RU1797092C - Компаратор дл релейной защиты - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и предназначено дл  повышени  надежности узлов, блоков релейной защиты и противо- авэрийной автоматики энергосистем. Сущность изобретени : компаратор дл  релейной защиты содержит 2 операционных усилител  (1, 6), 6 резисторов (2, 3, 5, 7, 8,9), 2 диода (4,10), и 1 элемент объединени 

Description

Ф Сигнал а неислра8/10Јл м Фиг.1

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и предназначено дл  повышени  надежности узлов, блоков, модулей и плат релейной защиты и противо- авариной автоматики энергосистем, выполненных на активных полупроводнико- вых элементах, т.е. с применением транзисторов , усилителей, логических схем в микросхемном исполнении и т.д.

Разработанные в последние годы на полупроводниковой и микроэлектронной элементной базе устройства релейной защиты и противоаварий ной автоматики энергосистем , облада  высоким техническим совершенством , отличаютс  довольно высокой сложностью и, следовательно, низкой надежностью . По статистическим данным такие устройства отказывают в 10-20 раз чаще, чем традиционные электромеханические реле. Ущерб от снижени  неадежности разрабатываемых устройств может скомпенсировать , а в некоторых случа х - даже превысить положительный эффект от повышени  их технического совершенства. С целью повышени  надежности могут быть использованы такие элементы устройств релейной защиты, которые обладают высокой контролепригодностью, Контроль исправности таких устройств в режиме дежурства позволит обеспечить высокую надежность релейной защиты и автоматики .энергосистем .

Известен компаратор напр жени , содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к источнику входного сигнала, а выход операционного усилител  через второй резистор подключен к инвертирующему входу и к первому выводу треть- его резистора, четвертый резистор, последовательно соединенные первый и второй инверторы и первый интегратор, последовательно соединенные третий инвертор и второй интегратор, выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора , а вход третьего инвертора подключен к выходу операционного усилител  и входу первого инвертора, при этом выход первого интегратора подключен к инвертирующему входу операционного усилител  через четвертый резистор, а выход первого инвертора соединен с выходной шиной (1).

Недостатком описанного компаратора  вл етс  отсутствие самопроверки его исправности . Вследствие этого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и св зей длительное врем  не вы вл ютс  и могут привести к отказу в функционировании компаратора.

Известен также компаратор, содержащий два операционных усилител , одни входы которых через резисторы соединены с источниками входного и опорного напр жений , соедин ющие первый и второй входы каждого операционного усилител , повторитель , инвертор и дизъюнктор, причем другие входы операционных усилителей через резисторы соединены с источником сещени , а выходы первого операционного усилител  через инвертор, а второго через повторитель соединены со входами дизьюн- ктора.

Недостатком описанного компаратора,

как и предыдущего,  вл етс  отсутствие самопроверки его исправности, Вследствие того возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и св зей длительное врем  не вы вл ютс  и могут привести к

отказу в функционировании компаратора.

Известен также двухканальный компаратор , содержащий два компаратора, пер- .вые входы которых объединены, задатчик первого входного сигнала, источник опор

ного напр жени , один вывод которого соединен с земл ной шиной, задатчик ворого входного сигнала, два реле, каждое с двум  группами контактов, и элемент ИЛИ, выход которого  вл етс  выходом компаратора, а

0 входы соединены соответственно с замыкающими контактами ворых контактных групп первого и второго реле, обмотки которых одним выводом соединены с земл ной шиной , а вторым выводом - с замыкающими

5 контактами вторых контактных групп соответственно второго и первого реле,  кори вторых контактных групп которых соединены с выходами соответственно второго и первого компараторов, первые входы кото0 рых соединены с вторым выводом источника опорного напр жени , а вторые входы соединены соответственно с  кор ми первых контактных групп второго и первого реле , замыкающие контакты первых

5 контактных групп которых соединены соответственно с выходами задатчиков первого и второго сигналов, а размыкающие контакты - соответственно с выходами задатчиков второго и первого входных сигналов.

0 Недостатком описанного компаратора, как и предыдущего,  вл етс  отсутствие самопроверки его исправности. Вследствие этого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и св зей длительное

5 врем  не вы вл ютс  и могут привести к Отказу в функционировании компаратора.

Известен также двухпороговый компаратор , содержащий операционный усилитель , неинвертирующий вход которого соединен непосредственно с общей шиной,

инвертирующий вход через первый и второй резисторы - с шинами входного и опорного сигналов соответственно, а выход через два включенных встречно-последовательно диода, объединенных анодами. - с инвертирующим входом, и третий резистор, первый вывод которого соединен с анодами диодов, второй вывод третьего резистора соединен шиной входного сигнала (4).

Прототипом предлагаемого компаратора дл  релейной защиты  вл етс  последний из описанных компараторов.

Недостатком прототипа, как и предыдущих компараторов,  вл етс  отсутствие самопроверки его исправности. Вследствие этого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и св зей длительное врем  не вы вл ютс  и могут привести к отказу в функционировании компаратора.

К тому же в исходном режиме.(режиме дежурства защиты) операционный усилитель в протототипе находитс  в насыщенном состо нии, что обуславливает низкую контролепригодность компаратора, т.к. р д повреждений его комплектующих элементов не приводит к изменению выходого сигнала операционного усилител , а другие повреждени  сразу привод т к ложному срабатыванию компаратора. Приближенно можно считать, что вследствие высокого коэффициента усилени  операционного усилител  половина его отказов приводит к тому, что сигнал на его выходе стремитс  стать равным предельному положительному значению, а друга  половина - к предельному отрицательному значению. Поскольку в исходном состо нии на выходе операционного усилител  в исправном прототипе тоже предусмотрено наличие предельного положительного напр жени , то половина отказов операционного усилител  не приведет к изменению его выходного напр жени  и такие отказы в исходном режиме (режиме дежурства защиты) вы вить невозможно. То же самое произойдет, например, при коротком замыкании резистора, соедин ющего инвертирующий вход операционного усилител  с источником опорного сигнала.

