Компаратор для релейной защиты

СО 1 ОЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 19) (11) 51)5 С 05 В 1/О НТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКО ТЕЛ ЬСТВ(57) Использование: изобрек контрольно-иэмерителпредназначено для повышеузлов, блоков релейной зааварийной автоматики эненость изобретения; корелейной защиты содержиных усилителя (1, 6), 6 рези8,9),2 диода(4, 10), и 1 элем(13). 2 3.и. ф-л ы, 5 ил,ОИ ЗАЩИ ии электротехническ и О,В,Викторо свидетельство О 05 В 1/01, 1 свидетельство О 05 В 1/01, 19 84ССР4, протоперативной защитзвестият, 1989, М и го и АН(56) АвторскоеМ 1233096,клАвторскоеМ 1191882, кл.Шалин А,контроля исправтоматики эСССР, Энергес, 28-38,тение относится ной технике и ния надежности щиты и противоргосистем Гущмпаратор для т 2 операционсторов (2, 3, 5, 7, ентобьединенияНЕИСПРАВНА". По этому сигналу бригадаобслуживающего персонала прходит к месту установки контролируемой защиты, посвечению светодиода 53 выявляет поврежденный сменный модуль и заменяет его наисправный.При возникновении режимов тревоги,то есть, например, при коротких замыканиях в силовой сети вблизи места установкиконтрлируемого устройства релейной защи, ты или противоаварийной автоматики энергосистем, в состав которого входитпредлагаемый компаратор, на время тревоги баланс сигналов на операционном усилителе 35 может нарушиться, но сигнал онеисправности устройства защиты или автоматики не будет выдан, так как выдержкавремени элемента 56 выбирается с запасомбольше времени существования режиматревоги,В блоке контроля исправности 16 такжемогут возникать неисп равности. Бол ьшаячасть их тут же выявляется и приводит ксрабатыванию этого блока и выдаче сигналао неисправности защиты, после чего, какописано выше, производщится замена поврежденного сменного модуля устройствазащиты или автоматики вместе с входнымиэлементами блока 16 контроля исправностина исправный,К таким выявляемым неисправностямотносятся повреждения резисторов 31, 32,36, 37, 38, 39, операционных усилителей 30,35, примерно половина повреждений операционного усилителя 41 (при. которой навыходе этого усилителя появляется значительный по величине сигнал отрицательнойполярности) и т.д,Для современного выявления остальных неисправностей блока 16 контроля исправности предусмотрена электрическаякнопка 34. При нажатии этой кнопки скачком изменяются напряжения на выходахоперационных усилителей 30, 35, появляется предельное напряжение отрицательнойполярности на выходе операционного усилителя 41, начинает светиться светодиод 53и запускается элемент 56 выдержки времени. Через 10 - 15 секунд должно высветитьсятабло "ЗАЩИТА НЕИСПРАВНА". Если всепроизошло в соответствии с описанным, тоблок 16 контроля исправности можно считать исправным, иначе - неисправным.Из описанного ясно, что контроль исправности предлагаемого компаратора длярелейной защиты ведется в режиме дежурства, когда на предлагаемый компараторвоздействуют естественные рабочие сигналы, поступающие через другие блоки устройства защиты или автоматики от51015 обслуживаемого ими силового объекта. На контрольных точках компаратора измеряются контрольные сигналы и на выходе операционного усилителя 35 (фиг. 3) формируется сигнал комбинированной контрольной очки. Полученный сигнал комбинированной контрольной точки сравнивается по модулю с порогом срабатывания элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР, построенного на базе операционного усилителя 41, и, в случае выхода сигнала комбинированной контрольной точки за допустимые границы в течение времени, не меньшего выдержки элемента 56, формируется сигнал о неисправности компаратора. При этом выдержка времени элемента 56 принимается с запасом больше максимально возможного времени режиме тревоги, Для повышения контролепригодности пред 20 лагаемого компаратора для релейной защиты его рабочая точка (напряжение навыходах операционных усилителей 1 и 6) врежиме дежурства смещается с помощьюсигнала, поступающего от источника опор 25 ного сигнала через резисторы 3 и 8 в областьс минимальной плотностью вероятностиконтрольных сигналов, соответствующихповрежденному компаратору (фиг. 4),В предлагаемом компараторе имеются30 два идентичных канала, сигналы на контрольных точках которых одинаково изменяются в режиме дежурства дежурстваисправного компаратора. Поэтому сигналкомбинированный контрольной точки (на 35 пряжение на выходе операционного усилителя 35, фиг. 3) формируется как суммаразностей параметров сигналов на однотипных контрольных точках,Кроме предлагаемого компаратора на40 том же сменном модуле защиты или автома- .тики могут располагаться другие элементыи блоки, Если сигналы на их контрольныхточках не изменяются в режиме дежурства,то эти контрольные точки можно подклю 45 чить, например, ко входами 15 (фиг. 1), асоответствующий суммарный сигнал уравновесить в процессе настройки сигналом,снимаемым с потенциометра 39. В этом случае сигнал комбинированной контрольной50 точки будет формироваться как сумма взятых с определенными весами контрольныхсигналов. Бывают такие схемы релейной защиты и противоаварийной 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 компараторадля релейной защиты лишь ко входами 15,21 22 1797092 50 55 В некоторых из таких случаев можно отказаться и от второго канала предлагаемогокомпаратора, а использовать только один,Из приведенного выше описания очевидно, что предлагаемый компаратор для 5релейной защиты обладает высокой контролепригодностью и имеет большую полнотупровери исправности, Прототип вообще неимел самопроверки исправности и повреждение практически каждого комплектующего элемента могло привести.к его отказу вфункционировании.