Реле сопротивления в комплекте КРС-1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (ФГБОУ ВПО УГНТУ)

Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате

Кафедра «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий»

СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой ЭАПП, профессор Зам. директора по учебной работе, доцент

_______________М.Г. Баширов ______________________Н.Г. Евдокимова

_______________2015 __________________2015

Методические указания к лабораторной работе

ИСПЫТАНИЕ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Дисциплина «Электрические и электронные аппараты»

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛИ

Инженер по охране труда профессор кафедры ЭАПП

___________ Г.В. Мангуткина ___________Р.Г. Вильданов

____________2015 ____________2015

Салават 2015

Методические указания предназначены для студентов направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

Обсуждено на заседании кафедры ЭАПП

Протокол № ______ от ___________________2015

ã Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате, 2015

ã Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате, 2013

ИСПЫТАНИЕ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Цель работы: Изучить принцип действия реле сопротивления и особенности его настройки, определить его основные параметры и характеристики.

Теоретические сведения

Общие сведения

Реле сопротивления (РС) применяются в качестве измерительных органов устройств релейной защиты автоматики (РЗА), в частности, – дистанционной защиты (ДЗ).

Обычно на РС подается линейное напряжение. Например, U_АВ и I_А–I_В. РС реагирует на величину сопротивления на зажимах реле Z_Р, равную отношению напряжения реле U_Р к току реле I_Р. Например, для РС, включенного на АВ:

Z_Р = Z_АВ = U_АВ/(I_А – I_В). (1)

РС выполняются минимальными, то есть, срабатывают при уменьшении величины Z_Р ниже уставки реле.

Для обеспечения селективности защит в сложных сетях с несколькими источниками питания РС выполняются направленными: РС реагирует не только на величину Z_Р, но еще и на угол между U_Р и I_Р.

Для анализа работы РС обычно используются характеристики РС в комплексной плоскости сопротивлений (рисунок 1). На комплексной плоскости сопротивлений каждая точка характеризует определенный вектор Z с составляющими X и R. Обычно сопротивление при КЗ на защищаемой линии имеет угол φ_к = (60..90)°. При КЗ угол сопротивления изменяется на 180°. Сопротивление нагрузки обычно имеет угол φ_н = (0..30)° при направлении мощности от шин в линию и угол на 180° вывернутый при направлении мощности из линии к шинам.

В сложных схемах электроснабжения в зависимости от режимов работы и вида короткого замыкания чувствительность простых токовых защит может оказаться недостаточной. Кроме того, в ряде случаев, к защитам могут предъявляться повышенные требования по быстродействию и селективности. В этих случаях широкое применение получили дистанционные защиты. К основным достоинствам дистанционных защит относятся:

- независимость от режимов работы системы электроснабжения;

- малое время отключения короткого замыкания, зависящее от расстояния до места повреждения и ряд других факторов.

Дистанционные защиты реагируют на отношение величины напряжения к величине тока в месте установки реле. Эта величина называется сопротивлением, подведенным к зажимам реле. Поэтому, основным пусковым органом дистанционных защит является реле сопротивления.

В данной лабораторной работе исследуется модель реле сопротивления типа КРС-1, входящего в комплекс панели ЭГО-1636. Функционально, модель состоит из трех однофазных реле сопротивления KZ1, KZ2 и KZ3. На вход каждого реле подается ток и напряжение от измерительных трансформаторов тока и напряжения. Поскольку, типовая схема включения реле сопротивления предполагает включение на линейное напряжение и разность фазных токов, реле имеет две токовые обмотки I1 и 12. Магнитный поток, создаваемый данными обмотками равен разности магнитных потоков, создаваемых каждой из обмоток в отдельности. Реле срабатывает, если величина комплексного сопротивления, подведенного к зажимам реле меньше уставки срабатывания реле.

