B. I. Общность и различие систем электроснабжения промышленных предприятии, городов и сельского хозяйства

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Системы электроснабжения промышленных предприятий, горо­дов и сельского хозяйства состоят из электроустановок, предназна­ченных для обеспечения потребителей электрической энергией. Они являются частью электроэнергетической системы, осуществляющей единый процесс производства, передачи, распределения и потреб­ления электроэнергии. Потребителями электрической энергии явля­ются электроприемник (аппарат, агрегат, механизм, предназначен­ный для преобразования электрической энергии в другой вид энер­гии) или группа электроприемников, объединенных технологичес­ким процессом и размещенных на определенной территории. Они разделяются на три категории [1].

Электроприемники первой категории. Они не допускают пере­рыва электроснабжения, так как это может повлечь за собой опас­ность для жизни людей, повреждение оборудования, нарушение технологического процесса и в конечном счете нанести значитель­ный ущерб народному хозяйству. Поэтому электроприемники пер­вой категории обеспечиваются электроэнергией от двух независи­мых источников питания (ИП). При отключении одного из них перерыв электроснабжения допускается лишь на время автоматичес­кого подключения электроприемников к другому независимому ис­точнику. Источник питания считается независимым, если в после-аварийном режиме в нем сохраняется в регламентированных пре­делах напряжение при исчезновении его на других источниках. К первой категории относится и особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для предотвращения взрывов и пожаров. Для них предусматривается дополнительное питание от третьего независимого ИП.

Электроприемники второй категории. Здесь перерыв электро­снабжения приводит к массовому недоотпуску продукции, просто­ям механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормаль­ной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Электроприемники второй категории также получают электроэнергию от двух независимых ИП. Однако при нарушении электроснабжения от одного из них допускается перерыв электро­снабжения на время, необходимое для включения резервного пи­тания дежурным персоналом или выездной бригадой.

Электроприемники третьей категории. В эту группу входят электроприемники, не относящиеся к первой и второй категориям. Их электроснабжение может выполняться от одного ИП при условии, что перерывы в электроснабже­нии, вызванные аварией или ремон­том, не превышают одних суток.

Связь потребителей электроэнер­гии с источниками питания. Источ­ником питания систем электроснаб­жения являются районные электро­энергетические системы. В них вхо­дят и местные электростанции горо­дов и сельских районов, и теплоэлек­троцентрали (ТЭЦ) промышленных предприятий. Связь потребителей электроэнергии с ИП осуществляет­ся питающими электрическими сетя­ми через приемные пункты и распределительные сети.

Если источник питания достаточно удален, то связь осуществ­ляется питающими линиями напряжением 35—220 кВ, а приемным пунктом является главная понизительная подстанция (ГПП) (рис. B.I).

Электроснабжение может также осуществляться по схеме глубокого ввода в виде блока линия-трансформатор (рис. В.2). Распределительные сети строятся при напряжении 6 (10) кВ.

Со стороны высшего напряжения трансформаторов Т устанав­ливаются отделители QR с короткозамыкателями QN, выключате­ли Q, предохранители F и открытые плавкие вставки. Тип комму­тационного аппарата и схема

подключения трансформаторов влияют на характер релейной защиты, автоматики и телемехани­ки. Когда потребитель располагается вблизи источника питания (местная электростанция), питающая линия выполняется на том же напряжении, что и распределительная сеть, а приемным пунк­том электроэнергии является распределительный пункт (РП) (рис. В.З.).

Большинство электроприемников рассчитано для работы при напряжениях до 1000 В. Поэтому в непосредственной близости от них размещаются трансформаторные подстанции (ТП), связывае­мые линиями напряжением 6 (10) кВ с ГПП или РП. Местные электростанции и ГПП являются ИП распределительных сетей.

