Компаратор для релейной защиты Советский патент 1993 года по МПК G05B1/01 

Ф Сигнал а неислра8/10Јл м Фиг.1

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и предназначено для повышения 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, обладая высоким техническим совершенством, отличаются довольно высокой сложностью и, следовательно, низкой надежностью. По статистическим данным такие устройства отказывают в 10-20 раз чаще, чем традиционные электромеханические реле. Ущерб от снижения неадежности разрабатываемых устройств может скомпенсировать, а в некоторых случаях - даже превысить положительный эффект от повышения их технического совершенства. С целью повышения 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 напряжения, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к источнику входного сигнала, а выход операционного усилителя 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 усилителя и входу первого инвертора, при этом выход первого интегратора подключен к инвертирующему входу операционного усилителя через четвертый резистор, а выход первого инвертора 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 с источниками входного и опорного напряжений, соединяющие первый и второй входы каждого операционного усилителя, повторитель, инвертор и дизъюнктор, причем другие входы операционных усилителей через резисторы соединены с источником сещения, а выходы первого операционного усилителя через инвертор, а второго через повторитель соединены со входами дизьюн- ктора.

Недостатком описанного компаратора,

как и предыдущего, является отсутствие самопроверки его исправности, Вследствие того возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и связей длительное время не выявляются 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 напряжения, один вывод которого соединен с земляной шиной, задатчик ворого входного сигнала, два реле, каждое с двумя группами контактов, и элемент ИЛИ, выход которого является выходом компаратора, а

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

5 контактами вторых контактных групп соответственно второго и первого реле, якори вторых контактных групп которых соединены с выходами соответственно второго и первого компараторов, первые входы кото0 рых соединены с вторым выводом источника опорного напряжения, а вторые входы соединены соответственно с якорями 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, является отсутствие самопроверки его исправности. Вследствие этого возникшие в его схеме отказы комплектующих элементов и связей длительное

5 время не выявляются 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 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 усилителя с источником опорного сигнала.

Некоторые другие повреждения комплектующих элементов прототипа приводят к 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

ТО обеспечить его высокую надежность.

Периодические проверки могли бы повысить полноту проверки исправности, но не могут полноценно заменить постоянный контроль исправности из-за большого вре15 мени выявления неисправностей.

Цель изобретения - повышение надежности путем повышения контролепригнод- ности за счет использования избыточности и введения в режиме дежурства защиты пэ0 раметров сигналов на контрольных точках в область с минимальной плотностью вероятности сигнала, соответствующего поврежденному компаратору, а также постоянного контроля величин этих сигналов.

5 Поставленная цель достигается 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 напряжения, первый диод, катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а анод - с пер-.

5 вым выводом третьего резистора, а также второй д%иод, дополнительно введены второй операционный усилитель, три резистора и элемент обьединения, причем второй вывод третьего резистора соединен с ин0 вертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, а его инветирующий вход через четвертый резистор соединен со вхо- 5 дом компаратора, а через пятый резистор - с шиной источника опорного напряжения, выход второго операционного усилителя 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 объединения и первым и вторым контрольными

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

Для снижения вероятности несрабатывания 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 четвертый диод в прямом включении, соединяющие второй вход элемента объединения с его выходом, причём объединенные 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 разноименные выводы которых соединены с первым входом элемента объединения, а другие соответственно через девятый и десятый резисторы соединены с выходом элемента объединения, седьмой и восьмой диоды, одни разоименные выводы которых соединены со вторым входом элемента единения, а другие соответственно через одиннадцатый и двенадцатой резисторы соединены с выходом элемента объединения, девятый диод, подключенный катодом к выходу элемента объединения, а анодом - к общей шине, причем объединенные выводы пятого диода и девятого резистора сое- динены с первым контрольным выходом элемента объединения, объединенные выводы шестого диода и десятого 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 изобретения, проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойст- ва, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект.