К основным уставкам реле относятся:

Z_{уст.мин} - минимальная уставка сопротивления, Ом/фазу. Принимает одно из двух значений: 1 Ом или 1,5 Ом;

N% - процентное отношение минимальной уставки срабатывания реле сопротивления Z_ycтmin к расчетной уставке Z_уст. Определяется установкой положения двух органов управления: грубой регулировки: 1%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%; плавной регулировки: 0..10%. Результирующее значение N% определяется суммированием значений всех трех органов управления;

ε – коэффициент сжатия круговой характеристики срабатывания реле. Коэффициент предназначен для получения эллиптической характеристики. Принимает значения: 0,5; 0,65; 0,8; 1;

Смещение – смещение характеристики срабатывания в третий квадрант. Принимает одно из двух возможных значений: есть или нет. При наличии смещения, характеристика срабатывания реле смещается в третий квадрант на 10% от заданного сопротивления срабатывания реле;

Ф_мч – угол максимальной чувствительности реле. Принимает одно из двух возможных значений: 65° или 80°;

Характеристика срабатывания реле сопротивления имеет вид:

Рисунок 1 – Характеристика срабатывания реле сопротивления

Считается, что вектор тока совпадает по направлению с действительной осью комплексной плоскости, а вектор напряжения опережает ток на некоторый угол Ф_Р (активно-индуктивная нагрузка). В этом случае, вектор полного комплексного сопротивления Z_P совпадает по фазе с напряжением U_P, а его величина определяется выражением U_P/I_P, где ток и напряжение могут быть амплитудными или действующими значениями.

Характеристика срабатывания реле Z_CP имеет вид эллипса (рисунок 1). Реле срабатывает, если вектор комплексного сопротивления, подведенного к зажимам реле находится внутри заштрихованной части эллипса. Т.е. условие срабатывания реле в комплексной форме имеет вид:

Zp Z_CP. (2)

Указанные выше уставки реле позволяют изменять размер эллипса, степень его сжатия, угол его наклона.

Основными характеристиками реле сопротивления являются:

Z_CP= f (ф_Р). (3)

Представляющая зависимость величины сопротивления при котором происходит срабатывание реле от величины угла между током и напряжением, подведенными к обмоткам реле. Зависимость снимается при номинальном токе, а величина сопротивления определяется по величине напряжения, подведенного к обмотке реле.

Z_CP=f(I_P). (4)

Представляющая зависимость величины сопротивления при котором происходит срабатывание реле от величины тока, подведенного к обмоткам реле. Зависимость снимается при угле между током и напряжением, равным углу максимальной чувствительности, а величина сопротивления определяется по величинам напряжения и тока, подведенных к обмоткам реле.

Реле сопротивления в комплекте КРС-1

Комплект реле сопротивления типа КРС-1 состоит из трех направленных РС, предназначенных для применения в качестве дистанционных органов различных устройств релейной защиты (РЗ).

Каждое РС предназначено для включения на линейное напряжение и на разность фазных токов и реагирует на сопротивление на его зажимах.

Для выполнения РС в КРС-1 применяется принцип сравнения абсолютных значений величин, сформированных из напряжения реле U_Р и тока реле I_Р.

В качестве рабочего и тормозного напряжений используются следующие величины:

U_РАБ = К_I·I_Р, (5)

U_ТОРМ = К_U·U_Р-К_I·I_Р, (6)

где К_I и К_U – коэффициенты пропорциональности.

При этом условие срабатывания реле:

|Z_Р–R| < |R|, (7)

то есть, данное реле является направленным РС с характеристикой в виде окружности, проходящей через начало координат (рисунок 1).

Рисунок 2 – Направленное реле сопротивления с круговой характеристикой

Сопротивление срабатывания РС при угле максимальной чувствительности:

Z_СР = 2·R = 2·К_I/К_U, (8)

может регулироваться в цепях тока и в цепях напряжения (изменением коэффициентов К_I и К_U, соответственно). При этом сопротивление срабатывания РС, установленное в цепях тока при максимальном значении К_U, называется минимальным сопротивлением срабатывания РС Z_{уст.мин}. Затем, уменьшая величину К_U в цепях напряжения, можно увеличивать сопротивление срабатывания реле в несколько раз относительно Z_{уст.мин}.

Угол максимальной чувствительности РС определяется фазой вектора:

R = К_I/К_U, (9)

то есть, фазами коэффициентов К_I и К_U. В КРС-1 коэффициент К_U имеет фазу, равную нулю, тогда фаза вектора R равна фазе коэффициента К_I, и, изменяя фазу коэффициента К_I, можно регулировать угол максимальной чувствительности РС.