 

Рис. В.4. Однолинейные радиальные схемы распредели­тельных сетей

 

По структуре построения различаются радиальные, магистральные и смешанные распределительные сети. Они могут быть как с односторонним, так и с двусторонним питанием. При радиальной схеме от шин источников питания ИП отходят линии к каждому распределительному пункту РП или трансформаторной подстан­ции ТП (рис. В.4). Для электроприемников третьей категории они выполняются одиночными (рис. В.4, а), а для более ответствен­ных — двойными от двух независимых источников питания (рис. В.4, б). Нормально линии работают раздельно, каждая на соот­ветствующую секцию шин РП. Рассмотренные радиальные схемы одноступенчатые. Если последовательно включено несколько РП, то схема становится многоступенчатой (рис. В.4, е). Радиальные схемы отличаются простотой выполнения и надежностью эксплуа­тации. Требуемую надежность электроснабжения можно обеспе­чить сравнительно простыми устройствами защиты и автоматики.

Стремление уменьшить число коммутационных узлов и снизить капитальные затраты делает целесообразным использование маги­стральных схем, при которых РП или ТП один за другим подклю­чаются к одной или двум параллельным линиям (рис. В.5). Одиноч­ные магистральные схемы с односторонним питанием (рис. В.5, а) применяются только для электроснабжения потребителей третьей категории. По надежности электроснабжения и удобству экс­плуатации они,

 

Рис. В.5. Однолинейные магистральные схемы распределительных сетей

 

как правило, уступают радиальным схемам. На­дежность электроснабжения можно повысить, используя одиночные магистральные схемы с двусторонним питанием (рис. В.5, б). При этом в нормальном режиме магистраль целесообразно держать разомкнутой секционным коммутационным аппаратом, устанавливаемым или на одном из РП, или у одного из источников пи­тания.

Значительно большую надежность имеют схемы с двумя ма­гистралями. Они применяются для питания двухтрансформаторных подстанций или РП с двумя секциями шин (рис. В.5, в). Трансфор­маторы и секции шин работают раздельно. При повреждении од­ной из магистралей отключается половина всех потребителей на время, необходимое для переключения их на другую магистраль. Схема с двумя сквозными магистралями приобретает еще большую надежность, если магистрали подключаются к разным источникам питания. Эти схемы можно использовать для питания потребителей первой категории. Рассмотренные радиальные и магистральные схемы применяются также в распределительных сетях напряжени­ем до 1000 В. Наряду с этим в системах электроснабжения горо­дов встречаются схемы сложно замкнутой распределительной сети указанного напряжения (замкнутая сетка).

В системах электроснабжения электрические сети в зависимос­ти от режима заземления нейтралей синхронных электрических машин и трансформаторов разделяются на сети с глухо-заземленными нейтралями и сети с изолированными или заземленными че­рез дугогасящие реакторы нейтрали. К первым из них в Советском Союзе относятся сети напряжением 110 кВ и выше, а также че­тырехпроводные сети напряжением до 1000 В. Остальные сети на­пряжением до 35 кВ включительно имеют или изолированные, или заземленные через дугогасящие реакторы нейтрали.

Системы электроснабжения промышленных предприятий, горо­дов и сельского хозяйства. Они обычно содержат элементы ради­альных и магистральных схем, т. е. выполняются по смешанной схе­ме. Причем сложность схемы определяется категорией электропри­емников и суммарной электрической нагрузкой промышленного предприятия, города, сельского района. Вместе с тем на систему электроснабжения каждого из этих объектов оказывают влияние его специфические особенности. Например, для промышленного предприятия характерными являются компактность расположения электроприемников, значительная мощность отдельных из них и в связи с этим глубокий ввод напряжением 110—220 кВ, применение мощных трансформаторов, кабельных линий большого сечения и различных токопроводов.

Среди потребителей большая доля приходится на электропри­емники первой категории. В связи с этим крупные предприятия имеют одну или даже две собственные электростанции. Характер таких потребителей, как, например, крупные преобразовательные установки и дуговые сталеплавильные электропечи, вызывает зна­чительное ухудшение качества электроэнергии вследствие появле­ния в напряжении и токе высших гармоник.