При этом обеспечивается сверхсуммарный технический эффект, обусловленной совокупностью указанных признаков, заключающийся в том, что в случае повреждения компаратора сигнал хотя бы на одной его контрольной точке с большой вероятностью изменится от того первоначального значения, которое соответствовало минимальной плотности вероятности контрльно- го сигнала, соответствующего поврежден ному компаратору, в область значений с большой плотностью вероятности такого

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,

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

5 компаратора.

Таким образом, предлагаемое изобретение удовлетворяет критерию существенные отличия.

На фиг. 1 приведена ,структурно-прин0 ципиальная схема компаратора; на фиг. - принципиальная схема элемента объединения, на фиг. 3 - принципиальная схема блока контроля исправности; на фиг. 4 - характеристика плотности вероятности сиг5 нала на выходе поврежденного операционного усилителя;, на фиг. 5 - рабочая характеристика компаратора.

Предлагаемый компаратор для 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 усилителя 1, а анод - через третий резистор 5 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 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 пятый резистор 8 - с

5 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 вклю0 чении, выходы обоих операционных усилителей 1 и б соединены соответственно с первым 11 и вторым 12 входами элемента 13 объединения, предназначенного для реализации соответствующей логической фун5 ции. Выход элемента 13 объединения 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 объединения соединены с соответствующими контрольными выходами компаратора.

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

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 вось- мого 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) со- держит пятый 21 и шестой 22 диоды, одни разноименные выводы которых соединены с первым входом элемента 13 объединения, а другие соответственно через девятый 23 и десятый 24 резисторы соединены с выходом элемента 13 объединения, 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 две- надцатый 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 объединения, объединенные выводы шестого диода 22 и десятого 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 объединения, а объединенные выводы восьмого диода 26 и двенадцатого резисто- ра 28 служат четвертым контрольным выходом элемента 13 объединения.

Блок контроля 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 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 с анодом диода 43, катод которого соединен с выходом операционного усилителя 35, инвертирующий вход операционного усилителя 41 через резистор 44 соединен с катодом диода 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, служит для сигнализации сработавшего состояния компаратора, выполненного на операционном усилителе 41. Диоды 54, 55 предназначены для реализации логической операции ИЛИ, а подключенный к их объединенным анодам элемент 56 выдержки времени выполнен по стандартной схеме реле времени и предназначен для задержки поступающего на него сигнала на время, равное, например. 10-15 секундам.

Предлагаемый компаратор для релейной защиты работает следующим образом.

Одним из наиболее важных свойств ре- леной 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, измеряющие параметры сигналов на контроль- ных точках устройства защиты или автоматики и по отклонению этих параметров от нормальных значений делающие вывод относительно исправного или для неисправного состояния контролируемого устройства; В качестве контрльных точек обычно выбираются выходы операционных усилителей, выводы транзисторов, реле и других элементов.

Операционный усилитель относится к числу наиболее распространенных элементов современных полупроводниковых схем релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем. Представляет большой интере вид распределения сигнала на его выходе при повреждениях операционного усилителя. Анализ схем отечественных и зарубежных операционных усилителей, обладающих высоким коэффициентом усиления, достигающим сотен тысяч раз и бо- лее, показал, что при подавляющем числе повреждений сигнал на их выходе стремится к максимально возможному или минимально возможному значению (т.е. к сигналу насыщенного состояния усилителя). Вероятность того, что при повреждении операционного усилителя самого по себе или работающего в режиме линейного усилителя, выходной сигнал значительно отклонится от предельных значений, по мнению большинства специалистов, подтверждаемому опытом эксплуатации, чрезвычайно мала. На фиг. 4 показана построенная в соответствии с изложенным характеристика f(q) плотности вероятности сигнала на выходе поврежденного усилителя. На этой характеристике удобно рассмотреть принцип выбора рабочей точки усилителя, харак- теризубщейся рабочим напряжением Upa6. на выходе исправного операционного уси- лителя .в режиме дежурства, Если задаться допустимым отклонением контрольного сигнала, равным Ли, т.е. принять ширину зоньг нечувствительности при диагностике

