усилителях. За счет общей сильной отрицательной обратной магнитной связи происходит почти полная компенсация МДС намагничивания Fнам. В результате этого их погрешности не превышают 1% от погрешностей пассивных измерительных трансформаторов. Схемы активных измерительных трансформаторов показаны на рис. 1. Они содержат операционные усилители А1 (интегральный операционный инвертирующий усилитель А с параллельной отрицательной обратной связью Кос) и входные трехобмоточные трансформаторы тока ТLА. Одна из вторичных обмоток ТLА является обмоткой обратной связи, по которой протекает ток . Для трансформатора тока он равен выходному току (см. рис. 1.а).

Рис.1. Схемы активных измерительных трансформаторов:

а активный трансформатор тока;

б – активный трансформатор напряжения

Примем, что , тогда МДС намагничивания трансформатора TLA

где входной ток усилителя А1; МДС намагничивания пассивного трансформатора тока. При этом .

В основу активного трансформатора напряжения положена схема активного трансформатора тока (рис. 1. б). Для преобразования напряжения u1 в ток i1, первичной обмотки TLA включен резистор RБ. Ток обратной связи iос определяется напряжением u2 и резистором Rо.с.м.

Активные частотные фильтры. В общем случае при коротких замыканиях в токах и напряжениях контролируемого объекта вместе с составляющими промышленной частоты содержатся гармонические и апериодические составляющие. Они могут приводить к неправильному действию измерительных органов. Для исключения этого в устройства релейной защиты входят активные частотные фильтры. Используют фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ) и полосовые фильтры.

Рассмотрим фильтр нижних частот, который показан на рис. 2.а. Его амплитудно-частотная характеристика показана на рис.2.б., на ней выделено три полосы частот: а полоса пропускания, ее границы определяются частотами f0 и fс (частота среза), при которой выходные напряжения фильтра ; в полоса подавления, ее началу соответствует частота f1 при которой ; б промежуточная полоса частот, у идеального фильтра она отсутствует (fс =f1). Фильтр содержит инвертирующий операционный усилитель А и резисторно-конденсаторные RC-цепочки. Одна из них используется во входных цепях ОУ, а другая в двухконтурной параллельной отрицательной обратной связи. Сопротивление Хс конденсаторов зависит от частоты входного напряжения Uвх. Если эта частота равна нулю или меньше полосы пропускания fс, то сопротивление конденсаторов значительно превышает сопротивление резисторов R1, R2, R3, коэффициент усиления фильтра максимален и практически равен коэффициенту усиления инвертирующего усилителя, т. е. При частоте f >f1 (полоса подавления) сопротивление конденсаторов резко снижается, что сопровождается снижением коэффициента усиления и резким уменьшением Uвых.

Рис.2. Активный фильтр нижних частот:

а схема соединения;

б – амплитудно-частотная характеристика

Активные фильтры симметричных составляющих. В устройствах релейной защиты и автоматики, выполненных на интегральных микросхемах и реагирующих на симметричные составляющие, целесообразно использовать активные фильтры, содержащие операционные усилители. По сравнению с пассивными фильтрами они имеют меньшие габариты и меньшую потребляемую мощность. Существуют различные схемы активных фильтров симметричных составляющих тока и напряжения.

Активный двухполупериодный выпрямитель на операционных усилителях. Он широко используется при построении измерительных органов на основе интегральных микросхем. Его преимущества перед обычными (пассивными) диодными выпрямителями значительно меньшие погрешности выпрямления, и в связи с этим возможность снизить значение нижнего уровня выпрямляемого напряжения.

Также находит применение активные фазоповоротные элементы напряжения.

Триггеры. Триггер - это цифровое устройство, которое может находиться неограниченно долго в одном из двух состояний устойчивого равновесия и скачкообразно переключаться из одного состояния в другое под воздействием внешнего сигнала. Триггеры нашли широкое применение в устройствах релейной защиты, автоматики, телемеханики и вычислительной технике как запоминающие устройства.

Цифровые интегральные микросхемы (элементы микроЭВМ и логической части устройств РЗиА). Логическая часть преобразует дискретные сигналы, полученные от измерительной части, в дискретные сигналы, которые воздействуют на исполнительные элементы устройства. Основой логической части является интегральная цифровая микросхема дискретного действия. Она содержит комбинационные логические (базовые элементы) ИЛИ-НЕ (DWU) или И-НЕ (DXY), формируемые из элементарных логических элементов ИЛИ (DW), И (DX), НЕ (DU) и позволяет реализовать любую логическую операцию. Логические функциональные узлы не содержат элементов памяти (триггеров) и построены на таких логических элементах, как шифраторы, дешифраторы, сумматоры, мультиплексоры, элементы задержки, цифровые фильтры симметричных составляющих и др. Шифратор преобразует десятичные числа в двоичный код, а дешифратор выполняет обратное преобразование двоичного кода в десятичный. Мультиплексор представляет собой коммутатор управляемый кодом. Элемент задержки обеспечивает запаздывание в срабатывании, которое, как правило, создается RC-цепью. Цифровые фильтры симметричных составляющих отличаются от пассивных тем, что преобразование мгновенных значений напряжений в цифровые дискретные мгновенные значения осуществляется с помощью аналогово-цифрового преобразователя и мультиплексора.