Особенностью городских распределительных сетей является многочисленность электроприемников сравнительно небольшой мощности, разбросанных по всей территории города, разнотипность оборудования, отсутствие, как правило, постоянного дежурного персонала на РП и ТП. Городская распределительная сеть выпол­няется кабельными линиями, часто сдвоенными или строенными, включаемыми одним выключателем.

Основу системы сельского электроснабжения составляют ради­альные сети напряжением 110; 35/10/0,4 кВ. Они характеризуются меньшей, чем городские сети, плотностью нагрузки, изменяющейся в широких пределах в зависимости от времени года. Электроэнер­гия распределяется преимущественно по воздушным линиям на­пряжением 10 кВ, а в некоторых районах страны — по воздушным линиям напряжением 15—20 кВ, выполняемым часто стальными проводами.

Раздробленность сельских потребителей электроэнергии и их размещение на значительной территории определяют: большую протяженность сельских распределительных сетей при сравнитель­но малой передаваемой мощности — в настоящее время она превы­шает 4 млн. км, а средняя протяженность линий напряжением 6—10 кВ на один РП составляет более 100 км; большое количество ответвлений, длина которых обычно больше длины линии, связы­вающей источник питания с наиболее удаленным потребителем электроэнергии; низкий уровень токов короткого замыкания (к.з.) — при удаленных коротких замыканиях и повреждениях за трансформаторами токи к.з. оказываются соизмеримыми с тока­ми нагрузки; необходимость секционирования сетей с целью повы­шения надежности электроснабжения — считается целесообразным установка секционирующих аппаратов на ответвлениях длиной 2—8 км.

В настоящее время в нашей стране придается большое значение электрификации сельского хозяйства как важнейшему средству ускорения технического прогресса в сельскохозяйственном произ­водстве и улучшения культурно-бытовых условий жизни сельского населения. Основными объектами электрификации являются жи­вотноводческие предприятия. Они относятся к потребителям первой категории, оснащены сложным электрооборудованием и требуют больших электрических мощностей. Все это приближает их к про­мышленным предприятиям. Крупными потребителями электро­энергии являются также тепличные хозяйства и осушительные установки.

Перевод сельскохозяйственного производства и прежде всего животноводства на промышленную основу требует значительного развития сельских сетей [2]: применения глубоких вводов напря­жением 35 и 110 кВ и комплектных подстанции 35; 110/10 кВ; за­мены воздушных линий кабельными; дальнейшего сокращения ра­диуса действия линий напряжением 10 кВ и перехода от радиаль­ных схем к магистральным с двусторонним питанием; сооружения для ответственных объектов подстанций с двумя трансформатора­ми; совершенствования релейной защиты, автоматики и телемеха­ники.

 

§ В.2. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ, АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

 

Системы электроснабжения — это сложный производственный комплекс, все элементы которого участвуют в едином производст­венном процессе, основными специфическими особенностями кото­рого являются быстротечность явлений и неизбежность поврежде­ний аварийного характера — коротких замыканий в электрических установках. Поэтому надежное и экономичное функционирование системы электроснабжения возможно только при автоматическом (без непосредственного участия человека-оператора) управлении. Автоматическое управление осуществляется комплексом автомати­ческих управляющих устройств, среди которых первостепенное зна­чение имеют устройства автоматической релейной защиты, дейст­вующие при повреждении электрических установок. Наиболее опас­ные и частые повреждения — короткие замыкания между фазами электрической установки и короткие замыкания фаз на землю в се­тях с глухозаземленными нейтралями. Возможны и более слож­ные повреждения, сопровождающиеся короткими замыканиями и обрывом фаз. В электрических машинах и трансформаторах наря­ду с указанными повреждениями возникают замыкания между вит­ками одной фазы. Вследствие короткого замыкания нарушается нормальная работа системы электроснабжения с возможным выхо­дом синхронных генераторов, компенсаторов и электродвигателей из синхронизма и нарушением режимов работы потребителей. Опас­ность представляет также термическое и динамическое действие тока к. з. как непосредственно в месте повреждения, так и при про­хождении его по неповрежденному оборудованию.

