Классические недостатки реле контроля фаз серии ЕЛ

"Новости Электротехники" №5(29) 2004

Реле контроля фаз ЕЛ-11,12,13 Артефакт истории или взгляд в будущее? Евгений Васин, инженер-конструктор релейной техники, ЗАО «Меандр», г. Санкт-Петербург

     Проблема защиты электрооборудования от некачественного напряжения в сети существует практически на любом предприятии, особенно при работе от источников трёхфазного напряжения. Кроме снижения и повышения напряжения на всех трёх фазах, существенную опасность представляет так называемый «перекос фаз» – случай, когда напряжения на фазах имеют разную величину, что приводит к перегреву обмоток двигателей или трансформаторов и выходу их из строя. Очень часто встречается и обрыв одной фазы.

     Во многих случаях для нормальной работы оборудования требуется строго определённый порядок чередования фаз питающего напряжения. Иногда в результате аварии в цепи питания может возникнуть ситуация, когда все три фазы имеют напряжение 220 В относительно земли, но при этом две из них замкнуты между собой (т.н. «слипание» фаз). Работа оборудования при таком напряжении приведёт к выходу его из строя.

     Для защиты оборудования от таких случаев выпускается большое количество различных реле контроля напряжения (реле контроля фаз, мониторы напряжения).

Наиболее распространенными импортными реле являются SQZ3, С556, СМ-PVN концерна АВВ, TPW400VSN4X, TPF400S4X компании TeleControl, EFN, PBN фирмы Entrelec и др.

     Самыми массово применяемыми отечественными реле контроля фаз для работы в сетях с изолированной нейтралью являются реле серии ЕЛ – ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13. Они были разработаны около 30 лет назад КБ «Ритм» Киевского «НПО реле и автоматика». Удачно выбранные пороги срабатывания и минимум регулировок, а также полное отсутствие альтернативы, способствовали широкому распространению этих реле. Практически без изменений они производятся и до сих пор.
Некоторые заводы выпускают эти реле в первозданном виде со всеми их достоинствами и недостатками. Другие компании предлагают улучшенные модели с цифровой обработкой сигнала, дополнительными функциями контроля, регулировками, повышенной надежностью.

Достоинства реле ЕЛ

      Реле ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13 предназначены для контроля полнофазности сетевого напряжения, порядка чередования фаз, снижения напряжения и могут использоваться в схемах автоматического управления и защиты от недопустимой асимметрии фазных напряжений и работы на двух фазах.

      Несмотря на огромный выбор импортных приборов на российском рынке, реле серии ЕЛ остаются популярными в первую очередь, из-за своей низкой цены, которая составляет 20–25 USD. Минимальная стоимость реле зарубежного производства – 50 USD, а максимальная – до 250 USD, что в условиях финансовой нестабильности многих российских промышленных предприятий является препятствием для применения импортной продукции.

      Кроме того, некоторые зарубежные реле требуют для работы отдельного напряжения питания (так называемого напряжения «оперативного питания»), что усложняет схему их подключения и ограничивает область применения. При этом питание реле серии ЕЛ осуществляется от контролируемой сети.

      Ещё одним аргументом в пользу применения отечественных реле служит диапазон рабочих температур. У импортных реле он редко бывает ниже минус 25оС, у наших, как правило, до минус 40°C. В российских климатических условиях это немаловажный фактор.

      Не всегда импортные приборы рассчитаны на работу в тяжелых условиях. Например, большие трудности возникают при контроле сетевого напряжения в метрополитене и на железных дорогах. Движение электропоезда сопровождается появлением большого количества нелинейных искажений сетевого напряжения в смежных электросетях (рис. 1). Не лучше обстоит дело и в металлургическом производстве (рис. 2). Наблюдались случаи, когда дорогие импортные реле контроля (даже известных фирм) при использовании в таких сетях работали нестабильно или просто отказывались работать. Отечественные реле, изначально разработанные для наших сетей, как правило, работают в таких условиях более устойчиво.

Рис. 1

Рис. 2

Выявленные недостатки реле ЕЛ

      Изначально у всех реле серии ЕЛ недостатком являлось большое тепловыделение и, как следствие, низкая надёжность. При плотной установке в шкафу и плохой вентиляции реле быстро выходили из строя. Так, у старых киевских реле на напряжение 380 В потребляемая мощность при номинальном напряжении была порядка 5 Вт. Современные реле потребляют около 3 Вт, а некоторые даже менее 2 Вт, что значительно повысило их надёжность.

