Как работает реле однократного действия 1963

Как работает реле однократного действия 1963

История релейной защиты.
Защита по частоте
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в мартовском номере журнала в 2011 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич

Длительная работа генератора при пониженной частоте снижает его срок службы. С другой стороны, чтобы избежать «погашения» из-за небаланса генерируемой и потребляемой мощностей, генераторы должны как можно дольше быть подсоединены к энергосистеме.
Если частота блока при работе уменьшается, это указывает на нарушения в той части энергосистемы, где подключена электростанция. Причиной может быть перегрузка, вызванная выпадением из синхронизма генератора или уменьшение количества подаваемого в турбину пара. Если блок больше не подключен к системе, то вспомогательные устройства, например насосы, выпадают из синхронизма и подвергают блок опасности. Уровень (мощность) подачи насосов и вентиляторов зависит от скорости вращения, подшипники могут «осушиться» из-за недостаточного количества подаваемой смазки, что может привести к их повреждению. Это опасно для всего блока и может привести к остановке машин.
Остановка от устройств безопасности машины также требуется при аварийном уменьшении частоты в энергосистеме.

Изобретатель реле частоты

Немецко-американский инженер Чарльз Протеус Штайнметц (Charles Proteus
Steinmetz), первоначально названный Карлом Августом Рудольфом Штайнметцом (Karl August Rudolf Steinmetz) ,(Рисунок 1) считается изобретателем реле частоты. Принцип был запатентован в 1900г. Позднее Штайнметц стал работником компании General Electric и президентом Американского института инженеров- электриков (AIEE, 1901/02).
В то время маленькие отдельные энергосистемы и даже первые объединенные энергосистемы работали с колебавшейся частотой. На Рисунке 3 показана запись, сделанная в 1910г.

Рисунок 1. Чарльз Штайнметц (1865-1923)

Рисунок 2. Индукционное реле на дифференциальном принципе

Рисунок 3. Устройство записи частоты

Рисунок 4. Схема реле частоты, США, 1944

Рисунок 5. Однолинейная схема энергосистемы с расстановкой реле частоты для обеспечения селективности F1-F4 Реле Р.Т.- ТН 1-14- Выключатели

Таблица 1. Уставки реле частоты и отключаемые выключатели

В то время колебания частоты не воспринимались покупателями как вредные. Но, тем не менее, они являлись индикаторами устойчивости энергосистемы и представляли угрозу для генератора. В 1909г в журнале Electrical World была опубликована статья, где указывалось на защиту по частоте, но ей не придавали большой важности.
На Рисунке 2 показано очень простое и надежное реле частоты индукционного типа. В нем применен дифференциальный принцип. Оба якоря имеют одинаковые обмотки, но у одной сопротивление чисто активное, а другая обмотка имеет большую индуктивность. При подключении к одному напряжению, в зависимости от частоты, диск будет двигаться в одном или обратном направлениях.
Проблемы устойчивости энергосистемы, признание ее важности при проектировании энергосистем, постоянное развитие технологий для эффективного решения этих задач — все эти вопросы так же стары, как и генерация на переменном токе и передача электроэнергии. Одной из первых технических статей, посвященных устойчивости энергосистем была статья, опубликованная в 1901г У.Л.Р. Эмметом (W. L. R. Emmet) под названием «Параллельная работа управляемых турбинами генераторов»( “Parallel Operation of Engine-Driven nators”) в журнале «AIEE Transactions». Начиная с этого времени вопросы устойчивости энергосистем тщательно изучались учеными и инженерами. Разработка теоретических основ, проверка теоретических выводов на практике на реальных физических аппаратах и создание эффективных практических решений по обеспечению устойчивости являлись неотъемлемой частью развития технологий энергосистем.

Рисунок 6. Быстродействующее реле понижения частоты индукционного «барабанчикового» типа CFF13A, GE 1948

Рисунок 7. Характеристика погрешности реле CFF13A, 1959

Рисунок 8. Схема реле IJF, GE

Рисунок 9. Реле частоты CF1, Westinghouse, 1963

Рисунок 10. Схема реле CF1, Westinghouse, 1963

Многие из корифеев разработки технологий энергосистем внесли свой вклад в лучшее понимание проблемы устойчивости. Так, еще в 1920г Ч.П. Штайнметц (C. P. Steinmetz) написал работу «Управление мощностью и устойчивостью электрических станций» (“Power Control and Stability of Electric Generating Stations,”), а К.Л. Фортескью (C. L. Fortescue) в 1925г написал «Устойчивость передачи. Обсуждение некоторых , влияющих на это факторов»( “Transmission Stability. Analytical Discussion of Some Factors Entering Into the Problem»). Начиная с середины 1920х появилось особенно много технической литературы, посвященной вопросам устойчивости энергосистем, так как переход на все более высокие уровни напряжений при передаче электроэнергии выявил и новые технические вопросы, требующие изучения, решения и включения их в теорию по основам электроэнергетических систем.
Медленнодействующие реле частоты (с индукционным диском) появились на коммерческом рынке в 1921г, а быстродействующие (с индукционным барабаном («цилиндром»)) начали применяться в 1948г.
Х.Д. Карлин (H. J. Carlin) и Д.Л. Блэкбэрн (J. L. Blackburn) в 1944г предложили для применения в энергосистемах новый тип реле частоты. На рисунках 4 и 5, а также в таблице 1 показаны схемы реле частоты, места их установки в энергосистеме и уставки.
Быстродействующие реле частоты «барабанчикового» типа начали применяться в 1948г. Одним из первых реле этого типа было реле CFF (Рисунок 6a и 6b), компания General Electric.
Диапазон уставок реле CFF13A компании General Electric (1948) был между 44 и 61 Гц, поэтому оно могло применяться как в системах с частотой 50 Гц, так и 60 Гц для защиты как от повышения так и понижения частоты.
К сожалению, величина пуска зависит от измеряемого напряжения. На Рисунке 7 показана зависимость погрешностей реле, применявшихся в 1950х, от величины напряжения.
В 1950-1960х несколько компаний выпускали реле с вращающимся диском. Компания Westinghouse выпускала реле частоты типа CF-1 (Рисунок 9 и Рисунок 10). Реле частоты компании GE с индукционным диском типа IJF показано на Рисунке 8.
Характеристики реле повышения частоты типа IJF51A и реле понижения частоты типа IJF52B показаны на Рисунке 11.