Для предотвращения развития аварий и уменьшения размеров повреждения при коротком замыкании необходимо быстро выявить и отключить поврежденный элемент системы электроснабжения. В ряде случаев повреждение должно быть ликвидировано в тече­ние долей секунды. Очевидно, что человек не в состоянии справить­ся с такой задачей. Определение поврежденного элемента и воздействие на отключение соответствующих выключателей произ­водят устройства релейной защиты с действием на отключение. Ос­новным элементом релейной защиты является специальный аппа­рат — реле. В некоторых случаях выключатель и защита совмеща­ются в одном устройстве защиты и коммутации, например в виде плавкого предохранителя.

Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной или заземленной через дугогасящие реакторы нейтралью не сопровож­даются возникновением больших токов (токи не превышают не­скольких десятков ампер). Междуфазные напряжения при этом не изменяются и работа системы электроснабжения не нарушается. Тем не менее этот режим работы нельзя считать нормальным, так как напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрас­тают и возникает опасность перехода однофазного замыкания на

землю в многофазные короткие замыкания. Однако необходимости в быстром отключении поврежденного участка нет. Поэтому уст­ройства релейной защиты от замыканий на землю действуют на сигнал, привлекая внимание персонала. В ряде случаев по требо­ванию техники безопасности они выполняются с действием на от­ключение.

Иногда в эксплуатации возникают ненормальные режимы, вы­званные перегрузкой оборудования или внешними короткими за­мыканиями, возникающими в других элементах. При этом по не­поврежденному оборудованию проходят значительные токи — сверхтоки, которые могут привести к преждевременному старению изоляции, износу оборудования. Сверхтоки, вызванные внешними короткими замыканиями, устраняются после отключения повреж­денного элемента собственной защиты. От сверхтоков перегрузки на соответствующем оборудовании должна предусматриваться защита, действующая на сигнал. При этом оперативный персонал принимает меры к разгрузке оборудования или к его отключению. При отсутствии постоянного дежурного персонала защита должна действовать на автоматическую разгрузку или отключение.

Короткие замыкания и ненормальные режимы могут сопровож­даться изменениями тока, напряжения, частоты, направления, мощности. Релейную защиту можно выполнить действующей в за­висимости от изменения одной или нескольких электрических ве­личин.

Релейная защита — это вид автоматики, нашедшей применение в системах электроснабжения раньше других автоматических уст­ройств. Одной релейной защиты недостаточно для обеспечения надежности и бесперебойности электроснабжения, в чем можно убедиться на примере рассмотренных схем электроснабжения. Ши­ны распределительного пункта РП обычно выполняются в виде двух секций (см. рис. В.3). Секционный выключатель Q3 при нор­мальной работе отключен. Каждая отходящая от шин линия элек­троснабжения потребителей связана только с определенной секци­ей. При повреждении одной из питающих РП линий и отключении ее релейной защитой электроснабжение потребителей соответст­вующей секции прекращается. Электроснабжение можно восста­новить включением секционного выключателя Q3 устройством ав­томатического включения резерва (УАВР).

Опыт эксплуатации воздушных линий электропередачи показы­вает, что большинство повреждений после быстрого отключения линий релейной защитой самоустраняется, а линия, включенная повторно, остается в работе, продолжая обеспечивать электроснаб­жение. Повторное включение выполняется устройством автомати­ческого повторного включения (УАПВ).