Некоторые другие повреждени  комплектующих элементов прототипа привод т к тому, что прототип сработает даже при отсутствии входного сигнала. К таким повреждени м относ тс , например, втора  половина повреждений операционного уси- лител , обрыв резистора, св зывающего инвертирующий вход операционного усилител  с источником сигнала опорного напр жени  и другие подобные повреждени . Хот  по величине сигнала на выходе операционного усилител  такие повреждени  в принципе могли бы быть вы влены, это обычно не имеет смысла, так как ложное действие компаратора уже произошло.

Таким образом, схема прототипа обус- 5 лавливает его низкую контролепригодность , что в принципе не дает возможности обеспечить значительную полноту его посто нного контрол  исправности в режиме дежурства, то есть не дает возможности

ТО обеспечить его высокую надежность.

Периодические проверки могли бы повысить полноту проверки исправности, но не могут полноценно заменить посто нный контроль исправности из-за большого вре15 мени вы влени  неисправностей.

Цель изобретени  - повышение надежности путем повышени  контролепригнод- ности за счет использовани  избыточности и введени  в режиме дежурства защиты пэ0 раметров сигналов на контрольных точках в область с минимальной плотностью веро тности сигнала, соответствующего поврежденному компаратору, а также посто нного контрол  величин этих сигналов.

5 Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известный компаратор, содержащий первый операционный усилитель неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход через первый

0 резистор соединен со входом компаратора и через второй резистор - с шиной источника опорного напр жени , первый диод, катод которого соединен с выходом первого операционного усилител , а анод - с пер-.

5 вым выводом третьего резистора, а также второй д%иод, дополнительно введены второй операционный усилитель, три резистора и элемент обьединени , причем второй вывод третьего резистора соединен с ин0 вертирующим входом первого операционного усилител , неинвертирующий вход второго операционного усилител  соединен с общей шиной, а его инветирующий вход через четвертый резистор соединен со вхо- 5 дом компаратора, а через п тый резистор - с шиной источника опорного напр жени , выход второго операционного усилител  соединен с его инвертирующим входом через последовательно соединенные шестой ре0 зистор и второй диод в обратном включении , выходы обоих операционных усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами злемента объединени  и первым и вторым контрольными

5 выходами компаратора, выход элемента объединени  соединен сигнальным выходом компартора, а контрольные выходы элемента обьединени  соединены с соответствующими выходами компаратора.

Дл  снижени  веро тности несрабатывани  элемент объединени  содержит последовательно соединенные седьмой резистор и третий диод в пр мом; включении , соедин ющие первый вход элемента обьединени  с его выходом/и последовательно соединенные восьмой резистор и четвертый диод в пр мом включении, соедин ющие второй вход элемента объединени  с его выходом, причём объединенные выводы седьмого резистора и третьего диода соединены с первым контрольным выходом элемента объединени , а объединенные выводы восьмого резистора и четвертого диода соединены со вторым контрольным выходом элемента объединени .

Дл  снижени  веро тности ложного срабатывани  элемент объединени  содержит п тый и шестой диоды, одни разноименные выводы которых соединены с первым входом элемента объединени , а другие соответственно через дев тый и дес тый резисторы соединены с выходом элемента объединени , седьмой и восьмой диоды, одни разоименные выводы которых соединены со вторым входом элемента единени , а другие соответственно через одиннадцатый и двенадцатой резисторы соединены с выходом элемента объединени , дев тый диод, подключенный катодом к выходу элемента объединени , а анодом - к общей шине, причем объединенные выводы п того диода и дев того резистора сое- динены с первым контрольным выходом элемента объединени , объединенные выводы шестого диода и дес того резистора - сего вторым контрольным выходом, объединенные выводы седьмого диода и одиннадцатого резистора - с его третьим выходом и объединенные выводы восьмого диода и двенадцатого резистора - с его четвертым выходом.

В предлагаемом решении все признаки, указанные в отличительной части формулы изобретени , про вл ют в процессе взаимодействи  присущие им известные свойст- ва, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект.

При этом обеспечиваетс  сверхсуммарный технический эффект, обусловленной совокупностью указанных признаков, заключающийс  в том, что в случае повреждени  компаратора сигнал хот  бы на одной его контрольной точке с большой веро тностью изменитс  от того первоначального значени , которое соответствовало минимальной плотности веро тности контрльно- го сигнала, соответствующего поврежден ному компаратору, в область значений с большой плотностью веро тности такого

сигнала, в результате чего сигнал комбинированной контрольной точки на продолжительное врем  выйдет за допустимые границы и будет сформирован сигнал о неисправности компаратора. Поскольку при этом веро тность изменени  контрольного, сигнала больше, чем если бы он первоначально находилс  в области с большой плотностью веро тности контрольного сигнала,

0 соответствующего поврежденному компаратору , то контролепригодность компаратора повышаетс . Удаетс  обеспечить большую полноту проверки исправности в режиме дежурства и большую надежность

5 компаратора.

Таким образом, предлагаемое изобретение удовлетвор ет критерию существенные отличи .

На фиг. 1 приведена ,структурно-прин0 ципиальна  схема компаратора; на фиг. - принципиальна  схема элемента объединени , на фиг. 3 - принципиальна  схема блока контрол  исправности; на фиг. 4 - характеристика плотности веро тности сиг5 нала на выходе поврежденного операционного усилител ;, на фиг. 5 - рабоча  характеристика компаратора.