      Другим существенным недостатком всех реле серии ЕЛ с аналоговой обработкой сигнала можно считать некорректность работы реле при включении в аварийном режиме. К сожалению, в сопроводительной документации многих заводов-производителей это никак не отражено. Между тем реле дают ложное включение на установленное время задержки при подаче на него пониженного или повышенного напряжения. Казалось бы, это довольно безобидная ситуация. Но, к примеру, при использовании на кругловязальной машине такого реле авария неизбежна, т. к. даже одной-двух секунд вращения в обратную сторону достаточно для поломки всех игл (от 500 до 2000 шт. в зависимости от типа машины). Поэтому при эксплуатации таких машин действуют по старинке: после подключения машины или ремонта силового кабеля снимают приводной ремень, включают двигатель и смотрят, в какую сторону он вращается. Отметим, что указанного недостатка лишены реле с цифровой обработкой сигнала.

      Приведем трагический пример недостатка реле с аналоговой обработкой сигнала. Дерево упало на ЛЭП и оборвало два провода. Провода упали на землю друг на друга, произошло так называемое «слипание» фаз. Автоматика не отключила напряжение и в результате погиб человек. В качестве защитного реле применялось реле ЕЛ-11. Электротехническая лаборатория эксплуатирующей организации, в чьём ведении находилась ЛЭП, провела сравнительные испытания реле ЕЛ-11 разных производителей. Были получены следующие результаты:

• при включении реле на номинальное напряжение с последующей имитацией различных видов аварий сетевого напряжения, оговоренных в сопроводительной документации, все реле работали точно в соответствии с документацией;
• при включении реле на номинальное напряжение с последующей имитацией «слипания» фаз (эта ситуация в документации не оговорена), реле, кроме приборов с цифровой обработкой сигнала, в большинстве случаев не отключаются, что и привело к трагическим последствиям;
• при включении реле на напряжение с оборванной фазой, или обратным порядком чередования фаз, или при «слипшихся» фазах, или при заниженном напряжении, все реле, кроме производимых ЗАО «Меандр», включали исполнительное реле на установленное время задержки и только после этого отключали его, обнаружив аварию сетевого напряжения.

      Оставляют желать лучшего устаревший дизайн корпуса реле серии ЕЛ, качество литья корпуса, а порой и сам материал корпуса. Поэтому некоторые производители уже освоили производство реле в других корпусах, в том числе импортных.

Области применения реле ЕЛ

Несмотря на то, что все реле серии ЕЛ контролируют полнофазность напряжения, они имеют разные области применения: ЕЛ-11 предназначено для контроля уровня напряжения, ЕЛ-12 – для контроля порядка чередования фаз и асимметрии напряжения (перекоса фаз), ЕЛ-13 – для контроля асимметрии напряжения без контроля чередования. Некоторые сферы применения:

Реле ЕЛ-11 используется для защиты источников питания, генераторов, а также в качестве приборов контроля в системах АВР и пр.

Реле ЕЛ-12 применяется для защиты мощных асинхронных электродвигателей, работающих в нереверсивном режиме.
К сожалению, в документации на это реле у большинства производителей указан порог срабатывания при снижении напряжения одной из фаз при номинальном напряжении двух других, что не позволяет полностью судить о том, как работает реле. Экспериментальным путем было установлено, что фактически оно срабатывает при асимметрии напряжений более 15–18%.

При обрыве одной из фаз некоторые типы двигателей генерируют напряжение (т.н. напряжение рекуперации) на оборванную фазу. Амплитуда напряжения может достигать 95% от напряжения на других фазах (в зависимости от типа двигателя и условий его работы). Реле ЕЛ-12 с цифровой обработкой сигнала имеют регулировку допустимого значения асимметрии в пределах от 5 до 20% линейного напряжения, что позволяет остановить двигатель при обрыве фазы. При этом реле не будет реагировать на симметричное проседание напряжения при пуске двигателя. Ещё одним плюсом таких реле является наличие минимального порога включения. Реле включится, только если напряжение в сети будет не ниже 70% номинального значения. Это особенно актуально для двигателей насосов, компрессоров и пр., где момент на валу не зависит от скорости вращения.

Реле ЕЛ-13 используется для защиты мощных электродвигателей, работающих в реверсивном режиме. Контролируемые параметры практически те же, что у ЕЛ-12, кроме контроля чередования фаз.