Повреждение одного из элементов системы электроснабжения и его отключение, как правило, отражаются на работе всей си­стемы. Например, отключение части потребителей приводит к из­бытку вырабатываемой мощности и, как следствие, часто к недо­пустимым повышениям частоты и действующего значения напряжения. Кроме того, при отключении мощного генератора появляет­ся дефицит электроэнергии, что может привести к глубокому сни­жению частоты и действующего значения напряжения, расстройст­ву работы потребителей, выходу из синхронизма генераторов и на­рушению устойчивости работы всей энергосистемы.

Нежелательные процессы протекают так быстро, что оператив­ный персонал не в состоянии предотвратить их развитие и с тре­буемой быстротой восстановить нормальный режим. Если все гене­раторы системы загружены активной мощностью полностью, то восстановить частоту можно только путем отключения части наи­менее ответственных потребителей с помощью устройства автома­тической частотной разгрузки (УАЧР).

Все электроприемники рассчитывают на определенное напря­жение, при котором они имеют наилучшие технико-экономические показатели работы. Снижение напряжения нарушает условия их нормальной работы и приносит ущерб народному хозяйству.

Напряжение в системе электроснабжения можно восстановить путем изменения ЭДС синхронных генераторов и с помощью дру­гих источников реактивной мощности. Для поддержания напряже­ния применяются устройства автоматического регулирования воз­буждения синхронных генераторов (УАРВ).

Напряжением в системе электроснабжения можно также управ­лять путем автоматического изменения реактивной мощности, вы­рабатываемой компенсирующими устройствами: непрерывно — синхронными компенсаторами и перевозбужденными синхронными электродвигателями (изменением их возбуждения УАРВ) и дис­кретно (ступенчато) — компенсирующими конденсаторными уста­новками (изменением числа включенных секций конденсаторов автоматическими устройствами управления компенсирующими уста­новками). Широко применяются также устройства автоматическо­го регулирования коэффициентов трансформации трансформаторов сУРПН (устройствами регулирования под нагрузкой).

Своеобразным ненормальным режимом является режим качаний параллельно работающих синхронных электрических машин, возникающий вследствие коротких замыканий, приводящих к тор­можениям одних и ускорениям других синхронных машин. Кача­ния сопровождаются повышением тока и понижением напряжения, изменения действующих значений которых имеют пульсирующий характер. При этом защита не должна действовать на отключение. Для восстановления нормального режима иногда предусматривает­ся специальная автоматика, которая при возникновении качаний и возможном нарушении синхронизма осуществляет деление энерго­системы в определенных узлах.

В системах электроснабжения применяются и другие устройст­ва автоматики энергосистем, например автоматические устройства синхронизации генераторов, синхронных компенсаторов и электро­двигателей, автоматические регуляторы частоты вращения и актив­ной мощности синхронных генераторов.

Для автоматического управления системой электроснабжения в целом и обеспечения экономичности нормальных режимовее ра­боты в настоящее время создается автоматизированная система управления (АСУ), построенная на основе использования цифро­вых универсальных и специализированных (управляющих) элек­тронных вычислительных машин (ЭВМ). Для функционирования АСУ необходим непрерывный поток информации о режимах произ­водственного процесса, особенно о значении напряжения, тока, мощности, частоты и состоянии оборудования. Системы электро­снабжения крупных промышленных предприятий, городов и осо­бенно сельского хозяйства рассредоточены на значительных тер­риториях. Поэтому необходимы автоматические информационные устройства, обеспечивающие сбор и передачу информации от кон­тролируемых пунктов (КП) на диспетчерские пункты (ДП), где находятся ЭВМ и диспетчерский персонал. Для передачи управляю­щих воздействий от ДП на электрические установки КП необходи­мы соответствующие автоматические управляющие устройства. Для этих целей применяются системы телемеханики: телесигнализация (ТС) и телеизмерения (ТИ) — для сбора и передачи информации;

телеуправления (ТУ) и телерегулирования (ТР) — для управления на расстоянии режимами работы электрических установок; в ряде случаев выделяется система автотелеуправления (АТУ).