При этом отказ в срабатывании компаратора-прототипа происходит, как минимум, со следующей интенсивностью: 15ос =0,5 Лоу +Лкзрез фгде 0,5 Лоу- половина интенсивности отказов операционного усилителя;Лкзрез интенсивность повреждений типа "короткое замыкание" резистора (в рассматриваемом случае - в цепи опорногосигнала),Следует учесть, что эти отказы в режимедежурства в принципе не могут быть выявлены, так как не приводят к изменению напряжения на контрольной точке (на выходеоперационного усилителя),Ложные срабатывания компараторапрототипа происходят со следующей интенсивностью:Ллс = 0,5 Лоу + Зобр.рез + Лкз диобаГДЕ Лобр,рез ИНтЕНСИВНОСтЬ ОбЫВа РЕЗИСтОра (в данном случае - в цепи опорного сигнала);.типа "короткое замыкание" диода(вданномслучае того, катод которого соединен с выходом операционного усилителя),Ложные срабатывания в компараторепрототипа тоже не выявляются, но в принципе могли бы быть выявлены в режимедежурства внешними диагностическимисредствами,Статистические данные, собранные поустройствам релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем, даютследующие интенсивности отказов. рассматриваемых комплектующих элементов;Яоу= 0,002 1/год; Формула изобретения 1, Компаратор для релейной защиты. содержащий первый операционный усилитель, неинвертирующий вход которого Лдиода = 0 0001 1/год, из них 20;6 обрывы, 80 - короткие замыкания;Лрезистора = 0,00005 1/год. из них 80 6 - обрывы, 20 - короткие замыкания,С учетом этих данных для прототипа1получаем Лос =Ллс 0 001годВ предлагаемом компараторе при использовании схемы элемента объединения по фиг. 1 с учетом быстрого восстановления исправности компаратора после выдачи сигнала о его неисправности от блока 16 контроля исправности получаем;Мос = 0Ллс = Моу + 2 Лобр.рез = 0,0021годПри тех же условиях в предлагаемом компараторе, при использовании схемй элемента объединения по фиг,2 имеем:1 4 с .= 2 Лкздиода + 2 Аобр.рез = 0,00024годЛлс =О.Таким образом, при использовании схемы элемента 13 объединения по фиг, 2 интенсивность отказов компаратора в срабатыванииуменьшается по сравнению с прототипом в 4 раза, а интенсивность ложных срабатываний - практически до нуля, Поскольку схема предлагаемого компаратора значительно сложнее, чем схема прототипа, получаемый результат говорит о гораздо более высокой, чем в прототипе контролепригодности и большой полноте проверки исправности (которая в прототипе совсем отсутствовала).Схему же элемента 13 объединения по фиг. 1 следует применять лишь в тех случаях, когда схема устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем предусматривает по принципу действия внешнее резервирование ложных срабатываний компаратора.Применение предлагаемого компаратора повышает надежность устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем, в которых применяются такие компараторы, Это в свою очередь. приведет к повышению надежности функционирования таких устройств и всей энергосистемы в целом. соединен с общей шиной, инвертирующий входчерез первый резистор соединен с входом компаратора и через второй резистор с шиной источника опорного напряжения, первый диод, катод которого соединен с вы 1797092 24ходом первого операционного усилителя, а анод - с первым выводом третьего резистора, атакже второй диод, отл ич а ю щийс я тем, что, с целью повышения надежности, в него введены второй операционный усилитель, три резистора и элемент объединения, причем второй вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом первого. операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, а его инвертирующий вход через четвертый резистор соединен с входом компаратора, а через пятый резистор - с шиной источника опорного напряжения, выход второго операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом через последовательно соединенные шестой резистор и второй диод в обратном включении, выходы обоих операционных усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами элемента объединения и первым и вторым контрольными выходами компаратора, выход элемента обьединения соединен с сигнальнымвыходом компэратора, а .контрольные выходы элемента объединения соединены с соответствующими выходами компаратора,2, Компаратор по п, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения вероятности несрабатывания, элемент объединения содержит последовательно соединенные седьмой резистор и третий диод в прямом включении, соединяющие первый вход элемента объединения с его выходом, и последовательно соединенные восьмой резистор и четвертый диод в прямом включении, соединяющие второй вход элемента обьедине-ния с его выходом, причем обьединенные выводы седьмого резистора и третьего диода соединены с первым контрольным выходом элемента объединения, аобъединенные выводы восьмого резистораи четвертого диода соединены с вторым контрольным выходом элемента объединения,3. Компаратор по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения вероятности ложного срабатывания, элемент объединения содержит пятый и шестой диоды, одни разноименные выводы которых соединеныс первым входом элемента объединения, а другие соответственно через девятый и десятый резисторы соединены с выходом элемента объединения, седьмой и восьмой диоды, одни разноименные выводы которыхсоединены с вторым входом элемента объединения, а другие соответственно черезодиннадцатый и двенадцатый резисторы соединены с выходом элемента объединения, девятый диод, подключенный катодомк выходу элемента объединения, а анодом - к общей шине, причем объединенные выводы пятого диода и девятого резистора соединены с первым контрольным выходомэлемента объединения; объединенные выводы шестого диода и десятого резистора - с его вторым контрольным выходом, объединенные выводы седьмого диода и одиннадцатого резистора - с его третьим выходом и объедийенные выводы восьмого диода и двенадцатого резистора - с его четвертым ВЫХОДОМ.