Αρνητικός Σειρακτικός Συστήματος

Ορισμός

Ένας αρνητικός σειριακός ρελέ, επίσης γνωστός ως ανεξισορροπημένος φάσης ρελέ, σχεδιάζεται για να προστατεύει το ηλεκτρικό σύστημα από αρνητικές σειριακές συνιστώσες. Η βασική λειτουργία του είναι να προστατεύει γεννήτριες και μοτέρ από ανεξισορροπημένες φορτία, οι οποίες συνήθως προκύπτουν λόγω σφαλμάτων φάσης-σε-φάση. Όταν συμβαίνουν τέτοια σφάλματα, οι αρνητικές σειριακές συνιστώσες μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση και μηχανικό άγχος στα ηλεκτρικά μηχανήματα, με δυνατότητα να οδηγήσουν σε σοβαρές βλάβες αν δεν αντιμετωπιστούν σωστά.

Λειτουργικό Πρίντσιπ και Χαρακτηριστικά

Ο αρνητικός σειριακός ρελέ ενσωματώνει ένα ειδικό φίλτρο που ανταποκρίνεται μόνο στις αρνητικές σειριακές συνιστώσες που παρίστανται στο ηλεκτρικό σύστημα. Δεδομένου ότι ακόμη και μια σχετικά μικρή μέγεθος υπερτροφοδοσίας που προκαλείται από αρνητικές σειριακές συνιστώσες μπορεί να δημιουργήσει επικίνδυνες συνθήκες λειτουργίας, ο ρελέ ρυθμίζεται με χαμηλή ρύθμιση ρεύματος. Αυτό το επιτρέπει να ανιχνεύει και να αντιδρά σύντομα σε μικρές ανεξισορροπίες πριν αυτές εξελιχθούν σε μεγάλα προβλήματα.

Παρόλο που ο αρνητικός σειριακός ρελέ είναι συνδεδεμένος με τη γη, αυτή η σύνδεση πρωταρχικά υπηρετεί για να προστατεύει από σφάλματα φάσης-σε-γη. Ωστόσο, δεν αντιμετωπίζει άμεσα σφάλματα φάσης-σε-φάση· αντίθετα, η ρολή του είναι να ανιχνεύει τις αρνητικές σειριακές συνιστώσες που είναι χαρακτηριστικές τέτοιων σφαλμάτων και να ενεργοποιεί τις κατάλληλες προστατευτικές ενέργειες.

Κατασκευή

Η κατασκευή του αρνητικού σειριακού ρελέ είναι παρουσιασμένη στο παρακάτω σχήμα. Είναι εξοπλισμένος με τέσσερις αντιστάσεις, που σημειώνονται ως Z1, Z2, Z3 και Z4, οι οποίες είναι συνδεδεμένες σε μια ποντογραμμική διάταξη. Αυτές οι αντιστάσεις ενεργοποιούνται από μετατροπείς ρεύματος, οι οποίοι δείχνουν το ηλεκτρικό ρεύμα από το σύστημα που προστατεύεται. Το πηνίο λειτουργίας του ρελέ είναι συνδεδεμένο με τα μέσα της ποντογραμμικής διάταξης. Αυτή η συγκεκριμένη διάταξη επιτρέπει στο ρελέ να ανιχνεύει ακριβώς την παρουσία και την έκταση των αρνητικών σειριακών συνιστώσεων, αναλύοντας τις διαφορές τάσης στα πλευρά της ποντογραμμικής, διασφαλίζοντας αξιόπιστη και ακριβή λειτουργία για την προστασία των ηλεκτρικών συστημάτων.

Στο περιβάλλον του αρνητικού σειριακού ρελέ, οι Z1 και Z3 έχουν απολύτως αντιστατικές ιδιότητες, ενώ οι Z2 και Z4 έχουν και αντιστατικές και επαγωγικές ιδιότητες. Οι τιμές των αντιστάσεων Z2 και Z4 προσαρμόζονται με προσοχή ώστε τα ρεύματα που περνούν μέσα τους να παραμένουν πίσω από τα ρεύματα που περνούν μέσα των Z1 και Z3 κατά γωνία 60 βαθμών.