Рисунок 11. Время-частотная характеристика, GE

Рисунок 12. Схема реле RVf2, Siemens, 1958

Рисунок 13. Реле частоты RVf2, (Siemens,1958)

Рисунок 14. Реле скорости изменения частоты компании CON EDISON, (ROC,1959)

Рисунок 15. Электронное реле частоты РЧ-1, СССР, 1971

Статические реле частоты

Новые реле, появившиеся в 1950х, были «резонансного» типа с использованием RLC-цепей. Типовым реле было реле компании Siemens RVf2, выпускавшееся начиная с 1958, а позднее выпускавшееся под названием 7RP95 (Рисунки 12 и 13). Реле использовались для контроля и напряжения и частоты. Это было однофазное реле напряжения, в которых перед исполнительным элементом включался последовательный контур из индуктивности и емкости. Он настраивался в резонанс с номинальной частотой, при этом нижний контакт разомкнут. Если частота стабильна, то реле работает как реле снижения напряжения. Если частота уменьшается, то контур «выходит» из резонанса, ток уменьшается. Реле «отпадает» (возвращается).
В 1959г Чарльз Д. Дуркин –младший (Charles J. Durkin, Jr.); Эдвин Р. Эберле (Edwin R. Eberle) и Питер Заракас (Peter Zarakas) представили в IEEE работу «Реле скорости изменения частоты компании Con Edison» («Con Edison rate-of- (ROC)
relay») (Рисунок 14). Предлагаемая характеристика реле скорости изменения определялась четырьмя параметрами:
■ уставка «пологого» участка характеристики – уставка по частоте, при которой реле действовало на отключение, когда скорость уменьшения частоты была незначительной. Уставка регулировалась в диапазоне 58-60Гц.
■ Управление уставкой по скорости изменения: Автоматическая компенсация точки отключения «пологого» участка в зависимости от скорости уменьшения частоты
■ Запрет управления: Максимальная частота, при которой еще разрешено отключение вне зависимости от скорости уменьшения частоты. Эта величина регулировалась в диапазоне отключения 58-60-Гц
■ Выдержка времени: необходима для предотвращения отключения в случае очевидных условий существования низкой частоты из-за фазового сдвига при возмущениях в системе. Эта выдержка регулировалась в диапазоне 5-15 циклов частоты в системе

Рисунок 16. Измерительная схема реле РЧ-1, СССР, 1971

Рисунок 17. Реле частоты F13, ZPA, 1975

Рисунок 18. Реле частоты RXFE, ASEA, 1990

Рисунок 19. Принципы выполнения статических реле частоты

Рисунок 20. Схема реле частоты FCX103b, BBC, 1973

С 1971г в СССР выпускались электронные реле понижения частоты РЧ-1 и повышения частоты РЧ-2 (Рисунок 15). В 1990г компания ASEA представила статическое реле частоты RXFE-4 (Рисунок 18). Чешская компания ZPA Trutnov выпустила в 1975г реле частоты F13, работавшее на том же принципе, что и реле RVf2 (Рисунок 17). Рабочий диапазон в 80% от номинального напряжения был достаточен для осуществления функций АЧР, но недостаточен для применения на электростанциях. Поэтому компания BRA разработала дополнительное устройство стабилизации напряжения SPS751, которое применялось совместно с F13 (Рисунок 25).
Более простым решением являлось использование стабилитрона (диода Зенера), вплоть до напряжений до 0.6 от номинального. Применение электроники позволяет получить более точные результаты измерений. В последующие годы стали применяться два следующих основных принципа (Рисунок 19а и 19b). Оба преобразуют контролируемое напряжение в прямоугольный сигнал.
■ Сравнение длительности времени TN прямоугольного сигнала с длительностью сигнала при номинальном значении (слева)
■ Преобразование длины прямоугольного импульса в количество импульсов, вырабатываемых опорным генератором (справа) В 1973г компания ВВС начала выпуск реле частоты FCX103 (Рисунок 20 и Рисунок 21). Это реле обнаруживало как повышение, так и понижение частоты, кроме того можно было оценить скорость изменения df/dt . В 1975г компанией Westighouse было выпущено реле понижения частоты KF. В 1980г компания Siemens представила одноступенчатое реле частоты 7RP22 и двухступенчатое 7RP23. Диапазон напряжений был 0.6-1.0 Uном. В 1984г отдел R&D энергокомпании в ГДР разработал реле частоты SRF4 (Рисунок 26). Опорная частота стабилизировалась кварцем 100-kГц.

