В настоящее время в СССР и за рубежом получила широкое развитие электронная релейная техника и автоматика. Основные преимущества электронных реле по сравнению g другими типами состоят и следующем: меньшая сложность схем реле и большая их надежность; меньшие габаритные размеры и вес; низкий уровень рабочих напряжений и токов в контурах схем реле и комплектных устройств; меньшее потребление мощности; широкий диапазон регулирования уставок срабатывания реле; незначительная инерционность схем, что обеспечивает быстродействие защит.
Электронные реле имеют и отрицательные стороны. Они заключаются в том, что из-за больших отклонений от предельных характеристик отдельных полупроводниковых приборов ввиду их температурной нестабильности приходится применять специальные схемы компенсации, обеспечивающие минимальное влияние этих отклонений на выходные параметры и характеристики реле. Однако преимущества электронных реле преобладают над их недостатками. Электронные реле могут иметь различные принципы работы, но наибольшее распространение получили схемы сравнения электрических величин по уровню и импульсные фазосравнивающие схемы.
Основными узлами реле, работающих по схемам сравнения электрических величин по уровню, являются (рис. 181): схемы выпрямления ДМ1, ДМ2 и сглаживания токов или напряжений Ф1, Ф2, обеспечивающие получение выпрямленных токов и напряжений, пропорциональных таким же переменным контролируемым величинам; схемы регулирования уставок срабатывания реле (на рис, 181 не показаны), которые позволяли бы перестраивать уставки срабатывания реле в зависимости от конкретных условий; чувствительные нуль-органы НО, которые должны с требуемой степенью точности соизмерять величины контролируемых выпрямленных токов или напряжений с опорными величинами, принятыми за основные. Схемы выпрямления в основном однофазные мостовые. Фильтры преимущественно емкостные. Нуль-органы — усилители на транзисторах Т. Уставки срабатывания реле регулируются потенциометрами. К схемам сравнения электрических величии по уровню, получившим наибольшее применение в отечественной и зарубежной технике, относятся две: схема с циркулирующими токами (рис. 181, а) и схема с включением на баланс напряжений (рис. 181, б).
Рис. 181. Схемы сравнения токов (а) и напряжений (б)
В схеме сравнения с циркулирующими токами диодные мосты включают последовательно, а реагирующий орган схемы сравнения НО включают на разность токов; в схеме баланса напряжений диодные мосты включают встречно, а НО — на разность напряжений. На рис. 181, а и б показано направление опорных и измеряемых токов и напряжений.
НО на стабилизированном опорном напряжении (рис. 182), применяемый в схемах сравнения электрических величин по уровню, состоит из транзисторов ΤΙ, Т2 и Т3. Транзисторы Т2 и Т3 следует рассматривать как один, так как база Б3 соединена с эмиттером Т2. К Т1 приложено два напряжения — прямое и обратное от контролируемой электрической цепи. В исходном состоянии Т1 может быть открыт или закрыт. Это зависит от типа и выполняемой роли реле, в которое он включен. НО действует следующим образом. На зажимах 5 и 6 подается напряжение Ек от источника постоянного тока. Стабилитрон Cm между точками 3 и 4 устанавливает стабилизированное напряжение, которое называется опорным Uоп для схемы сравнения. При отсутствии входного сигнала или открыт, в результате чего протекают токи базы и коллектора. При протекании тока через Т1 образуются падения напряжения на элементах цепи.
Рис. 183. Диодно-транзисторные логические элементы И ИЕ-1К (а), И-НЕ-2К
(б), И-У-2К (о)
Точка К1, соединенная через диоды Д1 с базой Б2 транзистора Т2, будет иметь положительный потенциал по отношению к эмиттеру Т3. Транзисторы Т2 и Т3 закрыты и на выходе будет сигнал отрицательной полярности. Если на вход НО (на зажим 1) подать сигнал положительной полярности, то Т1 закроется, Т2 и Т3 откроются и на выходе будет сигнал положительной полярности. НО имеет положительную обратную связь (коллектор КЗ соединен через резистор с базой Т1), которая при открытии Т3 обеспечивает надежное закрытие Т1. Диод Д2 предназначен обеспечить наименьшее значение положительного потенциала на эмиттере Т2 по отношению к базе Б2 при его закрытом состоянии и исключить самопроизвольное открытие Т2. При отсутствии диода Д2 к эмиттеру Т2 было бы приложено + Е.., которое значительно больше падения напряжения UД2 на диоде Д2, и Т2 мог бы открыться. Диоды ДЗ защищают стабилитрон Cm в случае подачи напряжения Ек противоположной полярности.