Передача информации и управляющих воздействий устройства­ми телемеханики производится по линии связи КП и ДП. Приме­няются или отдельные линии (проводные, радиорелейные), или провода линий системы электроснабжения. При этом информация от КП или управляющие воздействия от ДП предварительно пре­образуются в сигналы, удобные для передачи на значительные рас­стояния. Поэтому в состав любой системы телемеханики входят передатчик, канал связи и приемник. С помощью передатчика и приемника осуществляют преобразование сигналов. Канал связи служит для независимой передачи сигналов. В некоторых системах телемеханики многие элементы передатчика и приемника являют­ся неотъемлемой принадлежностью канала связи. Средства теле­механики позволяют одну линию связи использовать для несколь­ких каналов связи, что сокращает капитальные затраты.

Объем телемеханизации в системах электроснабжения разли­чен. Он, в частности, определяется местными условиями, степенью автоматизации производственного процесса, а также технико-эко­номическим эффектом от введения тех или иных систем телемеха­ники.

§ В.З. ЭЛЕМЕНТЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЧАСТИ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ, АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

 

Устройства релейной защиты, автоматики и телемеханики со­стоят из отдельных функциональных элементов, связанных между собой общей схемой. Задача каждого элемента — преобразовать входные сигналы, полученные от предыдущего элемента, и передать их последующему элементу. В каждом устройстве элементы объединяются в функциональные части. Условно в соответствии с последовательностью преобразования и передачи сигналов можно выделить измерительную, передающую, логическую и исполнитель­ную части [3]. Некоторые из них могут и не быть в конкретном устройстве.

Элементы измерительной части контролируют тот или иной па­раметр системы электроснабжения, например амплитуду (абсолют­ное значение) тока, напряжения, угол сдвига фаз между ними, значение частоты. Указанные параметры вторичных напряжения и тока, получаемых от первичных измерительных преобразователей (трансформаторов) напряжения и тока электрических установок, являются информационными параметрами. Вторичные напряжения и ток измерительных трансформаторов по ГОСТ 16022—76 называ­ют воздействующими величинами, которые являются основными входными электрическими сигналами автоматических устройств [З]. В ряде случаев, прежде всего в устройствах телемеханики, исполь­зуются и неэлектрические величины, которые соответствующими измерительными элементами (датчиками) преобразуются в элек­трический входной сигнал устройства.

Различаются аналоговые (в частности, непрерывные) и дис­кретные (в частности, цифровые) сигналы. Определяющий при­знак аналоговых сигналов — бесконечное множество возможных значений информационного параметра. Аналоговый непрерывный сигнал характеризуется непрерывным изменением информацион­ного параметра во времени. Признак дискретного сигнала — огра­ниченное число допускаемых значений информационного парамет­ра, часто только два значения. Дискретный цифровой сигнал пред­ставляет собой число импульсов в единичной (число-импульсный сигнал) или в двоичной системах счисления.

Основные входные электрические сигналы являются аналоговы­ми. Они поступают на входы измерительной части устройств релей­ной защиты, автоматики и телемеханики. Измерительная часть мо­жет содержать несколько измерительных органов непрерывного или релейного действия. Измерительный орган непрерывного дей­ствия имеет непрерывную проходную характеристику (зависимость выходного сигнала У от входного X), а релейного действия — ре­лейную проходную характеристику. Релейный измерительный ор­ган преобразует аналоговый входной сигнал в дискретный с двумя значениями информационного параметра. Простейшие измери­тельные органы релейного действия — измерительные реле тока, напряжения, мощности, сопротивления.