Рисунок 21. Статическое реле частоты FCX103, BBC, 1973

Рисунок 22. Блок-схема реле повышения понижения частоты, AMU, Индия 1981г. Решение, предложенное в 1980х университетом AMU, Индия.

Рисунок 23. Четырехступенчатое реле частоты STF40, AEG, 1981. В 1981 компания AEG представила одно- и многоступенчатые реле частоты SFT10,20 и 40

Рисунок 24. Цифровое реле частоты FC95, BBC, 1978

Рисунок 25. Дополнительное устройство стабилизации напряжения SPSR751, BRA, 1975

Микропроцессоры

В 1967г Дональд Н. Эварт (Donald N. Ewart) и Франциско П. Демело (Francisco P. Demello) представили в IEEE работу «Программа для ЭВМ по автоматическому определению пределов статической устойчивости» — “A Digital Computer Program for the Automatic Determination of Dynamic Stability Limits” . В 1975г для АЧР был применен 8-разрядный микропроцессор. Частоту можно было задавать ступенями в 0.01Гц с точностью ± 0,005 Гц. Это позволило получить коэффициент возврата > 0.999.
Уже в 1978 появилось одно из самых первых цифровыхе реле, которым стало реле частоты компании BBC типа FC 95 (Рисунок 24).
В 1981г компания AEG представила одно- и многоступенчатые реле частоты
SFT10, 20 and 40 (Рисунок 23). 8-битный микропроцессор определял длительность цикла (частоту) за минимальное время, равное длительности 4 периодов частоты.
Университет Aligarh Muslim University (AMU) в Индии в 1980х предложил интересное решение (Рисунок 22). В 1986г компания Siemens представила реле 7RP72 (Рисунок 28). Цифровое реле частоты компании GEC/ALSTOM с независимой выдержкой времени (1999г) показано на Рисунках 27a и 27b. Наконец, необходимо упомянуть о реле защиты генераторов компании ABB типа SPAF140C (1998, Рисунок 30) и реле SPAF340C, разработанного для осуществления АЧР (Рисунок 31).

Рисунок 26. Реле частоты SRF4, BRA, 1984

Рисунок 27. Реле частоты, GEC/ALSTOM, 1999

Рисунок 28. Реле частоты 7SR72, Siemens

Рисунок 29. АЧР на реле частоты CF, BBC, примерно 1960

Рисунок 30. Реле частоты SPAF140C, ABB

При определенных условиях блок может «выпасть» из синхронизма из-за перегрузки. В этих условиях может помочь АЧР фидеров (Рисунок 29). При уменьшении частоты можно отключать нагрузку (ступенями по времени). Компанией ВВС в 1978г было предложено специальное решение по выполнению АЧР – в базовой версии программируемое 4-х ступенчатое устройство отключения, в зависимости от частоты, нагрузки (до 80 фидеров). Это реле применялось в сетях среднего напряжения и на промышленных предприятиях (Рисунок 32). Насколько важна роль АЧР можно показать на примере крупной аварии в Европе, произошедшей 4-го ноября 2006г. Европейская энергосистема UCPTE разделилась на 3 независимые части. Это позволило избежать дальнейшего понижения частоты в части 1 (Запад).

Рисунок 31. Реле частоты SPAF340C, ABB

Рисунок 32. Устройство АЧР KF91, BBC, 1978

Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в мартовском номере журнала в 2011 году >>смотреть

Все права сохранены © Музей РЗА

Перепубликация материалов возможна только с устного или письменного разрешения администрации сайта!

«Сложно о простом» или первый патент…

В жизни меня часто удивляет, как могут люди сделать сложными простые вещи?

Один из примеров – реле указателей поворотов

«Биметаллический прерыватель» придумали больше 80 лет назад: в цепи ламп указателей поворотов ставится реле с биметаллической пластинкой – при замыкании цепи, пока лампы горят, ток, протекающий через реле, нагревает пластинку, она изгибается и размыкает контакты. Лампы гаснут. Затем, остывая, пластинка возвращается в исходное положение, замыкая контакты снова. И так далее…

Просто? Элементарно! На самом деле такое реле одновременно выполняет ещё три важные функции: первая – оно громко «клацает», сигнализируя водителю о работе указателей поворотов; вторая – в случае перегорания одной из ламп, из-за уменьшения тока через реле, частота «клацанья» – уменьшается, опять же предупреждая водителя о неисправности, и третья – такое реле не боится короткого замыкания в цепи ламп – оно работает как термопредохранитель, причём, самовосстанавливающийся! Гениально — две детали выполняют 4 функции!

Такой прерыватель, РС-491 стоял во многих отечественных автомобилях. Выходил из строя крайне редко. Но кому-то показалось, что это слишком просто, и в середине 70-х был разработан «электронный прерыватель РС950», который содержал 4 транзистора, тиристор, два подстроечных резистора (ужас!) и ещё кучу постоянных резисторов, конденсаторов и диодов. На одном транзисторе был собран генератор импульсов, два – стояло в усилителе тока для обмотки реле, а для защиты от короткого замыкания был собран каскад на четвёртом транзисторе и тиристоре. Управляла вся эта схема обычным электромеханическим реле, которое также громко «клацало», а для контроля исправности ламп в его корпус было добавлено ещё два электромеханических двухобмоточных реле тока. О, как!