Реле выпускаются с разным временем срабатывания – 0,1 с, 0,15 с и 0,5 с, а также с регулировкой задержки от 0,1 до 10 с. Эти реле могут применяться для защиты от падения груза и стрелы на подъёмных кранах при обрыве одной или двух фаз питающей сети. В соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов», эти механизмы должны быть оснащены устройствами контроля, обеспечивающими включение режима торможения при аварии питающей сети. Этим требованиям отвечают реле ЕЛ-13 производства киевского «НПО реле и автоматики» и московского ООО «Реле и автоматика», ЕЛ-13М петербургского ЗАО «Завод СТС», ЕЛ-13М-10-01 и ЕЛ-13М-11-01 компании «Меандр». Реле с увеличенным временем срабатывания (0,5 с) применяется на кранах, где возможно кратковременное исчезновение питающего напряжения при переходе токосъёмника с одного троллея на другой для исключения ложных срабатываний. Для исключения человеческого фактора применять для этих целей реле с регулировкой времени срабатывания не рекомендуется.
Выпускается также модификация реле с регулировкой времени срабатывания и регулировкой порога срабатывания по напряжению ЕЛ-13М-5-01. Регулятор времени реакции позволяет установить желаемое значение от 0,1 до 10 секунд, чтобы избежать ложных срабатываний при наличии кратковременных возмущений в сети.

О новых моделях

Несколько слов о моделях реле типа ЕЛ с расширенным набором функций. Все реле производства ЗАО «Меандр» имеют контроль перенапряжения на уровне 1,3 Uном. Реле ЕЛ12М-5-01 и ЕЛ13М-5-01 имеют дополнительно порог включения реле на уровне 0,7 Uном для защиты электродвигателей от пуска при заниженном напряжении, а реле ЕЛ12М-6-01 и ЕЛ13М-6-01 – ещё и задержку повторного включения 6 мин. Эти реле предназначены для защиты электродвигателей компрессоров, холодильников, кондиционеров и пр., где частые повторные включения нежелательны.

В заключение хотелось бы отметить следующее. Эволюция реле серии ЕЛ, а именно:

• применение современных микроконтроллеров с аналого-цифровой обработкой сигналов;
• избавление от врождённых пороков;
• появление дополнительных функций и регулировок,
• ставит эти реле по своим характеристикам и надёжности в один ряд с реле контроля мировых лидеров, таких, как ABB, Siemens, Turk, Crouzet и пр.

Таблица

Сравнительные характеристики реле контроля фаз различных производителей

Тип реле

Произ- води- тель

Контро- лируемое линейное напряже- ние,В (напряже- ние питания)

Реле срабатывает

(выключается) при:

Мини- маль- ное нап- ряже- ние вклю- чения

Время сраба- тыва- ния, с

Заде- ржка пов- тор- ного вклю- чения

Потре- бля- емая мощ- ность, Вт

Спо- соб обра- ботки сигн- ала

Возможно приме- нение взамен:

асим- метрии фазных напря- жений

одно- фазном снижении напряже- ния

симмет- ричном снижении фазных напряже- ний

одно- фазном повыше- нии напряже- ния

обратном чередо- вании фаз

обрыве одной или двух фаз

cлипа- нии фаз

ЕЛ 11

1

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н*

< 0,6 Uфн

< 0,7 Uфн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

2,9**

ана- лог- овый

ЕЛ 11 М

1

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,7 Uфн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

3,2**

ана- лог- овый

ЕЛ 11

3

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,7 Uфн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

3,0**

ана- лог- овый

ЕЛ11 М – 01

4

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,7 Uфн

>1,3 Uфн

+

+

+

н/н

0,1 – 10

-

1,8**

циф- ро- вой

ЕЛ 11 М-5- 01

4

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н

регул 0,8–1,1 Uлн

0,8 - 1,1фн

> 1,3 Uфн

+

+

+

н/н

0,1 – 10

-

1,8**

циф- ро- вой

SSU31, SSU 33L (Turck), EW 2, F3US (Crouzet), С556, SQZ3 (ABB), SUD140 (Bender), PFS (Entrelec), 3UG3511 (Siemens)

РСН 25М

5

100, 220, 380, 400

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,7 - 0,81 Uфн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

6,5 ВА

ана- лог- овый

РОФ 11

5

100, 110, 220, 380, 400

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,7 Uфн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

7,5 ВА

ана- лог- овый

ЕЛ 12

1

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,5 Uн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

2,9**

ана- лог- овый

ЕЛ 12 М

1

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,5 Uн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