1.2.2 Основные технические характеристики КРС-1.

Комплект КРС-1 состоит из трех направленных РС, каждое из которых предназначено для включения на линейное напряжение и на разность фазных токов.

Есть два варианта выполнения комплекта КРС-1: старый (с использованием МЭР в качестве нуль-индикаторов) и новый (с использованием электронных нуль-индикаторов).

Номинальное напряжение – 100 В.

Номинальный ток – 5 А или 1 А. Далее все характеристики приведены для РС с номинальным током 5 А.

Номинальная частота – 50 Гц или 60 Гц (последняя – только для новых КРС-1). Далее все характеристики приведены для РС с номинальной частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность по цепям переменного тока – не более 2 ВА на фазу при номинальном токе.

Потребляемая мощность по цепям переменного напряжения – не более 15 ВА на фазу при номинальном напряжении.

КРС-1 длительно выдерживает 110 % номинальной величины переменного тока.

Характеристика РС КРС-1 в комплексной плоскости сопротивлений имеет вид окружности, проходящей примерно через начало координат. Для обеспечения селективности работы РС во всем диапазоне токов и температур желательно смещение окружности в 1 квадрант на (0,5-2,5)% от уставки.

Угол максимальной чувствительности РС регулируется дискретно и может иметь два значения: 65° и 80°.

В КРС-1 предусмотрена дискретная регулировка Z_{уст.мин} в цепях тока на два значения: 1 Ом и 1,5 Ом. В цепях напряжения сопротивление срабатывания реле регулируется дискретно и плавно и может быть увеличено в (1-20) раз. Таким образом, диапазон уставок новых КРС-1 по Z_СР составляет от 1 Ом до 30 Ом.

Предусмотрена возможность смещения характеристики РС в третий квадрант на (6-12)% для обеспечения надежного срабатывания РС при КЗ вблизи места установки защиты.

При работе со смещением в 3 квадрант величина Z_{уст.мин} может увеличиваться на 18% по отношению к величине, указанной выше. То есть, смещение характеристики РС в 3 квадрант фактически является не смещением, а увеличением радиуса окружности.

Предусмотрена возможность выполнения характеристики РС в виде эллипса для улучшения отстройки от сопротивления нагрузки. Коэффициент эллипсности характеристики (отношение длины малой оси эллипса к длине большой оси) может устанавливаться равным 0,5, 0,65, 0,8 и 1.

Время срабатывания РС при Z_Р = 0,7·Z_СР не превышает 60 мс. при работе с круговой характеристикой срабатывания.

1.2.3 Принципиальная электрическая схема РС КРС-1

Принцип выполнения схемы сравнения показан на рисунке 3. Основными элементами схемы сравнения являются выпрямительные мосты 1ВМ, 2ВМ, балластные резисторы 8R, 9R и нуль-индикатор (НИ), обозначенный на схеме рисунке 2 как РС.

Величина K_U·U_Р формируется трансформатором напряжения 1ТН, величины K_I·I_Р для рабочего и тормозного контуров - трансреактором 1Тр и нагружающими его резисторами 1R-4R. Для получения величины K_U·U_Р-K_I·I_Р в тормозном контуре вторичные обмотки трансформатора напряжения и трансреактора включены последовательно-встречно (рисунке 2).

Нагрузкой выпрямительных мостов 1ВМ и 2ВМ являются балластные резисторы 8R и 9R, на которых имеются выпрямленные пульсирующие напряжения: на резисторе 8R - рабочее напряжение, на резисторе 9R - тормозное.

На разность этих напряжений включен НИ, в качестве которого применяется магнитоэлектрическое реле (МЭР) типа М237/054, имеющее следующие основные параметры:

- ток срабатывания – (6–10) мкА;

- ток термической стойкости – 2 мА;

- сопротивление рамки – (1,4–2,0) кОм;

- напряжение срабатывания – (8–20) мВ;

- зазор между подвижным и неподвижным контактом – (0,5–0,7) мм;

- допустимое напряжение на контактах – (60–120) В.