/>

Конечно такая «горсть деталей», едва помещающаяся на ладони, доставляла немало хлопот при сборке, и кроме того требовала наладки – подстроечными резисторами выставлялась длительность импульса и паузы. Геморро-о-ой!

Естественно, через непродолжительное время схему решили усовершенствовать, создав РС950Е, в котором заменили дискретные элементы на одну микросхему К224ГГ2. Микросхема вырабатывала импульсы с необходимой частотой, а реле «клацало» в их такт включая и выключая лампы. Сложные и капризные токовые реле контроля ламп заменили на герконовые, а в связи с тем, что герконы не могут коммутировать большой ток, добавили мощный транзистор в цепь контрольной лампы. Про схему защиты от короткого замыкания… сделали вид, что забыли. А в связи с низкой надёжностью микросхемы, начались частые отказы реле!

Но отказы отказами, а три электромеханических реле внутри корпуса «электронного прерывателя» не давали покоя разработчикам, и конструируя прерыватель 23.3747 для Жигулей, от токовых реле решили отказаться. За основу была взята «хорошо зарекомендовавшая» себя схема РС950Е, а для контроля за током в цепи ламп была добавлена вторая микросхема К224СА3, которая контролировала ток в цепи ламп во время паузы: для этого на них подавался небольшой ток, не вызывающий заметного свечения нити накала.

Количество отказов только увеличилось! Калужское ПО «Восход» даже выпускало «Ремонтный комплект для прерывателей», в состав которого входили две микросхемы К224ГГ2 и К224САЗ. Хотя операцию по замене микросхемы для рядового автолюбителя простой не назовёшь…

Когда дело дошло до миниатюризации, специально для семейства переднеприводных Жигулей был разработан прерыватель 49.3747, в котором использовалась та же К224ГГ2, и помимо отсутствия защиты от короткого замыкания, отсутствовал и контроль исправности ламп. При этом контрольная лампа почему-то стала зажигаться в паузах между свечением основных ламп… Маразм!

/>

В итоге, после вышеупомянутых мытарств микросхему вновь заменили на дискретные элементы…

/>

Вы думаете за рубежом было не так? Ошибаетесь. Практически так же, но там пошли ещё дальше! С появлением мощных МОП-транзисторов, они решили вообще отказаться от электромеханического реле в составе прерывателя – 21-й век на дворе! В общем, понятно – прерыватель перестал «клацать»… Пришлось в схему добавить электронный генератор с «пищалкой»… Полный маразм!

Всё это очень напоминает смешную картинку:

Второй пример, автомобили с гибридным приводом

Всем мало-мальски понятно, что в нём, помимо агрегатов «обычного» автомобиля, имеется огромная аккумуляторная батарея и пара электрических моторов. Но дело не в дополнительной массе или экономии бензина…

Участились случаи наезда на пешеходов! Дело в том, что такой автомобиль, на электроприводе движется беззвучно… Сейчас инженеры всерьёз озаботились оснащением такого автомобиля… «имитатором шума двигателя»! Маразм крепчал!

Сами водители тоже возмущаются: «двигателя не слышно, нет ощущения динамики разгона, скорости. Верните нам драйв!» Эти слова были услышаны китайскими разработчиками, и вот, уже всерьёз предлагаются «имитаторы шума двигателя в салоне автомобиля», которые подключаются к динамикам музыкальной системы. Причём «мелодии» можно загрузить любые: хотите звуки Porsche? А может быть настроенный «прямоток» Impreza STI? Выбирай на вкус! Я катаюсь на полу от смеха…

Как нужно решать поставленные задачи

Мне как разработчику радиоэлектронной аппаратуры, также приходится решать поставленные задачи. Разработка – это искусство, а искусству нигде не учат, понимание приходит само, с опытом. Имея богатый опыт ремонта радиоаппаратуры, я стараюсь учиться на чужих ошибках, и по крайней мере не повторять их. А встречая простые оригинальные решения – я восхищаюсь, ведь не зря говорят «всё гениальное просто».

В нашей стране, у сотовых операторов имеется одна небольшая «проблемка»: вблизи аэродромов им предписано устанавливать антенны диапазона 900 МГц только с вертикальной поляризацией, т.к. широкораспространённые антенны с наклонной поляризацией создают помехи радиосистемам ближней навигации.

Страна у нас большая, аэродромов много, и вблизи каждого, на каждой базовой станции приходится вместо одной антенны с двойной наклонной поляризацией, для обеспечения разнесённого приёма, устанавливать две антенны с вертикальной поляризацией. Накладненько получается!

И в 2006 году, операторы поставили задачу четырём крупнейшим мировым компаниям-производителям антенн Allgon, Andrew, Kathrein и RFS создать антенну которая могла бы излучать сигналы с вертикальной поляризацией, а на приём обеспечить разнесённый приём. Задача не тривиальная!

До реальной конструкции дошли только инженеры Andrew – они решили задачу «в лоб»: в один корпус «запихнули» три антенных полотна, два с вертикальной поляризацией, и одно с горизонтальной. Кроме того, в корпус антенны пришлось добавить громоздкий дуплексный фильтр, а для обеспечения развязки между полотнами с вертикальной поляризацией их пришлось сделать в виде директорных антенн, увеличить расстояние между ними и ввести дополнительные экраны. Такой монстр получился!

Если даже не обращать внимание на то, что размеры, масса и стоимость антенны значительно увеличились – сама по себе, антенна не являлась универсальной: в зависимости от условий и местности, операторам требуются антенны с различными коэффициентами усиления, т.е. требовалось создание целого «модельного ряда» подобных антенн. К тому же требовались ещё и двухдиапазонные антенны 900/1800.