Юхойг Ф ион Составитель А.ШалинТехред М,Моргентал Корректор С,Л Редактор Т,Поли ва Тираж, Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/51Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначенодля повышения надежности узлов, блоков,модулей и плат релейной защиты и противоавариной автоматики энергосистем, выполненных на активных полупроводнико- выхэлементах, 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 противоаварийной автоматики энергосистем, обладая высоким техническим совершенством, отличаются довольно высокой 15сложностью и, следовательно, низкой надежностью. По статистическим данным такие устройства отказывают в 10 - 20 разчаще, чем традиционные электромеханические реле, Ущерб от снижения неадежности 20разрабатываемых устройств может скомпенсировать, а в некоторых случаях - дажепревысить положительный эффект от повышения их технического совершенства, Сцелью повышения надежности могут быть 25использованы такие элементы устройств релейной защиты, которые обладают высокойконтролепригодностью, Контроль исправности таких устройств в режиме дежурствапозволит обеспечить высокую надежность З 0релейной защиты и автоматики энергосистем.Известен компаратор напряжения; содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый З 5резистор подключен к источнику входногосигнала, а выход операционного усилителячерез второй резистор подключен к инвертирующему входу и к первому выводу третьего резистора, четвертый резистор, 40последовательно соединенные первый ивторой инверторы и первый интегратор, последовательно соединенные третий инвертор и второй интегратор, выход которогосоединен с вторым выводом третьего резистора, а вход третьего инвертора подключенк выходу операционного усилителя и входупервого инвертора, при этом выход первогоинтегратора подключен к инвертирующемувходу операционного усилителя через четвертый резистор, а выход первого инверто- .ра соединен с выходной шиной (1),Недостатком описанного компаратора является отсутствие самопроверки его исправности, Вследствие этого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и связей длительное время не выявляются и могут привести к отказу в функционировании компаратора. Известен также компаратор, содержащий два операционных усилителя, одни входы которых через резисторы соединены систочниками входного и опорного напряжений, соединяющие первый и второй входыкаждого операционного усилителя, повторитель, инвертор и дизьюнктор, причем другие входы операционных усилителей черезрезисторы соединены с источником сеще- .ния, а выходы первого операционного усилителя через инвертор, а второго черезповторитель соединены со входами дизъюнктора,Недостатком описанного компаратора,как и предыдущего, является отсутствие самопроверки его исправности, Вследствиетого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и связей длительноевремя не выявляются и могут привести котказу в функционировании компаратора.Известен также двухканальный компаратор, содержащий два компаратора, первые входы которых объединены, задатчикпервого входного сигнала, источник опорного напряжения, один вывод которого соединен с земляной шиной, задатчик вороговходного сигнала, два реле, каждое с двумягруппами контактов, и элемент ИЛИ, выходкоторого является выходом компаратора, авходы соединены соответственно с замыкающими контактами ворых контактных групппервого и второго реле, обмотки которыходним выводом соединены с земляной шиной, а вторым выводом - с замыкающимиконтактами вторых контактных групп соответственно второго и первого реле, якоривторых контактных групп которых соединены с выходами соответственно второго ипервого компараторов, первые входы которых соединены с вторым выводом источника опорного напряжения, .а вторые входысоединены соответственно с якорями первых контактных групп второго и первого реле, замыкающие контакты первыхконтактных групп которых соединены соответственно с выходами задатчиков первогои второго сигналов, а размыкающие контакты - соответственно с выходами задатчиковвторого и первого входных сигналов.Недостатком описанного компаратора,как и предыдущего, является отсутствие самопроверки его исправности. Вследствиеэтого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и связей длительноевремя не выявляются и могут привести котказу в функционировании компаратора.Известен также двухпороговый компаратор, содержащий операционный усилитель. неинвертирующий вход которогосоединен непосредственно с общей шиной, 179709210 15 20 2530 35 40 45 50 55 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 для релейной защиты является последний из описанных компараторов.Недостатком прототипа; как и предыдущих компараторов, является отсутствие самопроверки его исправности, Вследствие этого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и связей длительное время не выявляются и могут привести к отказу в функционировании компаратора.К тому же в исходном режиме.