Όταν το ρεύμα φθάνει στο σημείο A, διασπάται σε δύο κλάδους, I1 και I4. Σημαντικά, το ρεύμα I4 παραμένει πίσω από το ρεύμα I1 κατά ακριβώς 60 βαθμούς. Αυτή η συγκεκριμένη σχέση φάσης είναι θεμελιώδης για την ορθή λειτουργία του αρνητικού σειριακού ρελέ, επιτρέποντάς του να ανιχνεύει και να ανταποκρίνεται ακριβώς στις αρνητικές σειριακές συνιστώσες στο ηλεκτρικό σύστημα.

Όμοια, το ρεύμα από τη φάση B διασπάται στο σημείο C σε δύο ίσες συνιστώσες I3 και I2, με το I2 να παραμένει πίσω από το I3 κατά 60º.

Το ρεύμα I4 παραμένει πίσω από το I1 κατά γωνία 30 βαθμών. Ομοίως, το I2 παραμένει πίσω από το IB κατά 30 βαθμούς, ενώ το I3 προηγείται του IB κατά την ίδια γωνία 30 βαθμών. Το ρεύμα που περνά μέσα από το σημείο B είναι ισοδύναμο με το αλγεβρικό άθροισμα των I1, I2 και IY. Αυτή η ακριβής γωνιακή σχέση και το άθροισμα ρεύματος στο σημείο B είναι κρίσιμη για την ορθή λειτουργία του αρνητικού σειριακού ρελέ, διασφαλίζοντας την ικανότητά του να ανιχνεύει ακριβώς τις ανεξισορροπίες στο ηλεκτρικό σύστημα αναλύοντας τις διαφορές φάσης και έκτασης μεταξύ αυτών των ρευμάτων.

Ροή Θετικών Σειριακών Ρευμάτων

Το διάγραμμα φάσης που απεικονίζει τις θετικές σειριακές συνιστώσες είναι παρουσιασμένο στο παρακάτω σχήμα. Σε ένα σενάριο όπου το φορτίο είναι ισορροπημένο, το αρνητικό σειριακό ρεύμα έχει απουσιάσει. Σε τέτοιες συνθήκες, το ρεύμα που περνά μέσα από το ρελέ μπορεί να περιγραφεί από την εξής εξίσωση. Αυτή η σχέση μεταξύ της ισορροπημένης συνθήκης φορτίου, της απουσίας αρνητικού σειριακού ρεύματος και του ρεύματος μέσα από το ρελέ είναι θεμελιώδης για την κατανόηση της κανονικής λειτουργίας και των προστατευτικών λειτουργιών στο ηλεκτρικό σύστημα.

Λειτουργία Κατά Ισορροπημένες Συνθήκες

Ως αποτέλεσμα, το ρελέ παραμένει ενεργό κατά τη λειτουργία ενός ισορροπημένου ηλεκτρικού συστήματος, διασφαλίζοντας συνεχή παρακολούθηση και έτοιμο να ανταποκριθεί σε οποιεσδήποτε δυνητικές ανωμαλίες.

Ροή Αρνητικών Σειριακών Ρευμάτων

Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, τα ρεύματα I1 και I2 έχουν ίσες έκτασης. Λόγω της ίσης και αντίθετης φύσης τους, ακυρώνονται αλληλουχικά. Ως αποτέλεσμα, μόνο το ρεύμα IY διασχίζει τα πηνία λειτουργίας του ρελέ. Για να προστατευτεί από τις επιζήμιες επιπτώσεις ακόμη και μικρών υπερφορτώσεων, οι οποίες μπορούν να εξελιχθούν γρήγορα σε σοβαρά προβλήματα στο σύστημα, η ρύθμιση ρεύματος του ρελέ είναι εξονυχιστικά χαμηλότερη από την κανονική ρύθμιση ρεύματος πλήρους φορτίου. Αυτή η ευαίσθητη ρύθμιση επιτρέπει στο ρελέ να ανιχνεύει και να ανταποκρίνεται σύντομα σε ανεξισορροπίες που προκαλούνται από αρνητικές σειριακές συνιστώσες.