3,2**

ана- лог- овый

ЕЛ12

3

100, 110, 220, 380, 400, 415

н/н

< 0,6 Uфн

< 0,5 Uн

-

+

+

н/н

н/н

0,1 – 10

-

3,0**

ана- лог- овый

ЕЛ 12 М–01

4

100, 110, 220, 380, 400, 415

> 20%

-

< 0,5 Uн

>1,3 Uфн

+

+

+

0,7 Uн

0,1 – 10

-

1,8**

циф- ро- вой

ЕЛ 12М-5-01

4

100, 110, 220, 380, 400, 415

регул. 5 - 20%

-

< 0,5н

> 1,3 Uфн

+

+

+

0,7 Uн

0,1 – 10

-

1,8**

циф- ро- вой

EWА 2, FWA3 (Crouzet), PLR, PLM, DLM (ABB), 3UG 3512/13 (Siemens), PFN, PFS (Entrelec), SUD140, SAD142 (Bender)

ЕЛ 12 М-6-01

4

100, 110, 220, 380, 400, 415

регул. 5 - 20%

-

< 0,5н

> 1,3 Uфн

+

+

+

0,7 Uн

0,1 – 10

6 мин

1,8**

циф- ро- вой

РСН 6М

5

100, 220, 380

н/н

< 0,7 Uфн

< 0,5 Uн

-

+

+

н/н

н/н

0,15 – 10

-

6,5 ВА

ана- лог- овый

РОФ 12

5

110, 220, 380

н/н

< 0,75 Uфн

-

-

+

+

н/н

н/н

0,1

-

7,5 ВА

ана- лог- овый

ЕЛ13

1

220, 380

н/н

< 0,7 Uфн

< 0,5 Uн

-

-

+

н/н

н/н

0,15

-

2,9**

ана- лог- овый

ЕЛ 13 М

1

220, 380

н/н

< 0,7 Uфн

< 0,5 Uн

-

-

+

н/н

н/н

0,15

-

3,2**

ана- лог- овый

ЕЛ 13

3

220, 380

н/н

< 0,7 Uфн

< 0,5 Uн

-

-

+

н/н

н/н

0,15 – 10

-

3,0**

ана- лог- овый

ЕЛ 13 М-01

4

100, 110, 220, 380, 400, 415

> 20%

-

< 0,5 Uн

>1,3 Uфн

-

+

+

0,7 Uн

0,15

-

1,8**

циф- ро- вой

ЕЛ12М-5-01

4

100, 110, 220, 380, 400, 415

регул. 5 - 20%

-

< 0,5н

> 1,3 Uфн

-

+

+

0,7 Uн

0,15

-

1,8**

циф- ро- вой

EWА 2, FWA3 (Crouzet), PLR, PLM, DLM (ABB), SUD140, SAD142 (Bender), PFN, PFS (Entrelec), 3UG 3512/13, 3UG 3063/64 (Siemens)

РСН 27М

5

220, 380

н/н

< 0,7 Uфн

< 0,5 Uн

-

-

+

н/н

н/н

0,15

-

6,0 ВА

ана- лог- овый

РОФ 13

5

220, 380

н/н

< 0,7 Uфн

-

-

-

+

н/н

н/н

0,1

-

7,5 ВА

ана- лог- овый

• Uн – номинальное напряжение,
• Uфн – фазное номинальное напряжение,
• Uлн – линейное номинальное напряжение

• * н/н – не нормируется,
• ** данные получены экспериментально для реле на 380 В при номинальном напряжении

Производители:

1. «НПО реле и автоматики», г. Киев
2. ЗАО «Завод СТС», г. Санкт Петербург
3. ООО «Реле и автоматика», г. Москва
4. ЗАО «Меандр», г. Санкт-Петербург
5. ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары

Реле контроля фаз серии ЕЛ, несмотря на то, что они были разработаны около 30 лет назад, при соответствующей модернизации могут составить конкуренцию реле ведущих мировых производителей – так считает автор предыдущего материала. С ним не совсем согласен Валентин Сушко, сотрудник одного из ведущих российских предприятий в области релестроения.

Реле серии ЕЛ. Врожденные пороки вряд ли излечимы Валентин Сушко, к.т.н., ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары

В свое время при разработке реле серии ЕЛ ставилась задача получить более-менее приемлемые технические характеристики приборов при минимальной стоимости. Поэтому, как наиболее простое техническое решение, в измерительной части реле была использована бестрансформаторная схема с использованием выпрямления фазных напряжений.