равной 2 Ли, то вероятность невыявления повреждения операционного усилителя пропорциональна заштрихованной на фиг. 4 площади. Вероятность же того, что неисправность будет выявлена, равна

Upa6 + Ли

Рь 1- /f(q)dU. (1)

ираб-Ли

То есть вероятность того, что неисправность будет выявлена, пропорциональна той площади фигуры, лежащей под кривой плотности вероятности f(q) и ограниченной осью координат напряжений U, которая находится за пределами зоны нечувствительности диагностического устройства. Отсюда ясно, что для повышения контролепригодности, мерой которой в рассматриваемом случае можно считать вероятность Рв, необходимо уменьшить ширину зоны нечувствительности 2 Ли и разместить рабочую точку Ураб. на таком уастке характеристики f(q), где плотность вероятности f(q) 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. Рассмотрим операционный усилитель 1 со вспомогательными элементами, В цепь отрицательной обратной связи введена цепочка из 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 компаратора Upa6. обеспечивается 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 Uon. При опорном напряжении положительного сигнала знак напряжения LJ1 на выходе операционного усилителя 1 отрицательный. Диод 18 при этом закрыт и напряжение U2 на выходе компаратора равно нулю. При росте величины напряжения Uex (отрицательного знака) на входе компаратора, напряжение Ui на выходе операционного усилителя 1 линейно изменяется до нуля (фиг, 5), при этом напряжение Uz на

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 компаратора и напряжение на его выходе Ui скачком увеличится до напряжения насыщения 1)макс. (фиг. 5). Открывается диод 18 и напряжение на выходе компаратора скачком увеличиваетя до максимума (фиг. 5). Напряжение срабатывания компаратора Ucp. можно определить из следующего выражения:

Ucp. -Uc

R2 fb

(2)

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

Введение цепи обратной связи из 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 в несрэботавшем состоянии компаратора напряжение Ui 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 СОСТОЯНИЙ Умакс. ИЛИ UMHH.,TO

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 Т 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

компаратора введен второй операционный усилитель 6 с такими же вспомогательными элементами, как у операционного усилителя 1. Теперь изменение напряжений на выхо- 5 дах 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 зна0 чительная 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.

5 При наличии двух однотипных схем (каналов), построенных на операционных усилителях 1 и б возникает возможность, по-разному связать их выходы. На фиг. 1 показана схема элемента объединения 13,

0 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

5 выходе элемента 13 объединения) появляется выходной сигнал. Резисторы 17 и 19 предохраняют операционные усилители 1и 6 от перегрузки током при коротком замыкании на выходе компаратора.

0Контроль величин напряжений на контрольных выходах элементов 13 объединения позволяет по разности этих напряжений выявлять, например, повреждения типа короткого замыкания в диодах

5. 18, 20. Эту функцию также выполняет блок контроля исправности.

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

0 надежность срабатывания компаратора. Надежность же несрабатывания может оказаться, для некоторых устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергосистем недостаточной. В этом случае

5 можно применять схему элемента объединения 13. изображенную на фиг. 2. Эта схема реализует логическую операцию И. Сопротивления резисторов 23 и 27 выбираются здесь равными и, например, на поря0 док 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 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 обтекаются значительным током и на них падает практически все напряжение, снимаемое с выходов операционных 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 Умакс. напряжение на выходе операционного усилителя 1 или 6), то сигнал на выход компаратора также не проходит. Если, например, вышел из строя операционный усилитель 1 и сигнал на его выходе стал равным Умэхс., то открывается диод 21. Диод 26 также остается открытым, так как напряжение на выходе операционного усилителя 6 имеет отрицательный знак. Пренебрегая падением напряжения на диодах и на внутренних сопротивлениях выходных каскадов усилителей 1 и 6, получим следующее выражение для определения напряжения на выходе компаратора Увых.:

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

где Уе - модуль напряжения на выходе операционного усилителя 6;

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

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

Ув

Умакс. UN

Уб -Уб.