Решение Andrew оказалось слишком сложным и до серийного производства дело не дошло…

И тут в беседе с инженером Beeline, Сашей Гальченковым, он высказал мне идею: «А что если вместо разработки новой антенны к обычной антенне придумать какое-нибудь устройство… для решения этой задачи». И тут я вспомнил математику 5-го класса средней школы «сложение векторов»: к концу одного вектора приставляем начало второго вектора… Вспомнили?

Если рассмотреть антенну с двойной наклонной поляризацией, то это два антенных полотна: одно излучает вектор с наклоном +45°, второе такой же вектор с наклоном -45°. Так какой вектор мы получим если сложим их? Правильно, вертикальный. Так это нам и нужно!

Есть контакт! Набрасываю карандашом схему «чёрного ящика»: отфильтровываем на обоих входах сигналы передачи (сигналы приёма пускаем в обход), суммируем их, разветвляем вновь и подаём в оба антенных полотна в равной амплитуде и фазе. Вектора суммируются, и мы излучаем сигнал в вертикальной поляризации. А для сохранения разнесённого приёма, сигналы от антенны через фильтры подаём в обход сумматоров, т.е на приём полностью сохраняем работу антенны.

В процессе разработки обзываю его «диплексером». И всё это устройство собрано на стандартных фильтрах, сумматорах и делителях! А главное, может работать с любой штатной антенной любого производителя. Даже с двух- и трёхдиапазонной!

Далее техническое задание уходит в Швецию, на завод партнёров. Через месяц опытный экземпляр отправляется производителю антенн на испытания. Я прилетаю в Стокгольм, и вместе с инженерами Allgon в безэховой камере произвожу испытание устройства с несколькими типами антенн. Работает, как задумано!

После этого, три опытных экземпляра диплексера прилетают в Москву и устанавливаются на тестовый сайт Beeline, где службы радиоконтроля делают контрольный облёт на вертолёте и замеряют уровень помех. Помехи ниже допустимого уровня. «Вояки» дают добро!

Мы размещаем заказ на производство серийных изделий и одновременно подаём заявку на изобретение. В первый же год только Beeline покупает у нас почти тысячу таких устройств!

Патентное бюро 3 года «мурыжит нервы» – проверяют изобретение на уникальность. Долго смущало, что лет 50 назад уже запатентовали сложение ортогональных векторов, но… для получения круговой поляризации – сигналы нужно подавать в равной амплитуде, но сдвинутые по фазе на 90° – это представить намного сложнее. Я знал про это – такое широко применяется в спутниковой связи, в теле- и радиовещании, но никто не догадался сложить вектора без сдвига фаз!

А диплексеры производятся и успешно применяются в российских сотовых сетях… Саше Гальченкову большое спасибо за идею!

Вакуумные искровые реле

История и применение этих приборов довольно специфичны. Их «родителями» был ряд предприятий Минсредмаша (т.е. ядерного оружейного цикла), и, в частности, разработчики систем подрыва ядерного заряда.

С самого начала работ по созданию систем подрыва ЯЗ одной из важнейших задач был выбор быстродействующего коммутатора больших импульсных токов, позволяющего разрядить конденсатор большой емкости на низкоомную нагрузку.

В первых системах подрыва использовалось быстродействующее реле взрывного и, следовательно, однократного действия. Применение одноразового коммутатора существенно затрудняло отработку всей системы.

Попытки применить выпускаемые промышленностью тиратроны или тригатроны приводили к новым проблемам, связанным с необходимостью предварительного задействования цепей накала и ненадежностью таких приборов.

Необходимо было создать приборы, сочетающие в себе лучшие параметры известных коммутирующих элементов при их работе в режиме одиночных включений. Это стало возможным благодаря идее, высказанной в 1952 году А.А.Бришом — использовать для построения коммутатора управляемый пробой вакуумного промежутка. Первые надежно действующие приборы, работающие по этому принципу, были изготовлены в 1953 г.

В разработанных реле удалось совместить возможность пропускания больших импульсных токов (подобно механическим выключателям и тригатронам) с малой инерционностью действия (близкой к таковой у электронных ламп и тиратронов) и малой энергией, необходимой для включения реле (подобно тиратрону). Основными недостатками новых реле являются ограниченное число включений, которое они допускают без изменения параметров, и неустойчивая работа при малых токах.

В основе работы вакуумных реле лежит пробой вакуумного промежутка, разделяющего коммутируемую цепь. Особенностью ВИР является то, что основной промежуток вакуумного прибора «анод–катод», разрывающий коммутируемую цепь и находящийся под высоким рабочим напряжением, в несколько раз меньшим пробивного напряжения, дополняется малоразмерным вспомогательным промежутком «катод–управляющий электрод», заполненным твердым диэлектриком, например, слюдой.

Управляемый пробой основного промежутка происходит при подаче на управляющий электрод импульса напряжения от автономного генератора, вызывающего поджигающий искровой пробой вспомогательного промежутка по поверхности диэлектрика (слюды). Возникающая искра инициирует развитие разряда между катодом и анодом. После пропускания импульса тока основной разрядный промежуток восстанавливает свою исходную электрическую прочность, и прибор снова готов к работе. Применение изоляционной прокладки в управляющем промежутке позволяет снизить пробивное напряжение по сравнению с тем, которое требовалось бы в случае вакуумного промежутка.