Микропроцессорная элементная база. Перспективным направлением в теории и практике релейной защиты стало использование цифровых микроЭВМ и разработка на их основе программных защит. Возможность создания таких защит объясняется тем, что релейную защиту можно представить как систему арифметико-логического преобразования информации, содержащейся в воздействующих величинах, а сам процесс преобразования описать аналитическими выражениями, являющимися алгоритмом функционирования защиты. Программную защиту называют также микропроцессорной релейной защитой, т.к. в микроЭВМ арифметико-логическое преобразование выполняет микропроцессор. Также широко используется такое понятие как терминал (интеллектуальный терминал), который является элементов защиты.

Основные элементы. Основным элементом является микропроцессор, который преобразует информацию о воздействующих величинах, представленную в цифровом виде, например, в виде двоичного кода. Поскольку воздействующими величинами являются синусоидальные напряжения и ток, то они предварительно должны быть преобразованы с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Для исполнительных органов защиты необходимы аналоговые сигналы, поэтому внешние элементы защиты содержат цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Устройства АЦП и ЦАП используются как в качестве самостоятельных функциональных частей, так и совместно с микропроцессорами и микроЭВМ. Существует более сотни типов интегральных микросхем АЦП и ЦАП преобразователей, которые отличаются по назначению, функциональным возможностям, конструктивным, эксплуатационным и электрическим характеристикам. Микропроцессор это программно-управляемое универсальное цифровое микроэлектронное устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций с поступающей на его вход информацией в соответствии с заданной программой. Микропроцессор выполняется на основе разного рода триггеров, резисторов, логических элементов И (DХ), ИЛИ (DW), НЕ (DU).

На основе микропроцессорной элементной базы созданы комплектные устройства, содержащие набор блоков, выполняющих все необходимые функции защиты, автоматики и управления одного из элементов системы электроснабжения. Предприятие «АББ РелеЧебоксары» выпускает множество терминалов серии SPACOM. Например, терминал SРАС802-01, предназначенное для защиты и автоматики асинхронного электродвигателя напряжением 6-10 кВ. Интеллектуальные автоматическые устройства SРАС800, SPAC810 выполняют функции местного или дистанционного управления, релейной защиты, измерения, сигнализации, автоматики, регистрации, осциллографирования, диагностики выключателя, а также необходимые блокировки различных присоединений комплектных распределительных устройств 6-35 кВ. Терминалы типа SРА100 и SРА300 используются в качестве защит энергообъектов (КЛ, ВЛ, ТР малой и средней мощности, АД и СД малой средней и большой мощности, БК, реакторов) 0,4 кВ и выше.

Научно-производственная фирма (НПФ) «Радиус» НИИ «Зенит» (г. Зеленоград) для собственных нужд электростанций и распределительных сетей 3-35 кВ разработаны комплексные цифровые автоматические устройства на микропроцессорной элементной базе типов Сириус, Сириус-М (С, Л, В, МЛ, Д, АЧР) и Орион-М. Научно-техническим центром (НТЦ) «Механотроника» (Санкт-Петербург) выпускаются устройства БМР304. К основным достоинствам таких устройств относятся: многофункциональность; местное и дистанционное управление; высокая надежность, обеспечиваемая системой самоконтроля; малое потребление по цепям тока и оперативного питания; регистрация параметров аварийных событий; прием сигналов от внешних защит и последующее действие на отключение или сигнал; цифровой дисплей на отображение параметров (особенности защит см. журналы).

Схемы сравнения. Полупроводниковые и микропроцессорные измерительные реле, как и электромеханические, осуществляют сравнение воздействующих величин по их абсолютному значению и по фазе. Эти функции выполняют специальные элементы схемы сравнения преобразующие непрерывные величины на входе в дискретную или непрерывную величину на выходе. В первом случае говорят о схемах сравнения релейного действия, а во втором о схемах сравнения непрерывного действия. Исполнительной частью схемы сравнения является нуль-орган. Под схемой сравнения часто понимают и сравнивающую и исполнительную части реле. Для выполнения схемы сравнения используют диоды, триоды, триггеры, выпрямители, поляризованные и магнитоэлектрические реле, а также транзисторные и операционные усилители. В зависимости от используемых элементов схемы сравнения делят на аналоговые пассивные и аналоговые активные. Наряду с аналоговыми в устройствах релейной защиты и автоматики применяются цифровые и дискретные схемы сравнения. В цифровых схемах аналоговая величина, например синусоидальное напряжение, предварительно преобразуется с помощью АЦП в импульсы, число которых определяется амплитудой напряжения и сравнивается с заданным. В дискретных схемах сравнения синусоидальные величины предварительно преобразуются в потенциальные сигналы.

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ЭЛЕМЕНТНЫЕ БАЗЫ