Предлагаемый компаратор дл  релейной защиты (фиг. 1) содержит первый опера0 ционный усилитель 1, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход через первый резистор 2 соединен со входом компаратора, а через второй резистор 3 - с шиной источника

5 опорного сигнала, первый диод 4, катод которого соединен с выходом первого операционного усилител  1, а анод - через третий резистор 5 соединен с инвертирующим входом операционного усилител  1, второй

0 операционный усилитель б, неинвертирую- щий вход которого соединен с общей шиной , а его инвертирующий вход через четвертый резистор 7 соединен со входом компаратора, а через п тый резистор 8 - с

5 шиной источника опорного напр жени , выход второго операционного усилител  6 соединен с его инвертирующим входом через последовательно соединенные шестой резистор 9 и второй диод 10 в обратном вклю0 чении, выходы обоих операционных усилителей 1 и б соединены соответственно с первым 11 и вторым 12 входами элемента 13 объединени , предназначенного дл  реализации соответствующей логической фун5 ции. Выход элемента 13 объединени  соединен с сигнальным выходом компаратора . Выходы операционных усилителей I и 6 соединены также соответственно с первым и вторым контрольными выходами компаратора , а контрольные выходы элемента

13 объединени  соединены с соответствующими контрольными выходами компаратора .

В свою очередь контрольные выходы компаратора соединены с соответствующи- ми входами 14, 15 блока 16 контрол  исправности , предназначенного дл  контрол  исправности предлагаемого компаратора. Выход блока 16 контрол  исправности служит выходом сигнала о неисправности ком- паратора.

В солучае реализации логической операции ИЛИ элемент объединени  13 (фиг. 1) содержит последовательно соединенные седьмой резистор 17 и третий диод 18 в пр мом включении, соедин ющие первый вход 11 элемента объединени  с его выходом , и последовательно соединенные восьмой резистор 19 и четвертый диод 20 в пр мом включении, соедин ющие второй вход 12 элемента 13 объединени  с его выходом . Объединенные выводы седьмого резистора 17 и третьего диода 18 соединены с первым контрольным выходом элемента 13 объединени , а объединенные выводы вось- мого резистора 19 и четвертого диода 20 соединены со вторым контрольным выходом элемента объединени  13.

В случае реализации логической операции И элемент объединени  13 (фиг. 2) со- держит п тый 21 и шестой 22 диоды, одни разноименные выводы которых соединены с первым входом элемента 13 объединени , а другие соответственно через дев тый 23 и дес тый 24 резисторы соединены с выходом элемента 13 объединени , седьмой 25 и восьмой 26 диоды, одни разноименные выводы которых соединены со вторым входом 12 элемента 13 объединени , а другие соответственно через одиннадцатый 27 и две- надцатый 28 резисторы соединены с выходом элемента 13 объединени , дев тый диод 29, подключенный катодом к выходу элемента 13 объединени , а анодом - к общей шине, причем объединенные выводы п того диода 21 и дев того резистора 23 соединены с первым контрольным выходом элемента 13 объединени , объединенные выводы шестого диода 22 и дес того резистора 24 - с его вторым контрольным выхо- дом. Объединенные выводы седьмого диода 25 и одиннадцатого резистора 27 соединены с третьим контрольным выходом элёмен- та 13 объединени , а объединенные выводы восьмого диода 26 и двенадцатого резисто- ра 28 служат четвертым контрольным выходом элемента 13 объединени .

Блок контрол  исправности 16 (фиг. 3) содержит операционный усилитель 30, неинвертирующий ход которого непосредственно соединен с общей шиной, а инвертирующий через резисторы 31 соединен с первой группой входов 14 блока 16 контрол  исправности, резистор 32, включенный между инвертирующим входом и выходом операционного усилтел  30, резистор 33, включенный последовательно с первой электрической кнопкой 34 между инвертирующим входом операционного усилител  30 и шиной источника питани , операционный усилитель 35, неинвертирующий вход которого непосредственно соединен с общей шиной а инвертирующий вход через резисторы 36 соединен со второй группой входов 15 блока 16 контрол  исправности, переменный резистор 37, включенный между выходом операционного усилител  30 и инвертирующим входом операционного усилител  35, резистор 38, включенный между инвертирующим входом операционного усилител  35 и его выходом, потенциометр 39, крайние выводы которого соединены соответственно с шинами источников напр жени  питани  положительной и отрицательной пол рности, а движок через резистор 40 соединен с инвертирующим входом операционного усилител  35. операционный усилитель 41, неинвертирующий вход которого через резистор 42 соединен с анодом диода 43, катод которого соединен с выходом операционного усилител  35, инвертирующий вход операционного усилител  41 через резистор 44 соединен с катодом диода 45, анод которого соединен с выходом операционного усилител  35. Резисторы 46 и 47 соедин ют неинвертирующий вход операционного усилител  41 с шиной напр жени  питани  положительной пол рности и общей шиной соответственно. Резисторы 48 и 49 соедин ют инвертирующий вход операционного усилител  41 с шиной напр жени  питани  отрицательной пол рности и общей шиной соответственно. Цепочка из последовательно соединенных резистора 50 и диода 51 соедин ет выход операционного усилител  41 с общей шиной . Цепочка из последовательно соединенных резистора 52 и светодиода 53, включенна  между орбщими выводами диода 51 и резистора 50 и общей шиной, служит дл  сигнализации сработавшего состо ни  компаратора, выполненного на операционном усилителе 41. Диоды 54, 55 предназначены дл  реализации логической операции ИЛИ, а подключенный к их объединенным анодам элемент 56 выдержки времени выполнен по стандартной схеме реле времени и предназначен дл  задержки поступающего на него сигнала на врем , равное, например . 10-15 секундам.