Для усиления и изменения полярности выходного сигнала с НО или реле, посылаемого в последующие цепи, применяют диодно-транзисторные логические элементы И-НЕ-1К, И-НЕ-2К и И-У-2К (рис.183), обозначения зажимов у которых соответствуют типовым. Каждый элемент имеет по четыре входа и по два выхода. Количество входов и выходов используют в зависимости от потребностей схемы защиты. На выходе И-ΗΕ-ΪΚ и И-НЕ-2К инверсные сигналы, а на выходах И-У-2К — прямые сигналы. Входной ток управления каждого элемента 3 мА, ток нагрузки 12 мА у И-НЕ-1К и 120 мА у И-НЕ-2К и И-У-2К. Рассмотрим работу элементов по входам с диодами Д1 и Д2.
Когда на оба входа поступают сигналы отрицательной полярности (- И), открываются Т1 в И-НЕ-1К и И-У-2К и 77 и 72 в И-НЕ-2К; с выходов И-НЕ-1К и И-НЕ-2К (рис. 183, а и б) сигналы положительной полярности поступают в последующие цепи; такой же сигнал с коллектора К1 И-У-2К (рис. ,183, в) поступает на базу Б2, закрывает Т2, с выходов которого посылается сигнал отрицательной полярности. Конденсаторы С1 и С2 защищают логические элементы от помех, повышая надежность работы электронных защит.
Импульсные фазосравнивающие схемы работают по принципу сравнения фаз двух синусоидальных величин — тока и напряжения. Такое сравнение фаз дает возможность отличить ненормальный режим от нормального режима работы, так как для каждого из них характерен фазовый сдвиг напряжений и токов. Существуют различные способы и схемы сравнения фаз контролируемых величин. Для защиты фидеров железнодорожного электроснабжения используют времяимпульсный метод сравнения фаз, разработанный ВНИИЖТом (рис. 184). Одна из синусоидальных величин — ток (рис. 184, а) преобразуется в кратковременные импульсы, совпадающие с моментом ее перехода через нуль в область отрицательных значений. Другая синусоидальная величина — напряжение U преобразуется в прямоугольные импульсы, ширина которых в угловом измерении φγ.ср соответствует зоне срабатывания реле. Для отстройки от максимально возможного фазового сдвига φр.мах между напряжением и током, соответствующего рабочему режиму, импульс напряжения сдвинут относительно момента перехода синусоиды тока через нулевое значение на угол φу.мин. Правильная работа реле обеспечивается, когда φУ. min = фр. max. С выхода схемы И поступит сигнал длительностью на исполнительный орган ИО в том случае, если импульсы тока и напряжения одинаковой полярности совпадают в пределах φу. ср (см. рис. 184, а и б). Сигнал с выхода схемы И не поступит на ИО, когда импульсы тока за пределами φу.ср (рис.184, в) и когда их полярность противоположна полярности импульсов напряжения (рис. 184, г).
Работа формирователя кратковременных импульсов из синусоидального напряжения или тока (рис. 185, а) показана на временной диаграмме рис. 185, б.
Рис. 184. Времяимпульсный метод сравнения фаз (а, в, г) и его характеристика (б)
Рис. 185. Формирователь кратковременных импульсов (с) и диаграмма его работы (б)
Схема и диаграмма рассматриваются совместно. При положительной полуволне синусоиды на базе Б1 транзистор Т1 закрыт, на коллекторе К1 отрицательный потенциал, конденсатор С заряжается по цепи: +Е, Т2, С, RK1, —Ек. Время заряда конденсатора. После заряда конденсатора остается открытым Т2, так как на базу Б2 поступает отрицательный потенциал —Ек. На коллекторе К2 и на выходе — сигнал положительной полярности. При переходе синусоиды через нуль в область отрицательных значений открывается Т1, положительный потенциал на его коллекторе К1 вызывает разряд конденсатора С по цепи. На базу Б2 поступает положительный потенциал, который закрывает Т2. На выходе образуется кратковременный импульс, длительность которого регулируется величинами.