режиме дежурства защиты) операционный усилитель в протототипе находится в насыщенном состоянии, что обуславливает низкую контролепригодность компаратора, т,к, ряд повреждений его комплектующих элементов не приводит к изменению выходого сигнала операционного усилителя, а другие повреждения сразу приводят к ложному срабатыванию компаратора, Приближенно можно считать, что вследствие высокого коэффициента усиления операционного усилителя половина его отказов приводит к тому, что сигнал на его выходе стремится стать равным предельному положительному значению, а другая половина - к предельному отрицательному значению. Поскольку в исходном состоянии на выходе операционного усилителя в исправном прототипе тоже предусмотрено наличие предельного положительного напряжения, то половина отказов операционного усилителя не приведет к изменению его выходного напряжения и такие отказы в исходном режиме (режиме дежурства защиты) выявить невозможно, То же самое произойдет, например, при коротком замыкании резистора, соединяющего инвертирующий вход операционного усили теля с источником опорного сигнала,Некоторые другие повреждения комплектующих элементов прототипа приводятк тому, что прототип сработает даже при отсутствии входного сигнала. К таким повреждениям относятся, например; вторая половина повреждений операционного уси- лителя, обрыв резистора, связывающего инвертирующий вход операционного усилителя с источником сигнала опорного напряжения и другие подобные повреждения. Хотя по величине сигнала на выходе операционного усилителя такие повреждения в принципе могли бы быть выявлены, 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 постоянного контроля исправности в режиме дежурства, то есть не дает возможности обеспечить его высокую надежность.Периодические проверки могли бы повысить полноту проверки исправности, но не могут полноценно заменить постоянный контроль исправности из-за большого времени выявления неисправностей,Цель изобретения - повышение надежности путем повышения контролепригнодности за счет использования избыточности и введения в режиме дежурства защиты параметров сигналов на контрольных точках в область с минимальной плотностью вероятности сигнала, соответствующего поврежденному компаратору, а также постоянного контроля величин этих сигналов.Поставленная цель достигается тем, что в известный компаратор, содержащий первый операционный усилитель,неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход через первый резистор соединен со входом компаратора и через второй резистор - с шиной источника опорного напряжения, первый диод, катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а анод - с первым выводом третьего резистора, а также второй диод. дополнительно введены второй операционный усилитель, три резистора и элемент объединения, причем второй вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, а его инветирующий вход через четвертый резистор соединен со входом компаратора, а через пятый резистор - с шиной источника опорного напряжения, выход второго операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом через последовательно соединенные шестой резистор и второй диод в обратном включении, выходы обоих операционных усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами элемента обьединения и первым и вторым контрольными выходами компаратора, выход элемента объединения соединен сигнальным выходом компартора, а контрольные выходы элемента обьединения соединены с соответствующими выходами компаратора, 1797092Для снижения вероятности несрабатыаания элемент объединения содержит последовательно соединенные седьмой резистор и третий диод в прямом включении, соединяющие первый вход элемента обьединения с его выходом, и последовательно соединенные восьмой резистор и четаертый диод а прямом включении, соединяющие второй вход элемента объединения 10 с его выходом, причем обьединенные выводы седьмого резистора и третьего диода соединены с первым контрольным выходом элемента объединения, а объединенные выводы восьмого резистора и четвертого диода соединены со вторым контрольным выходом элемента объединения,Для снижения вероятности ложного срабатывания элемент объединения содержит пятый и шестой диоды, одни разно 20 именные выводы которых соединены с первым входом элемента объединения, а другие соответственно через девятый и десятый резисторы соединены с выходом элемента обьединения, седьмой и восьмой диоды, одни разоименнце выводы которых соединены со вторым входом элемента обьединения, а другие соответственно через одиннадцатЫй и двенадцатый резисторы соединены с выходом элемента объединения, девятый диод, подключенный катодом 30 к выходу элемента обьединения, а анодом - к общей шине, причем обьединенные выводы пятого диода и девятого резистора соединены с первым контрольным выходом элемента объединения, объединенные выводы шестого диода и десятого резистора - с его вторым контрольным выходом, обьединенные выводы седьмого диода и одиннадцатого резистора - с его третьим выходом и обьединенные выводы восьмого диода и двенадцатого резистора - с его четвертым выходом.В предлагаемом решении все признаки, указанные в отличительной части формулы 40 модейстаия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект,При этом обеспечивается сверхсуммарный технический эффект, обусловленный 50 совокупностью указанных признаков, заключающийся в том, что а случае повреждения компаратора сигнал хотя бы на одной его контрольной точке с большой вероятностью изменится от того первоначального значению. которое соответствовало минимальной плотности вероятности контрльного сигнала, соответствующего поврежденному компаратору, а область значений с большой плотностью вероятности таого изобретения, проявляют в процессе. взаи сигнала, в результате чего сигнал комбинированной контрольной точки на продолжительное время выйдет за допустимые границы и будет сформирован сигнал о неисправности компаратора. Поскольку при этом вероятность изменения контрольного сигнала больше, чем если бы он первоначально находился в области с большой плотностью вероятности контрольного сигнала, соответствующего поврежденному компаратору, то контролепригодность компаратора повышается. Удается обеспечить большую полноту проверки исправности а режиме дежурства и большую надежность компаратора.