Предлагаемый компаратор дл  релейной защиты работает следующим образом.

Одним из наиболее важных свойств ре- леной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем  вл етс  надежность. Статистические данные показывают, что надежность современных устройств защиты и автоматики, обладающих высоким техническим совершенством и выполненных на полупроводниковых и микросхемных элементах, гораздо ниже, чем у традиционных электромеханических реле. Дл  повышени  надежости используютс  различные диагностические устройства и блоки, измер ющие параметры сигналов на контроль- ных точках устройства защиты или автоматики и по отклонению этих параметров от нормальных значений делающие вывод относительно исправного или дл  неисправного состо ни  контролируемого устройства; В качестве контрльных точек обычно выбираютс  выходы операционных усилителей, выводы транзисторов, реле и других элементов.

Операционный усилитель относитс  к числу наиболее распространенных элементов современных полупроводниковых схем релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем. Представл ет большой интере вид распределени  сигнала на его выходе при повреждени х операционного усилител . Анализ схем отечественных и зарубежных операционных усилителей, обладающих высоким коэффициентом усилени , достигающим сотен тыс ч раз и бо- лее, показал, что при подавл ющем числе повреждений сигнал на их выходе стремитс  к максимально возможному или минимально возможному значению (т.е. к сигналу насыщенного состо ни  усилител ). Веро тность того, что при повреждении операционного усилител  самого по себе или работающего в режиме линейного усилител , выходной сигнал значительно отклонитс  от предельных значений, по мнению большинства специалистов, подтверждаемому опытом эксплуатации, чрезвычайно мала. На фиг. 4 показана построенна  в соответствии с изложенным характеристика f(q) плотности веро тности сигнала на выходе поврежденного усилител . На этой характеристике удобно рассмотреть принцип выбора рабочей точки усилител , харак- теризубщейс  рабочим напр жением Upa6. на выходе исправного операционного уси- лител  .в режиме дежурства, Если задатьс  допустимым отклонением контрольного сигнала, равным Ли, т.е. прин ть ширину зоньг нечувствительности при диагностике

равной 2 Ли, то веро тность невы влени  повреждени  операционного усилител  пропорциональна заштрихованной на фиг. 4 площади. Веро тность же того, что неисправность будет вы влена, равна

Upa6 + Ли

Рь 1- /f(q)dU. (1)

ираб-Ли

То есть веро тность того, что неисправность будет вы влена, пропорциональна той площади фигуры, лежащей под кривой плотности веро тности f(q) и ограниченной осью координат напр жений U, котора  находитс  за пределами зоны нечувствительности диагностического устройства. Отсюда  сно, что дл  повышени  контролепригодности , мерой которой в рассматриваемом случае можно считать веро тность Рв, необходимо уменьшить ширину зоны нечувствительности 2 Ли и разместить рабочую точку Ураб. на таком уастке характеристики f(q), где плотность веро тности f(q) сигнала, соответствующего поврежденному контролируемому блоку (в нашем случае - компаратору), минимальна.

Дл  того, чтобы в соответствии с описанным выше сместить рабочую точку операционного усилител , в предлагаемом компараторе дл  релейной защиты схема изменена так, как показано на фиг. 1. Рассмотрим операционный усилитель 1 со вспомогательными элементами, В цепь отрицательной обратной св зи введена цепочка из последовательно включенных резистора 5 и диода 4. Когда диод 4 открыт, операционный усилитель 1 работает в режиме линейного усилени  сигнала, когда диод 4 закрываетс , операционный усилитель 1 переходит в в режим компаратора. Положение рабочей точки компаратора Upa6. обеспечиваетс  выбором величин резисторов 3 и 5. При этом сопротивление резистора 3 можно, например, прин ть примерно в два раза больше сопротивлени  резистора 5. Тогда при входном напр жении компаратора , равном нулю, напр жение на выходе усилител  1 равно половине опорного напр жени  Uon. При опорном напр жении положительного сигнала знак напр жени  LJ1 на выходе операционного усилител  1 отрицательный. Диод 18 при этом закрыт и напр жение U2 на выходе компаратора равно нулю. При росте величины напр жени  Uex (отрицательного знака) на входе компаратора , напр жение Ui на выходе операционного усилител  1 линейно измен етс  до нул  (фиг, 5), при этом напр жение Uz на

выходе компаратора остаетс  равным нулю, поскольку диод 18 остаетс  закрытым.

Примем допущение о том, что диод 4 - идеальный, то есть открываетс  и закрываетс  при изменении знака напр жени  на нем, причем порог открыти  равен нулю. Тогда как только знак напр жени  на выходе операционного усилител  1 изменитс  на положительный, диод 4 (закроетс , операционный усилитель 1 перейдет в режим компаратора и напр жение на его выходе Ui скачком увеличитс  до напр жени  насыщени  1)макс. (фиг. 5). Открываетс  диод 18 и напр жение на выходе компаратора скачком увеличивает  до максимума (фиг. 5). Напр жение срабатывани  компаратора Ucp. можно определить из следующего выражени :

Ucp. -Uc

R2 fb

(2)

где R2, Ra - сопротивление резисторов 2 и 3 соответственно.