Эти реле позволяют коммутировать электрические цепи с импульсными токами в несколько тысяч А. Реле может обеспечивать включения цепи с точностью 0,0085 мксек; время запаздывания электрического пробоя основного разрядного промежутка относительно пробоя управляющего промежутка не превышает 0,03 мксек, быстрота нарастания тока может быть больше 10 11 А/сек.

Как уже отмечалось, отправной точкой для создания вакуумных искровых реле стала высказанная в 1952 году А.А.Бришом идея использовать управляемый пробой вакуумного промежутка.

К моменту постановки работ отечественная наука не располагала опытом создания подобных приборов. Отсутствовали сведения по созданию таких приборов и за рубежом. Несмотря на новизну и исключительную сложность, поставленная задача была решена. Уже в 1952 году в РФЯЦ-ВНИИЭФ были изготовлены первые опытные образцы разрядников и вместе с подробным описанием их работы направлены в Научно-исследовательский вакуумный институт (ныне НИИВТ) С.А.Векшинскому, с которым уже налаживались творческие контакты. Работы по созданию первых образцов вакуумных импульсных разрядников были выполнены при непосредственном участии и под руководством А.А.Бриша молодым физиком Е.А.Сбитневым и высококлассным механиком М.А.Кануновым.

На основе сложившейся кооперации работы по созданию промышленных образцов ВИР и организации их серийного выпуска по инициативе академика Ю.Б.Харитона были поручены НИВИ. После организации в КБ-25 Министерства среднего машиностроения (ныне ВНИИА) работы по курированию разработок ВИР и исследованию их работы в составе систем подрыва проводились в лаборатории №5 во главе с А.И.Белоносовым. Лаборатория была укомплектована молодыми выпускниками московских вузов, а группы возглавлялись более опытными научными работниками, переведенными из РФЯЦ-ВНИИЭФ во ВНИИА. Группу, которая вела исследования ВИР и курировала их разработку в НИВИ, возглавил Е.А.Сбитнев, а в ее состав входили: В.В.Латышев, В.Н.Липатов, Т.П.Федорова, В.Д.Шумилин, а также талантливый лаборант-самоучка В.И.Казаков.

Разработка промышленных вакуумных разрядников в период с 1953 по 1959 год проводилась в лаборатории №3 отдела 10 (100) НИВИ, специализировавшегося на создании счетчиков ионизирующих излучений.

Первое поколение управляемых вакуумных разрядников типа ВИР, разработанных в период с 1954 по 1959 год, имело стеклянную оболочку цилиндрической формы, обычную для радиоламп того времени. С одной стороны в оболочку впаивалась стеклянная ножка с впаянными в нее двумя металлическими выводами, на которых монтировалась предварительно собранная и зафиксированная контактной точечной сваркой сжатая поджигающая система (катод, слюдяная прокладка, управляющий электрод). С другой стороны в оболочку впаивался ввод с закрепленным на нем анодом. Для откачки служил впаянный в ножку стеклянный штенгель, запаиваемый в момент герметизации разрядника на минимальном расстоянии от поверхности оболочки.

Очень важным предложением, разработанным совместно специалистами ВНИИА и НИВИ (1960-1965 годы), был переход на разработку ВИРов в бесцокольном исполнении. При этом вакуумплотная оболочка обеспечивала работоспособность приборов в нормальных условиях, а защита их от механических воздействий и изменений параметров окружающей среды обеспечивалась конструктивными средствами целевой аппаратуры. Это дало возможность существенно сократить габариты ВИР.

В последующие годы с учетом этого был разработан и внедрен в серийное производство целый ряд разрядников типа ВИР со стеклянной и металлокерамической оболочками.

Начиная с ВИР-5, в разрядниках использовалась коаксиальная электродная система, в отличие от планарной в первых разработках. В 1956 году идеологам вакуумной коммутации А.А.Бришу и Е.А.Сбитневу, а также группе сотрудников отдела 10 НИВИ – А.Б.Дмитриеву, Л.Н.Космарскому, А.Б.Хейфецу и Л.С.Эйгу — было выдано авторское свидетельство №16995 «Импульсное электровакуумное реле». В 1958 году в журнале «Приборы и техника эксперимента» ими была опубликована основополагающая статья «Вакуумное искровое реле», в которой приведены устройство, электрические схемы осциллографического контроля ВИР и результаты исследований.

В 1959 году на базе лаборатории №3 отдела 10 НИИВТ был создан специализированный отдел 13 (впоследствии – 130) по разработке вакуумных и газонаполненных разрядников во главе с к.т.н Львом Самуиловичем Эйгом.

В отделе были широко развернуты исследования физических процессов пробоя вакуумных и газовых промежутков при статическом и импульсном напряжениях, процессов пробоя по поверхности диэлектриков в вакууме и газе, эрозии электродов при сильноточном пробое, динамики изменения газовой среды в приборах в течение срока службы, стойкости вакуумных разрядников к поражающим факторам ядерного взрыва, проницаемости оболочки приборов для водорода, гелия и других газов.

На основе полученных новых научных результатов было создано второе поколения ВИР с металлостеклянной оболочкой. Руководителем ОКР по разработке металлостеклянных ВИР для блоков автоматики был начальник лаборатории Самсон Семенович Цициашвили.