Таким образом, предлагаемое изобретение удовлетворяет критерию "существенные отличия",МНа фиг. 1 приведена структурно-принципиальная схема компаратора; на фиг. " - принципиальная схема элемента объединения, на фиг. 3 - принципиальная схема блока контроля исправности; на фиг. 4 - характеристика плотности вероятности сигнала на выходе поврежденного операционного усилителя;. на фиг. 5 - рабочая характеристика компаратора,Предлагаемый компаратор для релейной защиты фиг. 1) содержит первый операционный усилитель 1, неинвертирующий вход которого соединен с общейшиной, инаертирующий вход через первый резистор 2 соединен со входом компаратора, а через второй резистор 3 - с шиной источника опорного сигнала, первый диод 4, катод которого соединен с вйходом первого операционного усилителя 1, а анод - через третий резистор 5 соединен с инаертирующим входом операционного усилителя 1, второй операционный усилитель 6, неинеертирующйй вход которого соединен с общей шиной, а его инвертирующий вход через четвертый резистор 7 соединен со входом компаратора,:а через пятый резистор 8 - с шиной источника опорного напряжения, выход второго операционного усилителя 6 соединен с его инвертирующим входом через последОвательно соединенные шестой резистор 9 и второй диод 10 в обратном включении, выходы обоих операционных усилителей 1 и 6 соединены соответственно с первым 11 и вторым 12 входами элемента 13 объединения, предназначенного для реализации соответствующей логической фунции. Выход элемента 13 объединения соединен с сигнальным выходом компаратора. Выходы операционных усилителей 1 и 6 соединены также соответственно с пер. вым и вторым контрольными выходами компаратора, а. контрольные выходы элемента13 объединения соединены с соответствующими контрольными выходами компаратора,В свою очередь контрольные выходы компаратора соединены с соответствующими входами 14, 15 блока 16 контроля исправности, предназначенного для контроля исправности предлагаемого компаратора. Выход блока 16 контроля исправности служит выходом сигнала о неисправности компаратора.В солучае реализации логической операции ИЛИ элемент объединения 13 (фиг. 1) содержит последовательно соединенные седьмой резистор 17 и третий диод 18 в прямом включении, соединяющие первый вход 11 элемента объединения с его выходом, и последовательно соединенные восьмой резистор 19 и четвертый диод 20 в прямом включении, соединяющие второй вход 12 элемента 13 объединения с его выходом. Объединенные выводы седьмого резистора 17 и третьего диода 18 соединены с первым контрольным выходом элемента 13 объединения, а объединенные выводы восьмого резистора 19 и четвертого диода 20 соединены со вторым контрольным выходом элемента объединения 13.В случае реализации логической операции И элемент объединения 13 (фиг. 2) содержит пятый 21 и шестой 22 диоды, одни разноименные выводы которых соединены с первым входом элемента 13 обьединения, а другие соответственно через девятый 23 и десятый 24 резисторы соединены с выходом элемента 13 обьединения. седьмой 25 и восьмой 26 диоды, одни разноименные выводы которых соединены со вторым входом 12 элемента 13 объединения, а другие соответственно через одиннадцатый 27 и двенадцатый 28 резисторы соединены с выходом элемента 13 объединения, девятый диод 29, подключенный катодом к выходу элемента 13 объединения, а анодом - к общей шине, причем объединенные выводы пятого диода 21 и девятого резистора 23 соединены с первым контрольным выходом элемента 13 обьединения, обьединенные выводы шестого диода 22 и десятого резистора 24 - с его вторым контрольным выходом. Объединенные выводы седьмого диода 25 и одиннадцатого резистора 27 соединены с третьим контрольным выходом элемента 13 объединения, а объединенные выводы восьмого диода 26 и двенадцатого резистора 28 служат четвертым контрольным выходом элемента 13 объединения.Блок контроля исправности 16 (фиг. 3) содержит операционный усилитель 30, неинвертирующий ход которого непосредст 5 10 15 2025ЗО35 4050 венно соединен с общей шиной, а инвертирующий через резисторы 31 соединен с первой группой входов 14 блока 16 контроля исправности, резистор 32, включенный между инвертирующим входом и выходом операционного усилтеля 30, резистор 33, включенный последовательно с первой электрической кнопкой 34 между инвертирующим входом операционного усилителя 30 и шиной источника питания, 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 контроля исправности, переменный резистор 37, включенный между выходом операционного усилителя 30 и инвертирующим входом операционного усилителя 35, резистор 38, включенный между инвертирующим входом операционного усилителя 35 и его выходом, потенциометр 39, крайние выводы которого соединены соответственно с шинами источников напряжения питания положительной и отрицательной полярности. а движок через резистор 40 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 35, операционный усилитель 41, неинвертирующий вход которого через резистор 42 соединен санодом диода 43, катод которого соединенс выходом операционного усилителя 35, инвертирующий вход операционного усилителя 41 через резистор 44 соединен с катодомдиода 45, анод которого соединен с выходом операционного усилителя 35. Резисторы 46 и 47 соединяют неинвертирующий вход операционного усилителя 41 с шиной напряжения питания положительной полярности и общей шиной соответственно. Резисторы 48 и 49 соединяют инвертирующий вход операционного усилителя 41 с шиной напряжения питания отрицательной полярности и общей шиной соответственно, Цепочка из последовательно соединенных резистора 50 и диода 51 соединяет выход операционного усилителя 41 с общей шиной, Цепочка из последовательно соединенных резистора 52 и светодиода 53. включенная между орбщими выводами диода 51 и резистора 50 и общей шиной, служитдля сигнализации сработавшего состояниякомпаратора, выполненного на операционном усилителе 41, Диоды 54, 55 предназначены для оеализации логической операции55 ИЛИ, а подключенный к их объединенныманодам элемент 56 выдержки времени выполнен по стандартной схеме реле времении предназначен дпя задержки поступающего на него сигнала на время, равное, например, 10-15 секундам10 ряющие параметры сигналов на контроль 35 40 50 55 Предлагаемый компаратор для релейной защиты работает следующим образом,Одним из наиболее важных свойств реленой защиты и противоаварийной автоматики энергосистем является 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. Для повышения надежости используются различные диагностические устройства и блоки, иэменых точках устройства защиты или автоматики и па отклонению этих параметров от нормальных значений делающие вывод относительно исправного или для неисправного состояния контролируемого устройства, В качестве контрльных точек обычна выбираются выходы операционных усилителей, выводы транзисторов, реле и других элементов.