Ροή Μηδενικών Σειριακών Ρευμάτων

Στην περίπτωση των μηδενικών σειριακών ρευμάτων, τα ρεύματα I1 και I2 είναι φάσης-απομακρυσμένα ο ένας από τον άλλο κατά γωνία 60 βαθμών. Το αποτέλεσμα αυτών των δύο ρευμάτων είναι σε φάση με το ρεύμα IY. Συνεπώς, το πηνίο λειτουργίας του ρελέ βιώνει ένα συνολικό ρεύμα που είναι ακριβώς διπλάσιο της έκτασης του μηδενικού σειριακού ρεύματος. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι, συνδέοντας τους μετατροπείς ρεύματος (CTs) σε διαδρομή δέλτα, το ρελέ μπορεί να καταστεί ανενεργό για μηδενικά σειριακά ρεύματα. Σε αυτή τη διάταξη σύνδεσης δέλτα, τα μηδενικά σειριακά ρεύματα δεν διασχίζουν το ρελέ, παρέχοντας ένα μέσο για επιλεκτική φίλτρωση ή παράκαμψη συγκεκριμένων τύπων ρευμάτων σφάλματος, ανάλογα με τις απαιτήσεις προστασίας του συστήματος.

Ενδυναμωτικός Τύπου Αρνητικός Σειριακός Ρελέ

Η κατασκευή ενός ενδυναμωτικού τύπου αρνητικού φάσης ρελέ παρόμοια είναι με αυτήν ενός ενδυναμωτικού τύπου υπερτροφοδοτημένου ρελέ. Διαθέτει ένα μεταλλικό δίσκο, συνήθως κατασκευασμένο από κατεψυγμένο αλουμίνι, που περιστρέφεται μεταξύ δύο ηλεκτρομαγνήτων: ενός ανώτερου και ενός κάτωτερου ηλεκτρομαγνήτη.

Ο ανώτερος ηλεκτρομάγνητης είναι εξοπλισμένος με δύο πηνία. Το πρωτεύον πηνίο του ανώτερου ηλεκτρομαγνήτη είναι συνδεδεμένο με τη δευτερεύουσα πλευρά του μετατροπέα ρεύματος (CT) που είναι συνδεδεμένο με την γραμμή υπό προστασία. Ενώ το δευτερεύον πηνίο του ανώτερου ηλεκτρομαγνήτη είναι συνδεδεμένο σε σειρά με τα πηνία του κάτωτερου ηλεκτρομαγνήτη.

Λόγω της παρουσίας μιας κεντρικής σύνδεσης, το πρωτεύον πηνίο του ρελέ έχει τρία τερματικά. Η φάση R, με τη βοήθεια CTs και ενός επιπλέον μετατροπέα, ενεργοποιεί την άνω μισή του ρελέ, ενώ η φάση Y ενεργοποιεί την κάτω μισή. Ο επιπλέον μετατροπέας ρυθμίζεται ειδικά ώστε το εξέλιγμα του να παραμένει πίσω κατά 120º αντί για τα συνηθισμένα 180º.

Λειτουργία με Θετικά Σειριακά Ρεύματα

Όταν παρέχονται θετικά σειριακά ρεύματα, τα ρεύματα IR και IY περνούν μέσα από τα πρωτεύοντα πηνία του ρελέ σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τα ρεύματα I’R και I’Y έχουν ίσες έκτασης. Αυτή η ισορροπημένη ροή ρεύματος εξασφαλίζει ότι το ρελέ παραμένει σε κατάσταση ανενεργό, καθώς δεν υπάρχει καμία συνολική δύναμη που να το ενεργοποιήσει.

Λειτουργία με Αρνητικά Σειριακά Ρεύματα

Σε περίπτωση σφάλματος, το αρνητικό σειριακό ρεύμα I ενδυναμώνεται να περάσει μέσα από το πρωτεύον πηνίο του ρελέ. Αυτό το αρνητικό σειριακό ρεύμα διαταράσσει την ισορροπία μέσα στο ρελέ, ενεργοποιώντας μια σειρά γεγονότων που οδηγούν στην ενεργοποίηση και την επόμενη προστατευτική ενέργεια του ρελέ.

Το ρελέ θα ξεκινήσει τη λειτουργία του όταν η έκταση του ρεύματος σφάλματος υπερβεί την προκαθορισμένη τιμή του ρελέ. Αυτό σημαίνει ότι όταν το ρεύμα σφάλματος γίνει αρκετά μεγάλο ώστε να υπερβεί τη συγκεκριμένη οριακή τιμή που έχει καθοριστεί για το ρελέ, το ρελέ ενεργοποιείται για να εκτελέσει την προστατευτική λειτουργία του στο ηλεκτρικό σύστημα.