Введение цепи обратной св зи из резистора 5 и диода 4 позволило, как описано выше, сместить сигналом от источника опорного напр жени  через резистор 3 рабочую точку операционного усилител  1 в исходном режиме дежурства так, как это показано на фиг;4. Теперь в несрэботавшем состо нии компаратора напр жение Ui на выходе операционного усилител  1 равн етс  не напр жению насыщени , а существенно меньше его. Если приближенно считать, что при повреждении операционного усилител  1 его выходное напр жение может прин ть только какое-то одно из двух

ПРОДОЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ Умакс. ИЛИ UMHH.,TO

при любом повреждении операционного усилител  напр жение на его выходе значительно измен етс  по отношению к исходному и этот признак можно использовать дл  вы влени  возникшей неисправности. Трудность при этом заключаетс  в том, что в режиме дежурства входное напр жение компаратора во многих устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики эенргосистем может существенно измен тьс , хот  и не достигать порога срабатывани . При изменении величины входного сигнала компаратора напр жение на выходе операционного усилител  Т также будет значительно измен тьс  и трудно будет определить, по какой причине измен етс  это напр жение - из-за повреждени  операционного усилител  или из-за изменени  входного сигнала компаратора. Дл  устранени  возникшей трудности в состав

компаратора введен второй операционный усилитель 6 с такими же вспомогательными элементами, как у операционного усилител  1. Теперь изменение напр жений на выхо- 5 дах операционных усилителей будет одинаковым , если они исправны, а измен етс  лишь входное напр жение компаратора.

Если же один из операционных усилителей 1 или 7 повреждаетс , то возникает зна0 чительна  разница напр жений на их выходах и по этому признаку можно однозначно судить о по влении неисправности. Именно в этом и заключаетс  функци  блока 16 контрол  исправности.

5 При наличии двух однотипных схем (каналов ), построенных на операционных усилител х 1 и б возникает возможность, по-разному св зать их выходы. На фиг. 1 показана схема элемента объединени  13,

0 реализующего логическую функцию ИЛИ. При срабатывании любого из каналов компаратора (операционного усилител  1 или 6) открываетс  соответствующий ему диод 18 или 20 и на выходе компаратора (основном

5 выходе элемента 13 объединени ) по вл етс  выходной сигнал. Резисторы 17 и 19 предохран ют операционные усилители 1и 6 от перегрузки током при коротком замыкании на выходе компаратора.

0Контроль величин напр жений на контрольных выходах элементов 13 объединени  позвол ет по разности этих напр жений вы вл ть, например, повреждени  типа короткого замыкани  в диодах

5. 18, 20. Эту функцию также выполн ет блок контрол  исправности.

При таком параллельном включении двух каналов компаратора (операционных усилителей 1 и 6) значительно возрастает

0 надежность срабатывани  компаратора. Надежность же несрабатывани  может оказатьс , дл  некоторых устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем недостаточной. В этом случае

5 можно примен ть схему элемента объединени  13. изображенную на фиг. 2. Эта схема реализует логическую операцию И. Сопротивлени  резисторов 23 и 27 выбираютс  здесь равными и, например, на пор 0 док выше сопротивлений резисторов 24 и

.28, которые тоже равны между собой. Если

оба операционных усилител  (оба канала

компаратора) наход тс  в несработавшем

состо нии, то напр жени  на выходах уси5 лителей 1 и 6 имеют отрицательный знак. Диоды 21.25 закрыты, диоды 22 и 26 открыты . Открыт и диод 29, в результате чего резисторы 24 и 28 обтекаютс  значительным током и на них падает практически все напр жение , снимаемое с выходов операционных усилителей 1 и 6 соответственно. Напр жение на выходе компаратора (на основном выходе элемента 13 объединени ) близко к нулю.

Если из-за поверждени  в схеме сработал один канал компаратора (изменилось до предельного положительного значени  Умакс. напр жение на выходе операционного усилител  1 или 6), то сигнал на выход компаратора также не проходит. Если, например , вышел из стро  операционный усилитель 1 и сигнал на его выходе стал равным Умэхс., то открываетс  диод 21. Диод 26 также остаетс  открытым, так как напр жение на выходе операционного усилител  6 имеет отрицательный знак. Пренебрега  падением напр жени  на диодах и на внутренних сопротивлени х выходных каскадов усилителей 1 и 6, получим следующее выражение дл  определени  напр жени  на выходе компаратора Увых.:

IIII Умакс + Уб г, Увых: Умакс. - R23 №)

где Уе - модуль напр жени  на выходе операционного усилител  6;

R23- R28 - величины сопротивлений резисторов 23 и 28 соответствено.

Но поскольку R23 R28, уравнение (3) преобразуетс  следующим образом:

Ув

Умакс. UN

Уб -Уб.

Т.е. напр жение на выходе компаратора стремитс  приблизитьс  к отрицательному потенциалу на выходе неповрежденного операционного усилител  б и будет, как и в предыдущем случае, шунтироватьс  диодом 29. На выходе когмпаратора напр жение в рассматриваемом случае по-прежнему будет близко к нулю.

И лишь в случае одновременного срабатывани  обоих каналов компаратора на его выходе по витс  сигнал. Это видно из следующего . При по влении продольных положительных сигналов на выходах операционных усилителей 1 и 6 открываютс  диоды 21 и 25, закрываютс  диоды 22.26, 29. На выходе компаратора по вл тс  сигнал .

При таком включении значительно повышаетс  надежность несрабатывани  компаратора ,

В принципе в качестве элемента 13 объединени  можно было бы применить логические схемы, реализующие соответствующие логические функции ИЛИ и И, Однако используемые в насто щее врем  дл  этой

цели стандартные логические элементы содержат значительное количество полупроводниковых элементов - транзисторов и диодов, контроль их исправностии в режиме

дежурства был бы затруднен и надежность компаратора значительно снизилась бы.