Операционный усилитель относится к числу наиболее распространенных элементов современных полупроводниковых схем релейной защиты и пративоаварийной автоматики энергосистем, Представляет большой интере вид распределения сигнала на его выходе при повреждениях операционного усилителя, Анализ схем отечественных и зарубежных операционных усилителей, обладающих высоким коэффициентам усиления, достигающим сотен тысяч раз и более, показал, чта при подавляющем числе повреждений сигнал на их выходе стремится к максимально возможному или минимально возможному значению (т.е, к сигналу насыщенного состояния усилителя) Вероятность тога, чта при повреждении операционного усилителя самого по себе или работающего в режиме линейного усилителя, выходной сигнал значительно от.клонится от предельных значений, по мнению большинства специалистов, подтверждаемому опытом эксплуатации, чрезвычайно мала. На фиг. 4 показана построенная в соответствии с изложенным характеристика Цц) плотности вероятности сигнала на выходе поврежденного усилителя, На этой характеристике удобно рассмотреть принцип вь 1 бара рабочей точки усилителя, харак-,.теРизУбЩейсЯ Рабочим напРЯжением Ораб. на выходе исправного операционного усилителя в режиме дежурства, Если задаться допустимым отклонением контрольного сигнала, равным ЛО, т,е, принять ширину зоны нечувствительности при диагностике 0 25 30 равной 2 ЛО, та вероятность невыявления повреждения операционного. усилителя пропорциональна заштрихованной на фиг, 4 площади, Вероятность же того. что неисправность будет выявлена, равнаОраб + ЛОРь -- 1 -1(ц ) б О. (1)Ораб - ЛО То есть вероятность того, что неисправность будет выявлена, пропорциональна той площади фигуры, лежащей под кривой плотности вероятности 1(ц) и ограниченной осью координат напряжений О, которая находится за пределами зоны нечувствительсности диагностического устройства. Отсюда ясно, что для повышения контролепригодности, мерой которой в рассматриваемом случае можно считать вероятность Ра, необходимо уменьшить ширину зоны нечувствительности 2 ЛО и разместить рабочую точку Ораб, На таКОМ УаетКЕ ХаРаКтЕРИСтИКИ 1(Ц), где плотность вероятности 1(ц) сигнала, соответствующего поврежденному контролируемому блоку (в нашем случае компаратору), минимальна,Для того, чтобы в соответствии с описанным выше сместить рабочую точку операционного усилителя, в предлагаемом компараторе для релейной защиты схема изменена так, как показано на фиг. 1, Рас-смотрим операционный усилитель 1 со вспомогательными элементами, В цепь отрицательной обратной связи введена цепочка иэ последовательно включенных резистора 5 и диода 4, Когда диод 4 открыт, операционный усилитель 1 работает в режиме линейного усиления сигнала, когда диод 4 закрывается, операционный усилитель 1 переходит в в режим компаратора, ПоложеНИЕ РабОЧЕй ТОЧКИ КОМПаРатаРа Ораб, ОбЕС- печивается выбором величин резисторов 3 и 5. При этом сопротивление резистора 3 можно; например, принять примерно в два раза больше сопротивления резистора 5. Тогда при входном напряжении компаратора, равном нулю, напряжение на выходе усилителя 1 равно половине опорного напряжения Ооп. При опорном напряжении положительного сигнала знак напряжения О 1 на выходе операционного усилителя 1 отрицательный. Диод 18 при этом закрыт и .напряжение Ог на выходе компаратора равно нулю. При росте величины напряжения Овх (отрицательного знака) на входе кампаратора, напряжение О 1 на выходе операционного усилителя 1 линейно изменяется да куля (фиг, 5), при этом напряжение 02 на(2) 55 выходе компаратора остается равным нулю, поскольку диод 18 остается закрытым,Примем допущение о том, что диод 4 - идеальный, то есть открывается и закрывается при изменении знака напряжения на нем, причем порог открытия равен нулю, Тогда как только знак напряжения на выходе операционного усилителя 1 изменится на положительный, диод 4 (закроется, операционный усилитель 1 перейдет в режим ком. паратора и напряжение на его выходе О 1 скачком увеличится до напряжения насыщения Омакс (фиг. 5), Открывается диод 18 и напряжение О 2 на выходе компаратора скачком увеличиваетя до максимума (фиг, 5), Напряжение срабатывания компаратора Оср. можно определить из следующего выражения: где й 2, йз - сопротивление резисторов 2 и 3 соответственно,Введение цепи обратной связи иэ резистора 5 и диода 4 позволило, как описано выше, сместить сигналом от источника опорного напряжения через резистор 3 рабочую точку операционного усилителя 1 в исходном режиме дежурства так, как это показано на фиг;4, Теперь внесработавшем состоянии компаратора напряжение О 1 на выходе операционного усилителя 1 равняется не напряжению насыщения, а существенно меньше его. Если приближенно считать, что при повреждении операционного усилителя 1 его выходное напряжение может принять только какое-то одно из двух продольных состоянии Омакс. или Омин.,то при любом повреждении операционного усилителя напряжение на его выходе значительно изменяется