Именно это и вызвало техническое несовершенство реле в части определения несимметрии питающего напряжения. В связи с выпрямлением измеряемых синусоидальных величин, измерялась амплитудная несимметрия при однофазном снижении напряжения. При этом фазная несимметрия не учитывалась. Такой метод определения несимметрии питающего напряжения не дает однозначного соотношения с величиной напряжения обратной последовательности, приводящего к перегреву и выходу из строя асинхронных двигателей. Не исключается и повреждение отдельных типов двигателей с учетом их нагрузочных режимов, так как реле не срабатывает по каналу несимметрии питающего напряжения.

Определение амплитудной несимметрии в реле серии ЕЛ породило еще один их недостаток: они не реагируют на аварийные режимы, когда отсутствует амплитудная несимметрия или она незначительна, но имеется существенная фазовая несимметрия, вызывающая появление больших значений напряжения обратной последовательности, приводящих к перегреву двигателей и выходу их строя. Одним из таких режимов является аварийный режим так называемого «слипания» фаз, когда при повреждении питающей сети обрывается одна из фаз и замыкается со стороны двигателя на другую фазу. При этом одно линейное напряжение сети подается на три фазы двигателя, две из которых замкнуты между собой.

Приветствуя попытки отечественных производителей модернизировать реле серии ЕЛ, не могу не отметить следующие моменты.

О несимметрии напряжений

Технические усовершенствования реле ЕЛ-12, ЕЛ-13 с использованием микропроцессорной элементной базы проводились, как это следует из схем реле, с использованием в измерительной части трехфазного выпрямительного моста. Таким образом, обработка информации в реле стала аналого-цифровой с операциями со скалярными величинами, а не с векторами, что не позволяет принципиально улучшить алгоритмы функционирования реле.

К сожалению, отсутствие в материале Е. Васина подробного описания алгоритмов обработки информации после выпрямления напряжений трехфазным выпрямительным мостом не позволяет объективно оценить техническое совершенство этих алгоритмов. Заявленные же технические характеристики реле могут либо приниматься доверительно, либо проверяться экспериментально. Как следует из данных таблицы, цифровая обработка сигналов скалярных величин позволила обеспечить работу реле при «слипании» фаз, хотя эта задача может быть решена и на аналоговых принципах.

Алгоритм определения асимметрии питающего напряжения, при указанных выше принципах аналого-цифровой обработки информации, принципиально улучшить невозможно.

О регулировке разбаланса фаз

Введение плавной регулировки разбаланса фаз в реле серии ЕЛ практически мало что дает, так как выбор уставки будет проводиться «вслепую». Выбор уставки разбаланса фаз по принципу отстройки от длительно существующей в сети несимметрии напряжений также не гарантирует защиту от опасного перегрева двигателя и выхода его из строя с учетом продолжительного нагрузочного режима.
Примененный в усовершенствованных реле алгоритм не позволяет использовать для расчета уставок разбаланса фаз известные псевдотепловые математические модели двигателей, базирующиеся на использовании фазных токов и токов обратной последовательности, как поступает, например, Schneider Electric. Применение указанных математических моделей позволяет рассчитать с использованием постоянных времени нагрева и охлаждения двигателя (приведенных фирмой-производителем или полученных экспериментально) уставку срабатывания реле по напряжению обратной последовательности, опасному с точки зрения перегрева двигателя.

Однако определить величину напряжения обратной последовательности в реле ЕЛ-12М, ЕЛ-13М принципиально невозможно. Для этого требуется реле с другими алгоритмами обработки информации о трех векторах напряжения вместо обработки информации о скалярных величинах. Соответственно будет необходим более производительный процессор и разделительный трехфазный трансформатор. При этом цена реле может вырасти в несколько раз.

Востребованность российским рынком таких более совершенных и одновременно дорогих реле находится под большим вопросом. При современном состоянии российской экономики потребитель, к сожалению, часто отдает предпочтение менее совершенным, но более дешевым техническим устройствам.

Кроме того, состояние нормативно-технической базы в России в ближайшие годы также не будет способствовать применению более совершенных реле защиты, так как, в соответствии с законом РФ «О техническом регулировании», все нормативно-технические документы, кроме технических регламентов, не будут носить обязательного характера, включая национальные стандарты и ПУЭ.
Необходимо отметить, что реле контроля фаз не могут полностью обеспечить защиту присоединений 0,4 кВ, включая двигатели, от аварийных и ненормальных режимов и они должны дополняться токовыми защитами присоединений.
Даже применяемые зарубежными производителями технические решения не обеспечивают в большинстве случаев защиту двигателей от несимметричных режимов в сети 0,4 кВ. Западные фирмы (Schneider Electric, Moeller и другие) выпускают специальные автоматические выключатели для защиты двигателей с термоэлектромагнитными или электронными расцепителями. Но эти выключатели в лучшем случае реагируют на «чистый» обрыв фазы в сети 0,4 кВ, но не реагируют на обрыв фазы со стороны высокого напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда–треугольник» и «треугольник–звезда», а также в других случаях несимметричных режимов.