Т.е. напряжение на выходе компаратора стремится приблизиться к отрицательному потенциалу на выходе неповрежденного операционного усилителя б и будет, как и в предыдущем случае, шунтироваться диодом 29. На выходе когмпаратора напряжение 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 6 открываются диоды 21 и 25, закрываются диоды 22.26, 29. На выходе компаратора появлятся сигнал.

При таком включении значительно повышается 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

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 преднэзачен для контроля исправно0 сти не только предлагаемого компаратора, но и всего сменного модуля и устройства релейной защиты или противоаварийной автом-атики энергосистем, в состав которых входит предлагаемый компаратор. Опыт ра5 боты показывает, что обычно количество комплектующих элементов, входящих в состав блока контроля исправности, не превышает 15-20% от общего состава контролируемого сменного модуля, устрой0 ства защиты или автоматики. Предлагаемый же компаратор будет только частью общей схемы такого устройства. Поэтому относительно высокая сложность блока контроля исправности по отношению ко всей схеме

5 предлагаемого компаратора не приведет к трудностям его применения.

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

0 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 подклю5 чаются к контрольным точкам второго канала компаратора. Поскольку каналы предлагаемого компаратора выполнены идентично, напряжения на их контрольных точках в режиме дежурства также равны.

0 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, по5 ступающих 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

0 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 скомпенсиро5 вать 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 одинаковых изменениях величин сиг налов, 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 1$ 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 элемен- 5 то в 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 при0 надлежат всему контролируемому устройству релейной защиты или противо- аварийной автоматики энергосистем в целом. С каждого сменного модуля контролируемого устройства сигнал заво5 дится на свой диод 55. При срабатывании любого элемента ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР типа рассмотренного выше и построенного на базе операционного усилителя 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 появляется сигнал, котрый высвечивает на щите управления

5 табло ЗАЩИТА НЕИСПРАВНА.

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

0 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 ВЫ5 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 операци0 онных 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

5 16 контроля исправности, изменяется. Нарушается баланс сигналов на сумматоре, построенном на операционном усилителе 35, и на его выходе .появляется значительный по величине сигнал. Срабатывает эле0 мент ВЫПРЯМИТЕЛЬ-КОМПАРАТОР и на выходе операционного усилителя 41 появляется предельный по величине сигнал отрицательной полярности. Начинает светиться светодиод 53, сигнализируя по5 вредившийся сменный модуль контролируемого устройства релейной защиты или противоаварийной автоматики энергосистем. Запускается 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 выявляет поврежденный сменный модуль и заменяет его на исправный.

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

В блоке контроля исправности 16 также могут возникать неисправности. Большая часть их тут же выявляется и приводит к срабатыванию этого блока и выдаче сигнала о неисправности защиты, после чего, как описано выше, производщится замена поврежденного сменного модуля устройства .защиты или автоматики вместе с входными элементами блока 16 контроля исправности на исправный.

К Этаким выявляемым неисправностям относятся повреждения резисторов 31, 32, 36, 37, 38, 39, операционных усилителей 30, 35, примерно половина повреждений операционного усилителя 41 (при которой на выходе этого усилителя появляется значительный по величине сигнал отрицательной полярности) и т.д.

Для современного выявления остальных неисправностей блока 16 контроля ис- правности предусмотрена электрическая кнопка 34. При нажатии этой кнопки скачком изменяются напряжения на выходах операционных усилителей 30, 35, появляется предельное напряжение отрицательной полярности на выходе операционного усилителя 41, начинает светиться светодиод 53 и запускается элемент 56 выдержки времени. Через 10-15 секунд должно высветиться табло ЗАЩИТА НЕИСПРАВНА. Если все произошло в соответствии с описанным, то блок 16 контроля исправности можно считать исправным, иначе - неисправным.