по отношению к исходному и этот признак можно использовать для выявления возникшей неисправности, Трудность при этом заключается в том, что в режиме дежурства входное напряжение компаратора во многих устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики эенргосистем может существенно изменяться, хотя и не достигать порога срабатывания. При изменении величины входного сигнала компаратора напряжение на выходе операционного усилителя 1 также будет значительно изменяться и трудно будет определить. по какой причине изменяется это напряжение - из-за повреждения . операционного усилителя или из-за изменения входного сигнала компаратора. Для устранения возникшей трудности в состав 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 компаратора введен второй операционный усилитель 6 с такими же вспомогательными элементами, как у операционного усилителя 1, Теперь изменение напряжений на выходах операционных усилителей будет одинаковым, если они исправны, а изменяется лишь входное напряжение компаратора.Если же один из операционных усилителей 1 или 7 повреждается, то возникает значительная разница напряжений на их выходах и по этому признаку можно однозначно судить о появлении неисправности, Именно в этом и заключается функция блока 16 контроля исправности.При наличии двух однотипных схем(каналов). построенных на операционных усилителях 1 и 6 возникает возможность. по-разному связать их выходы. На фиг, 1 показана схема элемента объединения 13, реализующего логическую функцию ИЛИ, При срабатывании любого из каналов компаратора (операционного усилителя 1 или 6) открывается соответствующий ему диод 18 или 20 и на выходе компаратора (основном выходе элемента 13 объединения) появляется выходной сигнал, Резисторы 17 и 19 предохраняют операционные усилители 1 и 6 от перегрузки током при коротком замыкании на выходе компаратора,Контроль величин напряжений на контрольных выходах элементов 13 объединения позволяет по разности этих напряжений выявлять, например, повреждения типа короткого замыкания в диодах 18, 20. Эту функцию также выполняет блок контроля исправности.При таком "параллельном" включении двух каналов компаратора (операционных усилителей 1 и 6) значительно возрастает надежность срабатывания компаратора, Надежность же несрабатывания может оказаться для некоторых устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем недостаточной. В этом случае можно применять схему элемента обьединения 13, изображенную на фиг, 2, Эта схема реализует логическую операцию И. Сопротивления резисторов 23 и 27 выбираются здесь равными и, например, на порядок выше сопротивлений резисторов 24 и 28, которые тоже равны между собой. Если оба операционных усилителя (оба канала компаратора) находятся в несработавшем состоянии. то напряжения на выходах усилителей 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 обтекаются значительным током и на них падает практически все напряжение, снимаемое с выходов операци 15 179709210 50 55 онных усилителей 1 и 6 соответственно. Напряжение на выходе компаратора(на основном выходе элемента 13 объединения) близко к нулю,Если из-за поверждения в схеме сработал один канал компаратора (изменилось до предельного положительного значения Омэкс. напряжение на выходе операционного усилителя 1 или 6), то сигнал на выход компаратора такке не проходит, Если, например, вышел иэ строя операционный уси.литель 1 и сигнал на его выходе стал равным Омэкс., то открывается диод 21. Диод 26 также остается открытым, так как напряжение на выходе операционноо.усилителя 6 имеет отри цател ьн ый знак. Пренебрегая падением напряжения на диодах и на внутренних сопротивлениях выходных каскадов усилителей 1 и б, получим следующее выражение для определения напряжения на выходе компаратора Оных Омакс + ОбОных. = Омакс. ----- Р 23 (3)К 2 з + Й 2 в где Об- модуль напряжения на выходе операционного усилителя 6;Я 2 з- В 2 в - величины сопротивлений резисторов 23 и 28 соответствено,Но поскольку Р 2 з 828, уравнение (3) преобразуется следующим образом; Оных. - Омакс, - Омакс Об = -Об Т,е. напряжение на выходе компаратора стремится приблизиться к отрицательному потенциалу на выходе неповрежденного операционного усилителя 6 и будет, как и в предыдущем случае, шунтироваться диодом 29. На выходе когмпаратора напрякение в рассматриваемом случае по-прежнему будет близко к нулю.И лишь в случае одновременного срабатывания обоих каналов компаратора на его выходе появится сигнал, Это видно из следующего, При появлении продольных положительных сигналов на выходах операционных усилителей 1 и б открываются диоды 21 и 25, закрываются диоды 22,26, 29. На выходе компаратора появлятся сигнал,При таком включении значительно по вышается надежность несрабатывания компаратора,В принципе в качестве элемента 13 объединения можно было бы применить логические схемы, реализующие соответствующие логические функции ИЛИ и И, Однако используемые в настоящее время для этой 15 20 .25 30 35 40 45 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 контроля исправности 16. Этот блок предназачен для контроля исправности не только предлагаемого компаратора,но и всего сменного модуля и устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем, в состав которых входит предлагаемый компаратор. Опыт работы показывает, что обычно количество комплектующих элементов, входящих в состав блока контроля исправности, не превышает 15-20 от общего состава контролируемого сменного модуля, устройства защиты или автоматики, Предлагаемый же компаратар будет только частью общей схемы такого устройства, Поэтому относительно высокая сложность блока контроля исправности по отношению ко всей схеме предлагаемого компаратора не приведет к трудностям его применения.