Согласующими элементами электронных защит являются промежуточные трансформаторы тока ПТТ и напряжения ПТН (рис. 186).
Рис. 186. Промежуточные трансформаторы тока (а) и напряжения (б)
Рис. 187. Схема выходного органа «Откл» с трансформаторной связью (а) и герконом (б)
ПТТ и ПТН предназначены согласовывать большие входные токи и напряжения вторичных обмоток ТТ и ТН с малыми токами и напряжениями пусковых органов зашит, выполненных на полупроводниковых приборах. Коэффициенты трансформации ПТТ и ПТН соответственно: Кптт = 5/0,1 = 50, К1ПИ —-100/4 = 25. При отсутствии ПТТ и ПТН пусковые органы защит неизбежно бы повреждались. Вторичная обмотка ПТТ нагружена на цепочку последовательно соединенных потенциометров (рис. 186, а), которые обеспечивают плавную и точную регулировку тока уставки срабатывания реле снятием напряжения с резистора R. Значение ΔUr, пропорциональное входному току ί2, известно из паспорта реле. К вторичной обмотке ПТН (рис. 186, б) параллельно подключены потенциометры R, с которых снимаются напряжения, равные входным напряжениям срабатывания реле для ненормальных режимов работы контролируемых цепей.
Выходные органы электронных защит должны обеспечить достаточный импульс тока катушке отключения КО выключателя (pис. 187, а). Основным элементом выходного органа является управляемый вентиль УВ — тиристор, который чувствителен к воздействию помех. Для исключения ложной работы тиристоров от помех создано несколько вариантов выходных органов с различной степенью сложности и надежности. Их основное различие состоит в гальванической развязке между оконечными элементами логической части защиты, откуда проникают помехи, и тиристорами. В схеме рис. 187, а гальваническая развязка между оконечным транзистором Т логической части защиты и тиристорами УВ1 и УВ2 выполнена импульсным трансформатором Тр. Нормально Т заперт, конденсаторы С2 и С3 заряжены напряжением Е, тиристоры УВ1 и УВ2 заперты вследствие отсутствия отпирающих напряжений на управляющих электродах. При срабатывании защиты с ее логической части поступает сигнал отрицательной полярности па базу транзистора Т. Последний открывается, вызывая разряд конденсатора С2 на первичную обмотку Тр. На вторичных обмотках Тр возникают импульсы положительной полярности, которые открывают тиристоры. Через КО протекает ток от + Uп к—Uв. После отключения выключателя размыкаются блок-контакты В, с тиристоров снимается напряжение питания Un и они прекращают работу. Конденсаторы Cl, C3, С4 и С5 защищают тиристоры от кратковременных помех, которые могут поступать через паразитные емкости между обмотками трансформатора, а П-образный фильтр C6-L-C7 защищает от помех, возникающих в цепях оперативного питания Un.
Выходной орган, в котором гальваническая развязка выполнена герконом Р вместо трансформатора (рис. 187, б), обладает более высокой помехоустойчивостью. На входе выходного органа два транзистора: Т1 управляется датчиком тока, Т2 — выходным усилителем ВУ логической части защиты (Т1 предназначен блокировать работу выходного органа при токах защищаемого объекта, величины которых меньше уставки срабатывания датчика тока). Когда на базы обоих транзисторов одновременно поступают сигналы отрицательной полярности, Т1 и Т2 открываются, протекает ток через обмотку геркона Р: +ЕК, Т2, ΤΙ, Р, —UK. Замыкаются контакты Р, подается отпирающее напряжение от +ЕП на управляющий электрод УВ через Ст2, Rl, Р, R3. У В отпирается, через КО протекает ток· Стабилитроны Ст1 и Ст2 ограничивают напряжение на контактах геркона. Защита УВ от помех осуществляется цепочкой R4, С2 со стороны входа и П-образным фильтром C3-L-C4 со стороны оперативного питания.
Кроме рассмотренных, применяют и другие выходные органы, например с оптронной парой.