На фиг. 3 приведена одна из возможных схем блока контрол  исправности 16. Этот блок преднэзачен дл  контрол  исправно0 сти не только предлагаемого компаратора, но и всего сменного модул  и устройства релейной защиты или противоаварийной автом-атики энергосистем, в состав которых входит предлагаемый компаратор. Опыт ра5 боты показывает, что обычно количество комплектующих элементов, вход щих в состав блока контрол  исправности, не превышает 15-20% от общего состава контролируемого сменного модул , устрой0 ства защиты или автоматики. Предлагаемый же компаратор будет только частью общей схемы такого устройства. Поэтому относительно высока  сложность блока контрол  исправности по отношению ко всей схеме

5 предлагаемого компаратора не приведет к трудност м его применени .

Блок 16 контрол  исправности содержит два сумматора с одинаковыми характе- ристиками - один на операционном

0 усилителе 30, другой - на операционном усилителе 35. Входы 14 первого сумматора подключаютс  к контрольным точкам первого канала предлагаемого компаратора (фиг.1), входы 15 второго сумматора подклю5 чаютс  к контрольным точкам второго канала компаратора. Поскольку каналы предлагаемого компаратора выполнены идентично, напр жени  на их контрольных точках в режиме дежурства также равны.

0 Поэтому сигнал с операционного усилител  30, поступающий через регулируемый резистор 37 на инвертирующий вход операционного усилител  35, по величине равен, а по знаку противоположен сумме сигналов, по5 ступающих на входы 15 в режиме дежурства исправного компаратора. Регулиру  положени  движков резистора 27 и потенциометра 39 в процессе настройки блока 16 контрол  исправности, добиваютс  того, что

0 при равенстве сигналов, поступающих на входы 14 и 15 напр жение на выходе операционного усилител  35 остаетс  равным нулю . При этом сигнал, снимаемый с потенциометра 39, позвол ет скомпенсиро5 вать на нуль первоначальное смещение нул  выходных сигналов операционных усилителей 30 и 31, а сигнал, поступающий через регулируемый резистор 37 обеспечивает равенство нулю выходного сигнала операционного усилител  35 при одинаковых изменени х величин сиг налов, поступающих на входы 14 и 15. На базе операционного усилител  41 построена схема элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР. Порог срабатывани  этого элемента обеспечиваетс  сигналами, снимаемыми с делителей , состо щих из резисторов 46.47 и 48,49. В исходном состо нии эти сигналы вызывают на выходе операционного усилител  41 предельное по величине напр жение положительного знака. Диод 51 в этом состо нии открыт и все напр жение; имеющеес  на выходе усилител  41 в рассматриваемом режиме падает на резисторе 50. Цепочка из балластного резистора 52 и светодиода 53 включена параллельно диоду 51. Светодиод 53 предназначен дл  сигнализации сработавшего состо ни  элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР , то есть по влени  на выходе операционного усилител  41 предельного по величине напр жени  отрицательной пол рности.

Срабатывание элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР на базе операционного усилител  41 происходит следующим образом. Если на выходе операционного усилител  35 начинает расти напр жение, то, в зависимости от его знака, открываетс  один из диодов 43 или 45 Если напр жение на выходе усилител  35 имеет положительный знак, то открываетс  диод 45 и сигнал положительного знака поступает на инвертирующий вход операционного усилител  41, стрем сь перевести его в сработавшее состо ние. Если поступивший сигнал превышает порог срабатывани , то так и происходит - на выходе операционного усилител  41 по вл етс  предельное по величине напр жение отрицательного знака, закрываетс  диод 51, начинает светитьс  светодиод 53. То же самое произойдет, если на выходе операционного усилител  35 по вл етс  сигнал отрицательного знака, превосход щий по величине порог срабатывани  элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР, построенного на базе операционного усилител  41, только открываетс  при этом диод 43 и сигнал с выхода операционного усилител  35 поступает на неинвертирующий вход операционного усилител  41.

Описанна  часть блока 1$ контрол  исправности предназначена дл  контрол  исправности одного сменного модул  (платы) устройства релейной защиты или противо- аварийной автоматики энергосистем. Желательно и размещать эти элементы блока 16 на том же сменном модуле, исправность которого они контролируют, и в состав которого входит предлагаемый компаратор дл  релейной защиты. На этом же сменном модуле располагаютс  и другие элементы и блоки релейной защиты и автоматики. Их контрольные точки (выходы микросхем, выводы транзисторов, реле и других элемен- 5 то в схемы) соедин ютс  с остальными свободными входами 14 и 15 аналогично рассмотренному выше.

Элемент же выдержки времени 56 и собранный на диодах 54,55 элемент ИЛИ при0 надлежат всему контролируемому устройству релейной защиты или противо- аварийной автоматики энергосистем в целом . С каждого сменного модул  контролируемого устройства сигнал заво5 дитс  на свой диод 55. При срабатывании любого элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР типа рассмотренного выше и построенного на базе операционного усилител  41. сигнал через соответствую0 щий диод 54 или 55 поступает на вход элемента выдержки времени 56 и запускает его. Через 10-15 секунд на выходе элемента выдержки времени 56 по вл етс  сигнал, котрый высвечивает на щите управлени 

5 табло ЗАЩИТА НЕИСПРАВНА.

Рассмотрим работу блока 16 контрол  исправности совместно с предлагаемым компаратором дл  релейной защиты. Если предлагаемый компаратор исправен, то в

0 режиме дежурства сигналы, поступающие на входы 14 и 15, попарно равны друг другу и уравновешиваютс  в сумматоре, построенном на базе операционного усилител  35. Нет напр жени  на выходе элемента ВЫ5 ПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР (на диоде 51). не светитс  светодиод 53, нет сигналов на входе и выходе элемента 56 выдержки времени .