В России автоматические выключатели для защиты двигателей не выпускаются вообще, а от перегрузки двигатели защищаются электротепловыми токовыми реле. В связи с известными недостатками последних, с 80-х годов прошлого столетия различными производителями выпускаются микроэлектронные реле защиты двигателей, в том числе от несимметричных режимов. Они применяются в дополнение или вместо электротепловых токовых реле.

Применить для защиты двигателя 0,4 кВ технически совершенные микропроцессорные защиты высоковольтных двигателей не представляется возможным из-за высокой цены последних (от 50 до 150 тыс. рублей за комплект). Таким образом, назрела необходимость разработки оптимальной системы построения в России защиты присоединений 0,4 кВ.

Выводы

1. Модернизация реле контроля фаз серии ЕЛ с использованием микропроцессорной элементной базы и аналого-цифровой обработкой информации о скалярных величинах не позволяет принципиально улучшить защиту от асимметрии питающего напряжения. Уставки защиты невозможно согласовать с тепловой характеристикой асинхронного двигателя при перегреве его токами обратной последовательности, вызванными напряжением обратной последовательности вследствие асимметрии питающего трехфазного напряжения.

2. Техническое совершенствование защиты от асимметрии питающего напряжения возможно только на пути применения фильтрового аналогового или цифрового реле напряжения обратной последовательности или введения соответствующей функции защиты в мониторе напряжения, как это реализуется во всех мониторах напряжения в сетях 6–35 кВ. Однако стоимость таких реле контроля фаз низковольтного напряжения значительно возрастет по сравнению с существующими реле серии ЕЛ, что ставит под сомнение их востребованность на российском рынке в ближайшее время.

3. Проведенная модернизация реле контроля фаз серии ЕЛ с применением аналого-цифровой обработки информации представляется полезной с точки зрения введения дополнительных функций: защиты от повышения напряжения, от «слипания» фаз, введения минимального напряжения включения.

Внимание!

Наше предприятие реализует аналоги реле контроля фаз серии ЕЛ с улучшенными характеристиками.

В статьях ведущего научного сотрудника ОАО «ВНИИР» г. Чебоксары В. Сушко «Полноценная защита стоит дорого. Готов ли платить потребитель?» («Новости Электротехники» №5(29) 2004) и «Реле серии ЕЛ. Врожденные пороки вряд ли излечимы» («Новости Электротехники» №6(30) 2004) автор ставит под сомнение во-первых, саму целесообразность использования микропроцессорной техники на стороне низкого напряжения, а, во-вторых, возможность этой техники в определении действующего значения напряжения и тока. Он считает, что методами аналоговой техники, такая задача решается и проще и дешевле.

С ним не согласны специалисты компании «Новатек-Электро», которые считают, что такую задачу методами аналоговой техники решить практически невозможно и раскрывают алгоритмы обработки информации своих устройств.

Принцип измернения действующего значения.

По определению, квадрат действующего значения сигнала X2 равен среднему значению квадрата сигнала

X2= <x(t)2>, (1)

где < > означает усреднение.

Для периодического сигнала x(t+T)=x(t) среднее значение квадрата определяется интегрированием за период сигнала T.

(2)

Задача реле напряжения: определить действующее значение напряжения и в зависимости от его величины принять определеное решение. Определение действующего значения и принятие решений можно производить или аналоговыми или цифровыми методами.

Аналоговые методы

а) получить из входного сигнала с помощью различных аналоговых модулей требуемый выходной сигнал.

б) по величине выходного сигнала принять решение

Цифровые методы

а) ввести массив величин значений сигнала (отсчетов).

б) провести математическую обработку отсчетов.

в) сформировать числовую величину и принять по ней решение.

Методами аналоговой схемотехники можно легко производить интегрирование аналоговых сигналов. Имея входной сигнал y(t) можно сравнительно просто на операционном усилителе реализовать интегратор, выполняющий преобразование сигнала по закону

=?y(t)dt (3)

Такой интегратор можно запускать и сбрасывать в нужные моменты времени. Однако методами аналоговой схемотехники практически невозможно осуществить:

а) операцию возведения сигнала в квадрат, т.е реализовать такой узел, в котором бы осуществлялось преобразование

x(t) > y(t) = x2(t)

б) операцию извлечения квадратного корня

x(t) > y(t) =vx(t)

Реализация таких операций требует применения сложных и дорогих узлов, выполненых на специализированных аналоговых микросхемах. Такие аналоговые преобразователи сигналов выполняются на нелинейных элементах, отличаются низкой температурной стабильностью , уходом параметров и нуждаются в периодической подстройке характеристик.

Можно утверждать, что ни в одном из аналоговых реле по настоящему не определяется действующее значение напряжения. Как правило, сигнал выпрямляется и усредняется

<x(t)>=∫|x(t)|dt (4)

и полученная таким образом величина используется вместо действующего значения для принятия решений в аналоговых реле.

С помощью современных микроконтроллеров, имеющих встроенные АЦП (аналогово-цифровые преобразователи) можно определять действующее значение сигнала с высокой точностью.

Определение действующего значения напряжения.

Для дискретных сигналов или при дискретном вводе непрерывного сигнала вместо x(t) известны значения x i
сигнал заменяется отсчетами x(t) > xi ,

интеграл заменяется суммой (5)

Входное сетевое напряжение через резистивный делитель подается на аналоговый вход микроконтроллера. Микроконтроллер вводит с частотой 10 кНz мгновенные отсчеты напряжения Ui.

По мгновенным отсчетам производится:

Для определения действующего значения сигнала производится накопление за период суммы квадратов мгновенных отсчетов SUi2. Величины отсчетов возводятся в квадрат и суммируются. Накопленная за период сумма нормируется на количество взятых отсчетов SUi2/ n, из полученной величины извлекается квадратный корень

(6)

Вычисленная величина U линейно пропорциональна действующему значению сетевого напряжения. Коэффициент пропорциональности определяется

а) делителем входного напряжения

б) разрядностью внутреннего АЦП.

в) опорным напряжением АЦП.

Для каждого прибора автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения напряжения в вольтах.

Таким образом только применение микроконтроллеров позволяет создавать массовые, дешевые устройства , с высокой точностью измеряющие действующие значения напряжений.

Особенностью измерения действующего значения напряжений сети является

а) большая величина входного сигнала. Сигнал ослабляется входным делителем, в нем отсутствуют шумы электроники.

б) малый диапазон изменения сигнала. Для принятия решений по сети ~220 V достаточно измерять с высокой точностью напряжение в диапазоне 150-300 Вольт, т.е диапазон изменений входного сигнала всего 2 раза.

Для напряжения метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов позволяет с высокой точностью производить измерение действующего значения.

Определение действующего значения тока.

Особенностью измерения действующего значения токов является:

а) малая величина входного сигнала.

Сигнал снимается с различных датчиков (Холла, трансформаторов тока, шунтов), как правило удаленных от прибора и требует предварительного усиления. В сигнале присутствуют шумы электроники и постоянные смещения;

б) большой диапазон изменения сигнала. Измеряемые величины тока зависят от включеной нагрузки и могут различаться в 100 – 1000 раз.

Для таких сигналов метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов не обеспечивает требуемую точность. Для задач измерения действующего значения токов применяется метод определения действующего значения по измерению отдельных гармоник сигнала тока. Принципом измерения является свертка входной последовательности отсчетов тока с соответствующей опорной гармоникой, построенной по периоду сетевого напряжения, т.е. строится функция синуса, период которой совпадает с периодом входного напряжения. Это связано с тем, что ток может или вообще отсутствовать или не иметь четко выраженной периодики, а сетевое напряжение всегда имеет четко выраженную периодичность.

Отсчеты входного сигнала x i сворачивается с синусом первой гармоники sin( t i) (7)

Аналогично сигнал сворачивается с косинусом первой гармоники (8)

Смысл различия синуса и косинуса заключается в том, что это две взаимо ортогональные функции (9)

Соотношение величин S1 и С1 определяется сдвигом фаз между измеряемым током и напряжением, что позволяет измерять сдвиги фаз между токами и напряжениями, а также и сдвиги фаз между токами ( в трехфазной нагрузке).

Величина  (10) линейно пропорциональна действующему значению первой гармоники тока.

Аналогично проводится свертки с кратными опорными гармониками и определяются действующие значения 3-й, 5-й, 7-й гармоник входного сигнала.

Величина  (11) линейно пропорциональна действующему значению тока.

В прибор автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения тока в амперах.Количество гармоник включаемых в анализ зависит от возможностей микроконтроллера по скорости ввода информации и проведению вычислений. Для дешевых приборов достаточно ограничиться 7-й гармоникой, так как опыт показывает, что в реальных токовых сигналах суммарная мощность гармоник выше 7 не превышает долей процента и их исключение не влияет на точность определения действующего значения и принятия решений.