К началу 1960-х годов существенно возросли требования к коммутируемому току и крутизне его нарастания в ВИР. Для обеспечения коммутации токов с такими высокими требованиями необходимо было уменьшить собственные индуктивность и сопротивление ВИР в десять раз. В.Д.Шумилиным (ВНИИА) и С.С.Цициашвили (НИВИ) были проведены глубокие исследования схем коммутации, на основе которых к 1965 году были разработаны ВИР в металлостеклянной оболочке, обеспечивающие коммутацию больших токов. Приборы были успешно применены в новой автоматике и серийно освоены.

На рисунке схематически изображены различные варианты применявшихся разрядных промежутков. Высокие изоляционные свойства вакуумного промежутка позволяют создавать приборы с габаритными размерами, значительно меньшими по сравнению с другими типами приборов, рассчитанными на те же рабочие напряжения.

Объем электродной системы может быть сделан очень маленьким. Размеры всего прибора определяются технологическими возможностями и линейными размерами, необходимыми для предотвращения электрических пробоев по наружной стороне колбы.

Основными параметрами реле являются: анодное напряжение, величина рабочего тока, напряжение пробоя поджигающего промежутка и временные характеристики (времена запаздывания и развития разряда).

Верхнее значение анодного напряжения ограничено потенциалом пробоя основного вакуумного промежутка и варьируется межэлектродным расстоянием. Даже при малых величинах этого расстояния в случае хорошо обработанных деталей достаточно велико. Например, для реле ВИР-7 потенциал пробоя может быть более 20 кВ при d = 1 мм. Нижнее значение анодного напряжения практически не ограничено. При анодном напряжении более 100 В реле сохраняет свои параметры. Возможность широкого изменения анодного напряжения позволяет использовать реле в режиме, когда отношение Uпр/Uа > 2, т. е. в режиме с большим запасом электрической прочности.

Величина рабочего тока при использовании вакуумных реле целиком определяется параметрами внешней цепи, так как внутреннее сопротивление реле во время пробоя составляет сотые доли Ома, причем большая часть этой величины связана с сопротивлением вводов. Прерывание начавшегося разряда происходит только после значительного снижения первоначального напряжения, когда ток становится меньше 20 А.

При работе реле наблюдается статистический разброс величины напряжения пробоя поджигающего промежутка. Абсолютное значение средней величины этого напряжения определяется размером слюдяного зазора и зависит от формы и знака импульса. Изменение крутизны фронта импульса от 0,4 до 30 кВ/мкс не влияет заметным образом на напряжение пробоя. При увеличении крутизны фронта до 200 кВ/мкс Uпр возрастает на 1000-1500 В по сравнению со значением для более пологих фронтов. При управляющих импульсах положительной полярности напряжение пробоя примерно на 200-500 В меньше, чем при импульсах отрицательной полярности. Практически наиболее удобно выбирать значение напряжение пробоя в диапазоне 1200-3000 В. Нижнее значение этого интервала ограничено толщиной прокладки, при которой зазор между электродами поджигающего промежутка легко засоряется продуктами распыления электродов, возникающими при пробое основного разрядного промежутка. Изготовить реле с напряжением пробоя более 3000 В вполне возможно, однако в большинстве случаев необходимость в подобном увеличении напряжения срабатывания отсутствует.

Энергия, необходимая для инициирования основного пробоя, весьма мала. Для надежного срабатывания вполне достаточно энергии, запасенной в емкости, образуемой электродами поджигающего промежутка.

Временными характеристиками вакуумных искровых реле являются: t₁ — время, прошедшее с момента начала роста напряжения поджигающего импульса до пробоя управляющего промежутка: t₂ — время запаздывания начала развития основного пробоя относительно пробоя управляющего промежутка; t₃ — время развития основного пробоя.
Время Т = t₁ + t₂ + t₃ есть суммарное время задержки включения тока с помощью реле относительно начала управляющего импульса. Разброс этой величины от включения к включению определяет точность, с которой может быть осуществлена коммутация цепи в заданный момент времени. На осциллограмме отмечены все три интервала t₁, t₂, t₃.

Если генератор управляющих импульсов обеспечивает стабильность их формы, то время t₁ полностью определяется значением напряжения пробоя управляющего промежутка. При этом предполагается, что поджигающий импульс имеет собственную амплитуду, значительно превышающую напряжение пробоя, так что пробой всегда происходит на фронте этого импульса. Как уже указывалось, напряжение пробоя управляющего промежутка изменяется от включения к включению статистически с распределением величины по закону Гаусса.

Время запаздывания t₂ также изменяется статистически, от включения к включению. Разброс величины задержки для всех исследованных вариантов не превышает +0,005 мкс. В исследованном диапазоне анодных напряжений от 0,5 кВ до 5 кВ как t₂, так и его разброс не зависят от Uа.

Время развития основного пробоя t₃ определяется параметрами внешней цепи. На рисунке дана осциллограмма развития основного пробоя, снятая с нагрузочного сопротивления 1 Ом (частота синусоидального напряжения 100 МГц). Передний фронт импульса соответствует скорости нарастания тока 1,05х10 11 А/с; время t₃ = 0,03 мкс, причем разброс этой величины не мог быть обнаружен, так как находится за пределами точности измерений.

Таким образом, для наиболее крутых применявшихся поджигающих импульсов разброс суммарного времени запаздывания, определяющий точность замыкания цепи, составляет +0,0085 мкс.

При каждом срабатывании вакуумного искрового реле происходит незначительное разрушение его электродов и, как следствие этого, изменение первоначальных параметров. Ресурс работы реле определяется предельным количеством включений, допустимым без существенных изменений параметров.