Блок 16 контроля исправности содержит два сумматора с одинаковыми характеристиками - один на операционном усилителе 30, другой - на операционном усилителе 35, Входы 14 первого сумматора подключаются к контрольным точкам первого канала предлагаемого компаратора (фиг.1), входы 15 второго сумматора подключаются к контрольным точкам второго канала комп аратора, Поскольку каналы предлагаемого компаратора выполнены идентично, напряжения на их контрольных точках в режиме дежурства также равны, Поэтому сигнал с операционного усилителя 30, поступающий через регулируемый резистор 37 на инвертирующий вход операционного усилителя 35, по величине равен, а по знаку противоположен сумме сигналов, поступающих на входы 15 в режиме дежурства исправного компаратора. Регулируя положения движков резистора 27 и потенциометра 39 в процессе настройки блока 16 контроля исправности, добиваются того, что при равенстве сигналов, поступающих на входы 14 и 15 напряжение на выходе операционного усилителя 35 остается равным нулю, При этом сигнал, снимаемый с потенциометра 39, позволяет скомпенсировать "на нуль" первоначальное смещение "нуля" выходных сигналов операционных усилителей 30 и 31, а сигнал, поступающий через регулируемый резистор 37 обеспечивает равенство нулю выходного сигнала операционного усилителя 35 при одинако 171817970925 10 15 20 25 30 50 вых изменениях величин сигналов, поступающих на входы 14 и 15. На базе операционного усилителя 41 построена схема элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР. Порог срабатывания этого элемента обеспечивается сигналами, снимаемыми с делителей, состоящих из резисторов 46.47 и 48,49. В исходном состоянии эти сигналы Вызывают на выходе операционного усилителя 41 предельное по величине напряжение положительного знака. Диод 51 в этом состоянии открыт и все напряжение; имеющееся на выходе усилителя 41 в рассматриваемом режиме падает на резисторе 50. Цепочка из балластного резистора 52 и светодиода 53 включена параллельно диоду 51, Светодиод 53 предназначен для сигнализации сработавшего состояния элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР, то есть появления на выходе операционного усилителя 41 предельного по величине напряжения отрицательной полярности,Срабатывание элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР на базе операционного усилителя 41 происходит следующим образом, Если на выходе операционного усилителя 35 начинает расти напряжение. то, в зависимости от его знака, открывается один из диодов 43 или 45 Если напряжение на выходе усилителя 35 имеет положительный знак, то открывается диод 45 и сигнал положительного знака поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 41, стремясь перевести его в сработавшее состояние, Если поступивший сигнал превышает порог срабатывания, то так и происходит - на выходе операционного усилителя 41 появляется предельное по величине напряжение отрицательного знака. закрывается диод 51, начинает светиться светодиод 53, То же самое произойдет, если на выходе операционного усилителя 35 появляется сигнал отрицательного знака, превосходящий по величине порог срабатывания элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР, построенного на базе операционного усилителя 41, только открывается при этом диод 43 и сигнал с выхода операционного усилителя 35 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 41,Описанная часть блока 16 контроля исправности предназначена для контроля исправности одного сменного модуля (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 для релейной защиты. На этом же сменном модуле располагаются и другие элементы и блоки релейной защиты и автоматики. Их контрольные точки (выходы микросхем, выводы транзисторов, реле и других элементов схемы) соединяются с остальными свободными входами 14 и 15 аналогично рассмотренному выше,Элемент же выдержки времени 56 и собранный на диодах 54, 55 элемент ИЛИ принадлежат всему контролируемому устройству релейной защиты или противо- аварийной автоматики энергосистем в целом. С каждого сменного модуля контролируемого устройства сигнал заводится на свой диод 55, При срабатывании любого элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР типа рассмотренного выше и построенного на базе операционного усилителя 41, сигнал через соответствующий диод 54 или 55 поступает на вход элемента выдержки времени 56 и запускает его. Через 10-15 секунд на выходе элемента выдержки времени 56 появляется сигнал, котрый высвечивает на щите управления табло "ЗАЩИТА НЕИСПРАВНА",Рассмотрим работу блока 16 контроля исправности совместно с предлагаемым компаратором для релейной защиты, Если предлагаемый компаратор исправен, то е режиме дежурства сигналы, поступающие на входы 14 и 15, попарно равны друг другу и уравновешиваются в сумматоре, построенном на базе операционного усилителя 35, Нет напряжения на выходе элемента ВЫ 35 ПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР (на диоде 51).не светится светодиод 53, нет сигналов на входе и выходе элемента 56 выдержки времени,Если вышел из строя один из операционных усилителей 1 или 6. повредился 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 45 16 контроля исправности, изменяется, Нарушается баланс сигналов на сумматоре,построенном на операционном усилителе 35, и на его выходе,появляется значительный по величине сигнал. Срабатывает элемент ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР и на выходе операционного усилителя 41 появляется предельный по величине сигнал отрицательной полярности, Начинает светиться светодиод 53, сигнализируя по 55 вредившийся сменный модуль контролируемого устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем. Запускается элемент 56 выдержки времени и через 10 - 15 секунд выдает сиг- нал, который высвечивает табло "ЗАЩИТА