Электрическим реле согласно ГОСТ 16022—76 называется ком­мутационное устройство, предназначенное производить скачкооб­разные изменения в управляемых цепях при заданных значениях электрических воздействующих величин. При этом считают, что реле срабатывает. Различают максимальные и минимальные изме­рительные реле. Максимальные реле срабатывают при возраста­нии воздействующей величины до заданного значения, минимальные — при снижении ее до заданного значения. В зависимости от способа включения в защищаемую цепь реле делятся на первичные и вторичные. Первичные реле включаются непосредственно в глав­ную электрическую цепь, а вторичные — через первичные измери­тельные преобразователи. В зависимости от способа воздействия на коммутационный аппарат (например, выключатель) защищае­мого объекта различают реле прямого и реле косвенного действия. В реле прямого действия подвижная система механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата. Реле кос­венного действия управляет цепью электромагнита отключения вы­ключателя через исполнительный элемент.

Устройства релейной защиты, автоматики и телемеханики выполняются так, что сигнал на выходе измерительного органа появляется лишь в том случае, ес­ли входные сигналы удовлетворяют некоторым условиям, например при дости­жении амплитудой тока определенного значения. Из этого следует, что измери­тельный орган производит сравнение сигналов. Различают два основных принци­па сравнения электрических величин: по амплитуде (абсолютному значению) и по фазе.

В зависимости от числа воздействующих величин различают измерительные органы с одной, двумя электрическими величинами и более. Применяются в ос­новном измерительные органы с одной и.двумя электрическими величинами.

Чтобы произвести сравнение, необходимо иметь не менее двух величин. В измерительном органе с одной воздействующей величиной в качестве второй может использоваться некоторая стабильная постоянная величина. Так, например, в электромеханическом реле — это механический момент пружины, в полу­проводниковом реле — стабилизированное напряжение. При этом операции сравне­ния предшествует операция преобразования воздействующей величины в вели­чину, однородную постоянной.

Сравнение можно произвести и другим способом. Для этого воздействую­щая величина U(I) преобразуется в две сравниваемые U₁(I₁) и U₂(I₂) так, что­бы они были разными ее функциями и их графики пересекались при некотором значении которое является граничным условием появления сигнала на выходе измерительного U_гр(I_гр) органа или границей зоны действия (рис. В.6, а). Если для появления сигнала на выходе измерительного органа необходимо, чтобы U₁(I₁) > U₂(I₂), то его зона действия располагается справа от граничной точки. Она является лучом, совпадающим с осью U(I). На вы­ходе измерительного органа непрерывного действия си­гнал аналоговый в виде, например, изменяющейся про­порционально разности U₁(I₁) - U₂(I₂) постоянной сос­тавляющей U₀ напряжения (кривая 1 на рис. В. 6, б). На выходе измерительного органа релейного действия сигнал дискретный в виде скачкообразно изменяющего­ся напряжения от U_0min до U_0max (кривая 2), в частном случае напряжение U_0min = 0.

Рис. В.6. Графики, иллю­стрирующие действие из­мерительного органа с одной электрической ве­личиной

Рис. В.7. Зона действия измеритель­ных органов с двумя электрическими величинами в плоскости W:

а — при сравнении абсолютных значений;

б — при сравнении по фазе

 

 

Появление дискретного сигнала означает сраба­тывание измерительного органа релейного действия. В измерительном органе с двумя электрическими величинами сравниваются или сами воздействующие ве­личины    (U и I), или величины, линейно зависящие от них, например

A = k ₁Ů + k ₂İ и B= k ₃Ů + k ₄İ. В общем случае коэффициенты k ₁ – k ₄ явля­ются комплексными. Они не зависят от U и I. Для анализа поведения измери­тельного органа используют плоскости комплексных переменных Z = Ů / İ или W = A / B, связанных между собой следующими зависимостями [4]:

 и .

В плоскостях имеются соответствующие друг другу зоны действия и зоны не действия, разделенные граничными линиями.