Если вышел из стро  один из операци0 онных усилителей 1 или 6. повредилс  один из резисторов 3, 8, 5, 9, произошел обрыв одного из диодов 4, 10 или короткое замыкание одного из диодов 18, 20, то соответствующий сигнал, поступающий на вход блока

5 16 контрол  исправности, измен етс . Нарушаетс  баланс сигналов на сумматоре, построенном на операционном усилителе 35, и на его выходе .по вл етс  значительный по величине сигнал. Срабатывает эле0 мент ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР и на выходе операционного усилител  41 по вл етс  предельный по величине сигнал отрицательной пол рности. Начинает светитьс  светодиод 53, сигнализиру  по5 вредившийс  сменный модуль контролируемого устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем . Запускаетс  элемент 56 выдержки времени и через 10-15 секунд выдает сигнал , который высвечивает табло ЗАЩИТА

НЕИСПРАВНА. По этому сигналу бригада обслуживающего персонала прходит к месту установки контролируемой защиты, по свечению светодиода 53 вы вл ет поврежденный сменный модуль и замен ет его на исправный.

При возникновении режимов тревоги, та есть, например, при коротких замыкани х в силовой сети вблизи места установки контрлируемого устройства релейной защи- ты или противоаварийной автоматики энергосистем , в состав которого входит предлагаемый компаратор, на врем  тревоги баланс сигналов на операционном усилителе 35 может нарушитьс , но сигнал о неисправности устройства защиты или автоматики не будет выдан, так как выдержка времени элемента 56 выбираетс  с запасом больше времени существовани  режима тревоги.

В блоке контрол  исправности 16 также могут возникать неисправности. Больша  часть их тут же вы вл етс  и приводит к срабатыванию этого блока и выдаче сигнала о неисправности защиты, после чего, как описано выше, производщитс  замена поврежденного сменного модул  устройства .защиты или автоматики вместе с входными элементами блока 16 контрол  исправности на исправный.

К Этаким вы вл емым неисправност м относ тс  повреждени  резисторов 31, 32, 36, 37, 38, 39, операционных усилителей 30, 35, примерно половина повреждений операционного усилител  41 (при которой на выходе этого усилител  по вл етс  значительный по величине сигнал отрицательной пол рности) и т.д.

Дл  современного вы влени  остальных неисправностей блока 16 контрол  ис- правности предусмотрена электрическа  кнопка 34. При нажатии этой кнопки скачком измен ютс  напр жени  на выходах операционных усилителей 30, 35, по вл етс  предельное напр жение отрицательной пол рности на выходе операционного усилител  41, начинает светитьс  светодиод 53 и запускаетс  элемент 56 выдержки времени . Через 10-15 секунд должно высветитьс  табло ЗАЩИТА НЕИСПРАВНА. Если все произошло в соответствии с описанным, то блок 16 контрол  исправности можно считать исправным, иначе - неисправным.

Из описанного  сно, что контроль исправности предлагаемого компаратора дл  релейной защиты ведетс  в режиме дежурства , когда на предлагаемый компаратор воздействуют естественные рабочие сигналы , поступающие через другие блоки устройства защиты или автоматики от

обслуживаемого ими силового объекта. На контрольных точках компаратора измер ютс  контрольные сигналы и на выходе опе- рационного усилител  35 (фиг. 3) формируетс  сигнал комбинированной контрольной очки. Полученный сигнал комбинированной контрольной точки сравниваетс  по модулю с порогом срабатывани  элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР , построенного на базе операционного усилител  41, и, в случае выхода сигнала комбинированной контрольной точки за допустимые границы в течение времени, не меньшего выдержки элемента 56, формируетс  сигнал о неисправности компаратора. При этом выдержка времени элемента 56 принимаетс  с запасом больше максимально возможного времени режиме тревоги. Дл  повышени  контролепригодности предлагаемого компаратора дл  релейной защиты его рабоча  точка (напр жение на выходах операционных усилителей 1 и 6} в режиме дежурства смещаетс  с помощью сигнала, поступающего от источника опорного сигнала через резисторы 3 и 8 в область с минимальной плотностью веро тности контрольных сигналов, соответствующих поврежденному компаратору (фиг. 4).

В предлагаемом компараторе имеютс  два идентичных канала, сигналы на контрольных точках которых одинаково измен ютс , в режиме дежурства дежурства исправного компаратора. Поэтому сигнал комбинированный контрольной точки (напр жение на выходе операционного усилител  35, фиг. 3) формируетс  как сумма разностей параметров сигналов на однотипных контрольных точках.

Кроме предлагаемого компаратора на том же сменном модуле защиты или автоматики могут располагатьс  другие элементы и блоки. Если сигналы на их контрольных точках не измен ютс  в режиме дежурства, то эти контрольные точки можно подключить , например, ко входами 15 (фиг. 1), а соответствующий суммарный сигнал уравновесить в процессе настройки сигналом, снимаемым с потенциометра 39. В этом случае сигнал комбинированной контрольной точки будет формироватьс  как сумма вз тых с определенными весами контрольных сигналов. Бывают такие схемы релейной защиты и противозварийной автоматики энергосистем, в которых в режиме дежурства входной сигнал компаратора практически равен нулю и не может существенно возрастать. В таком случае также можно не использовать входы 14, а подключить контрольные точки предлагаемого компаратора дл  релейной защиты лишь ко входами 15.

В некоторых из таких случаев можно отказатьс  и от второго канала предлагаемого компаратора, а использовать только один.

Из приведенного выше описани  очевидно , что предлагаемый компаратор дл  релейной защиты обладает высокой контролепригодностью и имеет большую полноту проверки исправности. Прототип вообще не имел самопроверки исправности и повреждение практически каждого комплектующего элемента могло привести к его отказу в функционировании.

При этом отказ в срабатывании компаратора-прототипа происходит, как минимум , со следующей интенсивностью:

Яос 0,5Яоу + Якзрез .