Из описанного ясно, что контроль исправности предлагаемого компаратора для релейной защиты ведется 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 измеряются контрольные сигналы и на выходе опе- рационного 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 предлагаемого компаратора для релейной защиты его рабочая точка (напряжение на выходах операционных усилителей 1 и 6} в режиме дежурства смещается с помощью сигнала, поступающего от источника опорного сигнала через резисторы 3 и 8 в область с минимальной плотностью вероятности контрольных сигналов, соответствующих поврежденному компаратору (фиг. 4).

В предлагаемом компараторе имеются два идентичных канала, сигналы на контрольных точках которых одинаково изменяются, в режиме дежурства дежурства исправного компаратора. Поэтому сигнал комбинированный контрольной точки (напряжение на выходе операционного усилителя 35, фиг. 3) формируется как сумма разностей параметров сигналов на однотипных контрольных точках.

Кроме предлагаемого компаратора на том же сменном модуле защиты или автоматики могут располагаться другие элементы и блоки. Если сигналы на их контрольных точках не изменяются 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 формироваться как сумма взятых 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 для релейной защиты лишь ко входами 15.

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

Из приведенного выше описания очевидно, что предлагаемый компаратор для 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 усилителя;

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 выявлены, так как не приводят к изменению напряжения на контрольной точке (на выходе операционного усилителя).

Ложные срабатывания компаратора- прототипа происходят 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 повреждения типа короткое замыкание диода (в данном случае того, катод которого соединен с выходом операционного усилителя).

Ложные срабатывания в компараторе- прототипэ тоже не выявляются, но в принципе могли бы быть выявлены 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 замыкания;

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

С учетом этих данных для прототипа

получаем Ясс Алс

:°-001гЪд

В 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:

1

Яос 0 ; Яле Яоу + 2 Яобр.рез 0,002

год

При тех же условиях в предлагаемом компараторе, при использовании схемы элемента объединения по фиг.2 имеем:

Яос

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

Яле 0 .

Таким образом, при использовании схемы элемента 13 объединения по фиг. 2 интенсивность отказов компаратора в срабатывании уменьшается 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 го-ворит 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.

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для повышения надежности узлов, блоков релейной защиты и противо- авэрийной автоматики энергосистем. Сущность изобретения: компаратор для релейной защиты содержит 2 операционных усилителя (1, 6), 6 резисторов (2, 3, 5, 7, 8,9), 2 диода (4,10), и 1 элемент объединения

Формулайзобретен и я

1, Компаратор для 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 напряжения, первый диод, катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, а анод - с первым выводом третьего резистора, а также второй диод, о т л и ч а ю щ и и- с 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 соответственное первым и вторым входами элемента объединения и первым и вторым контрольными выходами компаратора, выход Элемента объединения соединен с сигнальным выходом компаратора, а .контрольные выходы элемента объедине- ния соединены с соответствующими выходами компаратора.

и четвертый диод в прямом включении, соединяющие второй вход элемента объедине- ния с его выходом, причем объединенные выводы седьмого резистора и третьего диода соединены с первым контрольным выходом элемента объединения, а объединенные выводы восьмого резистора и четвертого диода соединены с вторым контрольным выходом элемента объединения. 3. Компаратор по п, 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью снижения вероятности ложного срабатывания, элемент объединения содержит пятый и шестой диоды, одни разноименные выводы которых соединены с первым входом элемента объединения, а другие соответственно через девятый и десятый резисторы соединены с выходом элемента объединения, седьмой и восьмой дмоды, одни разноименные выводы которых соединены с вторым входом элемента объединения, а другие соответственно через одиннадцатый и двенадцатый резисторы соединены с выходом элемента объединения, девятый, диод, подключенный катодом к выходу элемента объединения, а анодом - к общей шине, причем объединенные 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, 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