Разрушение электродов сказывается прежде всего на значениях напряжений пробоя поджигающего и основного разрядных промежутков. Обе эти величины по мере работы реле постепенно уменьшаются. Для первой из них это происходит из-за засорения слюдяного среза распыляемым металлом электродов; одновременно на поверхности колбы постепенно становится заметен зеркальный металлический налет. Уменьшение электрической прочности происходит из-за постепенного увеличения давления газов, выделяющихся при разряде из электродов.

ВИР14

Собственно, кроме названия неизвестно ничего — ни параметры, ни производитель.

По косвенным признакам, этот разрядник выпущен ВНИИА.

(фото Сергея)

Принцип действия однократного АПВ на электромеханических реле

В эксплуатации в настоящее время распространены электромеханические реле повторного включения однократного действия типа РПВ-58 и двукратного действия типа РПВ-258. Принципиальная схема однократного АПВ для линии с масляным выключателем, оснащенным электромагнитным приводом, приведена на рисунке 1.1 [2].

Рисунок 1.1 – Схема электрического АПВ однократного действия масляного выключателя

В комплектное устройство РПВ – 58 входят: реле времени КТ1 с добавочным резистором R1 для обеспечения термической стойкости реле; промежуточное реле КL1 с двумя обмотками, параллельной и последовательной; конденсатор С, обеспечивающий однократность действия АПВ; зарядный резистор R2 и разрядный резистор R3.

Дистанционное управление выключателем в рассматриваемой схеме производится ключом управления SA, у которого предусмотрена фиксация положения последней операции, и таким образом после операции включения ключ остается в положении включено (В2), а после операции отключения – в положении отключено (О2). Когда выключатель включен и ключ управления SA находится в положении В2, к конденсатору С подводится «плюс» оперативного тока через контакты ключа 1-2, а «минус» — через зарядный резистор R2. При этом конденсатор С заряжен и схема АПВ находится в состоянии готовности к действию.

При включенном выключателе реле положения отключено KQT, осуществляющее контроль исправности цепи включения, током не обтекается, и контакт его в цепи пуска АПВ разомкнут. Пуск АПВ происходит при отключении выключателя под действием релейной защиты или самопроизвольном в результате возникновения несоответствия между положением ключа SA, которое не изменилось, и положением выключателя, который теперь отключен.

Несоответствие положений ключа управления и выключателя характеризуется тем, что через контакты ключа 1 — 2 на схему АПВ по – прежнему подается «плюс» оперативного тока, а ранее разомкнутый блок – контакт выключателя SQТ переключается и замыкает цепь обмотки реле положения отключено KQT, которое срабатывая, подает «минус» оперативного тока на обмотку реле времени КТ1.

При срабатывании реле времени размыкается его мгновенный размыкающий контакт КТ1.1, вводя в цепь обмотки реле резистор R1, что приводит к повышению термической стойкости реле при длительном протекании тока.

По истечении установленной выдержки времени реле КТ1 замыкает контакт КТ1.2 и подключает параллельную обмотку 1 реле KL1 к конденсатору С. Реле KL1 срабатывает от тока разряда конденсатора и, самоудерживаясь через вторую обмотку, включенную последовательно с обмоткой контактора КМ, подает импульс на включение выключателя. Благодаря использованию у реле KL1 последовательной обмотки, обмотка 2, обеспечивается необходимая длительность импульса для надежного включения выключателя, поскольку параллельная обмотка, обмотка 1, этого реле обтекается током кратковременно при разряде конденсатора. Выключатель включается, размыкается его вспомогательный контакт SQТ и возвращаются в исходное положение реле KQT, KL1 и КТ1.

Если повреждение на линии было неустойчивым, то линия остается в работе. После размыкания контакта реле времени КТ1.2 конденсатор С начнет заряжаться через зарядный резистор R2. Сопротивление этого резистора выбирается таким, чтобы время заряда составило 20 – 25 с. Таким образом, спустя указанное время схема АПВ будет автоматически подготовлена к новому действию.

Если повреждение было устойчивым, то выключатель, включившись, вновь отключится защитой и вновь сработают реле KQT и КТ1. Реле KL1, однако, при этом второй раз работать не будет, так как конденсатор С был разряжен при первом действии АПВ и зарядиться еще не успел. Таким образом, рассмотренная схема обеспечивает однократность действия при устойчивом К3 на линии.

При оперативном отключении выключателя ключом управления SA несоответствия между положением ключа управления и выключателя не возникает и АПВ не действует, так как одновременно с подачей импульса на отключение выключателя контактами ключа 7 – 8, через еще замкнутые контакты ключа управления 1–2 и замкнувшиеся контакты 3–4 конденсатор С разряжается через резистор R3. Поэтому срабатывает только реле KQT, а реле КТ1 и KL1 не сработают.

Для предотвращения многократного включения выключателя на устойчивое К3, что может иметь место в случае залипания контактов реле КL1 в замкнутом состоянии, в схеме управления устанавливается специальное промежуточное реле КВS типа РП–232 с двумя обмотками: рабочей последовательной 1 и удерживающей параллельной 2. Реле КВS срабатывает при прохождении тока по катушке электромагнита отключения YАТ и удерживается в сработанном положении до снятия команды на включение. При этом цепь обмотки контактора КМ разомкнута размыкающим контактом КВS.2, чем и предотвращается включение выключателя.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: