Negativfolge-Relais

Definition

Ein Negativfolgerelais, auch bekannt als Unsymmetrie-Phasen-Relais, ist darauf ausgelegt, das elektrische System vor negativen Folgekomponenten zu schützen. Seine Hauptfunktion besteht darin, Generatoren und Motoren vor ungleichmäßigen Lasten zu schützen, die in der Regel aufgrund von Phasen-zu-Phasen-Fehlern auftreten. Wenn solche Fehler auftreten, können die negativen Folgekomponenten zu übermäßigem Erhitzen und mechanischem Stress in elektrischen Maschinen führen, was im Falle eines nicht angemessenen Handelns zu schwerwiegenden Schäden führen kann.

Funktionsprinzip und Merkmale

Das Negativfolgerelais verfügt über einen speziellen Filterkreis, der nur auf negative Folgekomponenten im elektrischen System reagiert. Da selbst eine relativ geringe Überstromstärke durch negative Folgekomponenten gefährliche Betriebsbedingungen verursachen kann, ist das Relais mit einer niedrigen Stromstufe konfiguriert. Dies ermöglicht es, subtile Ungleichgewichte frühzeitig zu erkennen und darauf zu reagieren, bevor sie zu größeren Problemen eskalieren.

Obwohl das Negativfolgerelais geerdet ist, dient diese Erdung hauptsächlich zum Schutz gegen Phasen-zu-Erde-Fehler. Allerdings mindert es nicht direkt Phasen-zu-Phasen-Fehler; stattdessen erkennt es die negativen Folgekomponenten, die symptomatisch für solche Fehler sind, und löst angemessene Schutzmaßnahmen aus.

Aufbau

Der Aufbau des Negativfolgerelais wird in der folgenden Abbildung dargestellt. Es verfügt über vier Impedanzen, bezeichnet als Z1, Z2, Z3 und Z4, die in einer Brückenschaltung verbunden sind. Diese Impedanzen werden von Stromtransformatoren gespeist, die den elektrischen Strom aus dem zu schützenden System abtasten. Die Betriebswicklung des Relais ist an den Mittelpunkten dieser Brückenschaltung angeschlossen. Diese spezielle Anordnung ermöglicht es dem Relais, die Anwesenheit und Stärke der negativen Folgekomponenten durch die Analyse der Spannungsunterschiede über den Brückenarmen präzise zu erfassen, wodurch ein zuverlässiger und genauer Betrieb für den Schutz des elektrischen Systems gewährleistet wird.

Im Schaltkreis des Negativfolgerelais weisen Z1 und Z3 ausschließlich widerständige Eigenschaften auf, während Z2 und Z4 sowohl widerständige als auch induktive Eigenschaften haben. Die Werte der Impedanzen Z2 und Z4 sind sorgfältig justiert, so dass die durch sie fließenden Ströme den durch Z1 und Z3 fließenden Strömen stets um 60 Grad nachlaufen.

Wenn der Strom die Verbindung A erreicht, teilt er sich in zwei Zweige, nämlich I1 und I4. Der Strom I4 fällt dem Strom I1 genau um 60 Grad hinterher. Diese spezifische Phasenverschiebung ist entscheidend für das korrekte Funktionieren des Negativfolgerelais, da es ihm ermöglicht, negative Folgekomponenten im elektrischen System präzise zu erkennen und darauf zu reagieren.

Ähnlich teilt sich der Strom aus Phase B an der Verbindung C in zwei gleich große Komponenten I3 und I2, wobei I2 um 60° hinter I3 zurückfällt.

Der Strom I4 fällt dem Strom I1 um 30 Grad hinterher. Ebenso fällt I2 dem IB um 30 Grad hinterher, während I3 um 30 Grad vor IB liegt. Der durch Verbindung B fließende Strom entspricht der algebraischen Summe von I1, I2 und IY. Diese präzise Winkelbeziehung und die Stromsumme an Verbindung B sind entscheidend für das korrekte Funktionieren des Negativfolgerelais, um ungleichmäßige Zustände im elektrischen System durch die Analyse der Phasen- und Amplitudenunterschiede dieser Ströme präzise zu erkennen.

Fluss der Positivfolgestroms

Das Phasendiagramm, das die positiven Folgekomponenten zeigt, ist in der folgenden Abbildung dargestellt. In einem Szenario, in dem die Last ausbalanciert ist, bleibt der negative Folgestrom aus. Unter diesen Umständen kann der durch das Relais fließende Strom durch die folgende Gleichung beschrieben werden. Diese Beziehung zwischen der ausbalancierten Lastbedingung, dem Fehlen des negativen Folgestroms und dem Strom durch das Relais ist grundlegend für das Verständnis des normalen Betriebs und der Schutzfunktionen im elektrischen System.

Betrieb unter ausbalancierten Bedingungen

Daher bleibt das Relais während des Betriebs eines ausbalancierten elektrischen Systems aktiv, um eine kontinuierliche Überwachung und Bereitschaft zur Reaktion auf potenzielle Anomalien sicherzustellen.

Fluss des Negativfolgestroms

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, weisen die Ströme I1 und I2 gleiche Magnituden auf. Aufgrund ihrer gleichen und entgegengesetzten Natur heben sie sich gegenseitig auf. Als Ergebnis fließt nur der Strom IY durch die Betriebswicklungen des Relais. Um sogar geringfügige Überlastungen, die schnell zu schwerwiegenden Systemproblemen führen können, abzufangen, wird die Stromstufe des Relais absichtlich niedriger als der normale Vollaststrom eingestellt. Diese empfindliche Kalibrierung ermöglicht es dem Relais, ungleichmäßige Zustände, die durch negative Folgekomponenten verursacht werden, frühzeitig zu erkennen und darauf zu reagieren.

Fluss des Nullfolgestroms

Im Falle des Nullfolgestroms sind die Ströme I1 und I2 um 60 Grad phasenversetzt. Das Resultat dieser beiden Ströme liegt in Phase mit dem Strom IY. Daher erlebt die Betriebswicklung des Relais einen Gesamtstrom, der genau zweimal so groß ist wie der Nullfolgestrom. Es ist wichtig zu beachten, dass durch die Verbindung der Stromtransformatoren (CTs) in einer Delta-Schaltung das Relais für Nullfolgeströme unbrauchbar gemacht werden kann. In dieser Deltaschaltung fließen keine Nullfolgeströme durch das Relais, was eine Möglichkeit bietet, bestimmte Arten von Fehlerströmen je nach den Schutzanforderungen des Systems selektiv herauszufiltern oder zu umgehen.

Induktionsartiges Negativfolgerelais

Der Aufbau eines induktionsartigen Negativfolgerelais ähnelt stark dem eines induktionsartigen Überstromrelais. Es verfügt über eine metallische Scheibe, die in der Regel aus einer Aluminiumspule hergestellt wird, die zwischen zwei Elektromagneten rotiert: einem oberen und einem unteren Elektromagneten.

Der obere Elektromagnet ist mit zwei Wicklungen ausgestattet. Die Primärwicklung des oberen Elektromagneten ist mit der Sekundärseite des Stromtransformators (CT) verbunden, der an der zu schützenden Leitung angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung des oberen Elektromagneten ist in Serie mit den Wicklungen des unteren Elektromagneten verbunden.

Aufgrund der Existenz einer Zentraleinspeisung hat die Primärwicklung des Relais drei Anschlüsse. Phase R, unterstützt durch CTs und einen Hilfstransformator, speist die obere Hälfte des Relais, während Phase Y die untere Hälfte speist. Der Hilfstransformator ist speziell justiert, so dass sein Ausgang um 120° statt um die üblichen 180° nachläuft.

Betrieb mit Positivfolgeströmen

Wenn positive Folgeströme vorhanden sind, fließen die Ströme IR und IY in entgegengesetzter Richtung durch die Primärwicklungen des Relais. Die Ströme I’R und I’Y haben gleiche Magnituden. Dieser ausbalancierte Stromfluss stellt sicher, dass das Relais inaktiv bleibt, da keine netto Kraft vorhanden ist, um seinen Betrieb auszulösen.

Betrieb mit Negativfolgeströmen

Im Falle eines Fehlers wird durch die Primärwicklung des Relais ein negativer Folgestrom I induziert. Dieser negative Folgestrom stört das Gleichgewicht im Relais, setzt eine Reihe von Ereignissen in Gang, die zur Aktivierung und anschließenden Schutzaktion des Relais führen.

Das Relais beginnt seinen Betrieb, sobald die Größe des Fehlerstroms den voreingestellten Wert des Relais überschreitet. Dies bedeutet, dass, wenn der Fehlerstrom groß genug wird, um den spezifischen Schwellwert des Relais zu übertreffen, das Relais in Aktion tritt, um seine Schutzfunktion im elektrischen System auszuführen.