Применение универсальных микроконтроллеров с аналоговыми входами позволяет создавать дешевые и надежные устройства контроля, с высокой точностью измеряющие действующие значения входных величин.

Реле напряжения и тока на микроконтроллерах отличаются высокой стабильностью, долгим сроком службы и не требуют подстройки параметров в течение всего срока эксплуатации.

Schneider Electric нашей электрике не указчик.

Во второй из вышеуказанных статей В. Сушко прозвучала не только критика в адрес отечественных микропроцессорных устройств, но и утверждения о том, что западные производители, особенно Schneider Electric, пошли в плане надежности и точности измерений значительно дальше. Действительность же показывает совершенно обратную картину и позволяет нам утверждать, что у указанного производителя в измерительной цепи используются аналоговые (пороговые) элементы, не способные в принципе произвести надежные измерения, особенно в проблемных сетях.

Испытательным Центром Железнодорожной Автоматики и Телемеханики (ИЦ ЖАТ ПГУПС) при Петербургском Государственном Университете Путей Сообщения производился выбор поставщика реле напряжения на современной элементной базе для замены дискретных устройств сертифицированных еще в 60-х годах прошлого века. Их выбор остановился на трех производителях реле: Меандр, Schneider Electric, Новатек-Электро. Испытания проводились по ГОСТ Р 50656-2001, предусматривающем более жесткие параметры испытаний, чем испытания для устройств общепромышленного назначения. Согласно этому ГОСТу указанные устройства относятся к техническим средствам, непосредственно не влияющим на безопасность движения поездов и предполагаемое место их эксплуатации характеризуется жесткой электромагнитной обстановкой третьего класса ТС ЖАТ и должно функционировать с критерием качества В при воздействии помех со степенями жесткости, предусмотренными для данного класса.

Для ТС ЖАТ третьего класса предусмотрены следующие максимальные параметры испытательных воздействий:

Электростатические разряды по ГОСТ Р 51317.4.2-99

Амплитуда напряжения импульса контактного разряда + 6 кВ

Амплитуда напряжения импульса воздушного разряда + 8 кВ

Наносекундные импульсные помехи по ГОСТ Р 51317.4.4-99

Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях питания и заземления + 2 кВ

Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях ввода/вывода + 1 кВ

Микросекундные импульсные помехи большой энергии по ГОСТ Р 51317.4.5-99

Амплитуда напряжения импульса «провод – земля» + 2 кВ

Амплитуда напряжения импульса «провод – провод» + 1 кВ

Амплитуда напряжения импульса на порты ввода-вывода + 1 кВ

Динамические изменения напряжения электропитания по ГОСТ Р 51317.4.11-99

Испытательное напряжение и длительность воздействия при:

провале напряжения питания 0,7 Uном в течение 1 с;

прерывание напряжения питания с критерием В 0 Uном в течение 1,3 с;

выбросе напряжения питания 1,2 Uном в течение 1 с.

Магнитное поле промышленной частоты по ГОСТ Р 50648-94

Длительное магнитное поле 30 А/м

Кратковременное магнитное поле 300 А/м

Радиочастотное электромагнитное поле по ГОСТ Р 51317.4.3-99

Напряженность поля в полосе частот 80 - 1000 МГц 10 В/м

Напряженность поля в полосе частот 800 - 960 МГц и 1,4 - 2 ГГц 30 В/м

Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными

полями по ГОСТ Р 51317.4.6-99

Испытательное напряжение в полосе частот 0,15 - 80 МГц 10 В

Кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 кГц по ГОСТ Р 51317.4.16-2000

Длительное напряжение помехи на частоте 50 Гц 30 В

Кратковременное напряжение помехи на частоте 50 Гц 100 В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 Гц 100-10 1) В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 150-1500 Гц 10 В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 1,5-15 кГц 10-100 2) В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 кГц 100 В

Примечания:

1) испытательное напряжение уменьшается на 20 дБ/декада,

2) испытательное напряжение возрастает на 20 дБ/декада.

Испытания дали следующие результаты:

- реле напряжения производства Меандр сгорели (в прямом смысле) после первого же испытания,
- реле производства Schneider Electric не дали ни одного надежного срабатывания ни по одному параметру,
- реле Новатек-Электро прошли все испытания.

В результате заказчик остановился именно на них и сейчас эти реле сертифицированы в составе комплетного устройства автоматики для железной дороги.