Для измерительного органа, сравнивающего величины A и B по их абсолют­ному значению, граничная линия определяется равенством W = 1 при любом угле φ сдвига фаз между ними и является окружностью с центром в начале координат и радиусом, равным единице. Зоной действия при W  1 является плоскость вне окружности (рис. В.7, а). Сравнивать по абсолютному значению можно как величины переменного, так и постоянного тока. Сравнивать по фазе можно лишь величины переменного тока. При этом условием появления сигнала на выходе измерительного органа является

φ₁<(A, B)<φ₂ или φ₁<arg W <φ₂

так как угол между векторами A и B представляет собой аргумент их отноше­ния. При φ₂=φ₁+π, чto обычно имеет место, граничная линия является пря­мой, проходящей через начало координат (рис. В.7, б).

В большинстве случаев выходной сигнал функционального элемента зависит только от его входного сигнала, а обратная зависимость отсутствует. При этом если, например, элементы соединены друг с другом последовательно, то сигнал У в каком-либо месте устройства зависит от всех предыдущих элементов, но не зависит от последующих (рис. В.8, а). Направление действия элементов указы­вается стрелкой. В ряде устройств необходимо, чтобы последующие элементы оказывали влияние на предыдущие. Это достигается с помощью обратной связи (рис. В.8, б), на вход которой подается сигнал от последующих элементов, а вы­ход с сигналом X'=k_o.cY присоединяется к предыдущим, где k_o.c — коэффици­ент обратной связи. В зависимости от его знака образуется положительная или отрицательная обратная связь. При положительной обратной связи сигнал на входе второго элемента усиливается (Х+Х'), а при отрицательной — ослабля­ется (X-X').

Выходной дискретный сигнал устройства в целом формируется его логической частью, которая преобразует дискретные входные сигналы в дискретные выходные, являющиеся входными сигналами исполнительной части устройства. Логическая часть содержит обычно несколько логических элементов. Поэтому появление дис­кретного сигнала на выходе в общем случае зависит от комбина­ции входных сигналов. Таких основных комбинаций три — это ло­гические операции ИЛИ, И, НЕ. Условное изображение этих опе­раций дано на рис. В.9.

Операция ИЛИ представляет собой логическое сложение Y=X₁+X₂+X₃+… и показывает, что сигнал Y на выходе появляется, если есть сигнал Х хотя бы на одном из входов. Это достигается параллельным соедине­нием элементов. Операция И представляет собой логическое умно­жение Y=X₁X₂X₃. Сигнал Y на выходе есть, если есть сигналы на всех вхо­дах. Это соответствует последовательному соединению элементов. Операция НЕ выражает логическое отрицание Y=  и показывает, что сигнал Y на выходе появляется только тогда, когда нет сигнала Х на входе.

Измерительные органы и логическую часть устройства можно выполнить с помощью полупроводниковых и ферромагнитных эле­ментов, а также электромеханических систем, имеющих подвиж­ные контакты. Если логическая часть схемы выполняется электро­механическими реле, то рассмотренные логические операции мож­но осуществить путем соединения их контактов. В общем случае логическая часть устройства может быть весьма сложной. Ее оптимальное построение невозможно без ис­пользования математической логики [5].

Выходные воздействия релейной защиты, устройств автоматики релейного действия и телеуправления обычно являются дискретны­ми воздействиями на отключение и включение выключателей син­хронных генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и других электрических установок. Они формируются соответствую­щими исполнительными элементами в виде относительно мощных электромеханических реле и контакторов, включающих электро­магниты отключения и включения приводов выключателей. Испол­нительные элементы устройств автоматики непрерывного действия (автоматических регуляторов) представляют собой мощные тиристорные или магнитные усилители, выходные токи которых изме­няют, например, ток возбуждения синхронного генератора. Испол­нительные элементы релейной защиты, автоматики и особенно телеизмерения и телесигнализации служат также для ввода инфор­мации в ЭВМ и отображения информации, необходимой дежурно­му персоналу. К ним относятся, например, устройства световой и звуковой сигнализации, измерительные приборы и др. В системах телемеханики, а иногда релейной защиты и автоматики возникает необходимость, как указывалось, передавать сигналы на значи­тельные расстояния. Для этого служит передающая часть уст­ройства.