И рабочее и тормозное напряжения представляют собой выпрямленные напряжения промышленной частоты, содержащие постоянную составляющую и четные гармоники, начиная со второй (рисунке 4). Наиболее значительные по величине - постоянная составляющая и вторая гармоника, гармоники более высоких порядков имеют незначительную величину.

Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема одного РС комплекта КРС-1

Для сглаживания напряжения, подаваемого на НИ, предусмотрены фильтр-пробка 1Др, 1C, включенный последовательно с НИ, и фильтр-шунт 2Др, 2С, включенный параллельно НИ, настроенные на частоту 100 Гц (рисунок 5). Оба дросселя 1Др и 2Др имеют регулируемые воздушные зазоры для настройки фильтров на частоту 100 Гц.

Рисунок 4 – Принцип выполнения схемы сравнения

Практически все напряжение второй гармоники, имеющееся на выходе схемы сравнения, выделяется на фильтре-пробке 1Др, 1С. Незначительная часть напряжения второй гармоники, прошедшая через фильтр-пробку, закорачивается фильтром-шунтом 2Др, 2С. Таким образом, через НИ протекает практически только постоянная составляющая тока, пропорциональная разности напряжений рабочего и тормозного контуров.

Рисунок 5 – Форма выпрямленного напряжения U_РАБ (U_ТОРМ)

Для защиты НИ от больших кратностей тормозного и рабочего токов предусмотрены включенные параллельно входу НИ защитные кремниевые диоды 1Д, 2Д типа Д226Б (рисунок 2).

Рисунок 6 – Сглаживание напряжения подаваемого на НИ

Падение напряжения на кремниевом диоде при протекании по нему тока в прямом направлении обычно не превышает 0,6-0,8 В. Поэтому при увеличении напряжения на НИ от 0 до 0,6-0,8 В диоды 1Д, 2Д закрыты и не влияют на работу схемы. При дальнейшем увеличении напряжения один из диодов открывается (если напряжение на резисторе 8R больше напряжения на резисторе 9R, то открывается диод 2Д, в противном случае - диод 1Д) и ограничивает напряжение на НИ на уровне 0,6-0,8 В.

Напряжение срабатывания НИ равно 8-20 мВ, поэтому ограничение напряжения на НИ на уровне 0,6-0,8 В никак не влияет на его срабатывание. С другой стороны, максимально допустимое напряжение на НИ равно произведению тока термической стойкости на сопротивление рамки U_{МАКС.ДОП} = I_ТЕРМ·R_Р = 2·2 = 4 В, и, следовательно, ограничение напряжения на НИ на уровне 0,6-0,8 В надежно защищает НИ от повреждения недопустимо большим током рамки.

Сопротивление 7R, по величине в 7-10 раз большее, чем сопротивление обмотки МЭР, служит для создания режима критического успокоения рамки МЭР. При наличии 7R приближение подвижного контакта МЭР к неподвижному при срабатывании МЭР имеет апериодический характер.

1.2.4 Регулировка угла максимальной чувствительности

Для регулировки угла максимальной чувствительности РС в КРС-1 предусмотрено подключение к вторичным обмоткам трансреактора 1Тр резисторов с различными сопротивлениями. При включении резисторов 2R и 4R угол между напряжением на выходе трансреактора и током на его входе равен 80°. Соответственно, и угол коэффициента К_I и угол максимальной чувствительности РС также равны 80°. При подключении к вторичным обмоткам трансреактора резисторов 1R и 3R угол максимальной чувствительности РС уменьшается до 65°.

При уменьшении сопротивлений резисторов, подключенных к вторичным обмоткам трансреактора, одновременно с уменьшением угла максимальной чувствительности РС уменьшается и величина напряжения на выходе трансреактора, то есть, уменьшается коэффициент К_I. Чтобы при этом не изменялось сопротивление срабатывания РС (Z_СР = 2·К_I/К_U) предусмотрено пропорциональное изменение коэффициента К_U с помощью перемычки, изменяющей число витков первичной обмотки трансформатора напряжения 1ТН. При одновременной перестановке трех перемычек из положения "80°" в положение "65°" одновременно с уменьшением величины К_I происходит увеличение числа витков первичной обмотки трансформатора напряжения 1ТН, что приводит к уменьшению величины коэффициента К_U. При этом величина сопротивления срабатывания РС не изменяется.