где 0,5 Яоу- половина интенсивности отказов операционного усилител ;

интенсивность повреждений типа короткое замыкание резистора (в рассматриваемом случае - в цепи опорного сигнала).

Следует учесть, что эти отказы в режиме дежурства в принципе не могут быть вы влены , так как не привод т к изменению напр жени  на контрольной точке (на выходе операционного усилител ).

Ложные срабатывани  компаратора- прототипа происход т со следующей интенсивностью:

Яле 0,5 Яоу + Яобр.рез + Якз диоба где Яобр.рез.- интенсивность обыва резистора (в данном случае - в цепи опорного сигнала );

Якз диода - интенсивность повреждени  типа короткое замыкание диода (в данном случае того, катод которого соединен с выходом операционного усилител ).

Ложные срабатывани  в компараторе- прототипэ тоже не вы вл ютс , но в принципе могли бы быть вы влены в режиме дежурства внешними диагностическими средствами.

Статистические данные, собранные по устройствам релейной защиты и прртиво- аварийной автоматики энергосистем, дают следующие интенсивности отказов рассматриваемых комплектующих элементов:

Яоу 0,002 1/год;

Адиодэ 0,0001 1/год, из них 20% - обрывы, 80% - короткие замыкани ;

Ярезистора 0,00005 1/ГОД. ИЗ них 80% обрывы , 20% - короткие замыкани ,

С учетом этих данных дл  прототипа

получаем Ясс Алс

:°-001гЪд

В предлагаемом компараторе при использовании схемы элемента объединени  по фиг. 1 с учетом быстрого восстановлени  исправности компаратора после выдачи сигнала о его неисправности от блока 16 контрол  исправности получаем:

1

Яос 0 ; Яле Яоу + 2 Яобр.рез 0,002

год

При тех же услови х в предлагаемом компараторе, при использовании схемы элемента объединени  по фиг.2 имеем:

Яос

: 2 Якздиода + 2 Яобр.реэ - 0,00024 --

Яле 0 .

Таким образом, при использовании схемы элемента 13 объединени  по фиг. 2 интенсивность отказов компаратора в срабатывании уменьшаетс  по сравнению с прототипом в 4 раза, а интенсивность ложных срабатываний - практически до нул . Поскольку схема предлагаемого компаратора значительно сложнее, чем схема прототипа , получаемый результат го-ворит о гораздо более высокой, чем в прототипе контролепригодности и большой полноте проверки исправности (котора  в прототипе совсем отсутствовала).

Схему же элемента 13 объединени  по фиг. 1 следует примен ть лишь в тех случа х , когда схема устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем предусматривает по принципу действи  внешнее резервирование ложных срабатываний компаратора.

Применение предлагаемого компаратора повышает надежность устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем, в которых примен ютс  такие компараторы. Это в свою очередь приведет к повышению надежности функционировани  таких устройств и всей энергосистемы в целом.

Формулайзобретен и  

Claims (3)

1, Компаратор дл  релейной защиты, содержащий первый операционный усилитель , неинвертирующий вход которого

соединен с общей шиной, инвертирующий вход через первый резистор соединен с входом компаратора и через второй резистор с шиной источника опорного напр жени , первый диод, катод которого соединен с выходом первого операционного усилител , а анод - с первым выводом третьего резистора , а также второй диод, о т л и ч а ю щ и и- с   тем, что, с целью повышени  надежности , в него введены второй операционный усилитель, три резистора и элемент объединени , причем второй вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом первого, операционного усилител , неинвертирующий вход второго операционного усилител  соединен с общей шиной, а его инвертирующий вход через четвертый резистор соединен с входом компаратора, а через п тый резистор - с шиной источника опорного напр жени , выход второго операционного усилител  соединен с его инвертирующим входом через последовательно соединенные шестой резистор и второй диод в обратном включении, выходы обоих операционных усилителей соединены соответственное первым и вторым входами элемента объединени  и первым и вторым контрольными выходами компаратора, выход Элемента объединени  соединен с сигнальным выходом компаратора, а .контрольные выходы элемента объедине- ни  соединены с соответствующими выходами компаратора.

2. Компаратор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с   тем, что, с целью снижени  веро тности несрабатывани , элемент объединени  содержит последовательно соединенные седьмой резистор и третий диод в пр мом включении, соедин ющие первый вход элемента объединени  с его выходом, и последовательно соединенные восьмой резистор

и четвертый диод в пр мом включении, соедин ющие второй вход элемента объедине- ни  с его выходом, причем объединенные выводы седьмого резистора и третьего диода соединены с первым контрольным выходом элемента объединени , а объединенные выводы восьмого резистора и четвертого диода соединены с вторым контрольным выходом элемента объединени .

3. Компаратор по п, 1, о т л и ч а ю щ и й- с   тем, что, с целью снижени  веро тности ложного срабатывани , элемент объединени  содержит п тый и шестой диоды, одни разноименные выводы которых соединены с первым входом элемента объединени , а другие соответственно через дев тый и дес тый резисторы соединены с выходом элемента объединени , седьмой и восьмой дмоды, одни разноименные выводы которых соединены с вторым входом элемента объединени , а другие соответственно через одиннадцатый и двенадцатый резисторы соединены с выходом элемента объединени , дев тый, диод, подключенный катодом к выходу элемента объединени , а анодом - к общей шине, причем объединенные выводы п того диода и дев того резистора соединены с первым контрольным выходом элемента объединени , объединенные выводы шестого диода и дес того резистора - с его вторым контрольным выходом, объединенные выводы седьмого диода и одиннадцатого резистора - с его третьим выходом и объединенные выводы восьмого диода и двенадцатого резистора - с его четвертым выходом.На сигнал о неисправности

Фие.З

(it

11ЫХ

- ---- -- U-fiaxc