Relay ochronny przeciwko składowej ujemnej sekwencji

Definicja

Relay sekwencji ujemnej, znany również jako relay nierównowagi fazowej, jest zaprojektowany do ochrony systemu elektrycznego przed składowymi sekwencji ujemnej. Jego głównym zadaniem jest ochrona generatorów i silników przed nierównomiernymi obciążeniami, które zazwyczaj powstają w wyniku uszkodzeń między fazami. Gdy takie uszkodzenia wystąpią, składowe sekwencji ujemnej mogą powodować nadmierne nagrzewanie i naprężenia mechaniczne maszyn elektrycznych, co może prowadzić do poważnych uszkodzeń, jeśli nie zostaną właściwie zaadresowane.

Zasada działania i cechy

Relay sekwencji ujemnej zawiera specjalny filtr, który reaguje tylko na składowe sekwencji ujemnej obecne w systemie elektrycznym. Ponieważ nawet stosunkowo niewielka przepięć spowodowana składowymi sekwencji ujemnej może tworzyć niebezpieczne warunki pracy, relay jest skonfigurowany z niskim ustawieniem prądu. Pozwala to na szybkie wykrycie i reakcję na subtelne nierównomierne obciążenia, zanim one przerodzą się w większe problemy.

Choć relay sekwencji ujemnej jest zazemblowany, to zazemblowanie służy głównie do ochrony przed uszkodzeniami między fazą a ziemią. Niemniej jednak, nie eliminuje on bezpośrednio uszkodzeń między fazami; jego rolą jest wykrywanie składowych sekwencji ujemnej, które są symptomaticzne dla takich uszkodzeń, i inicjowanie odpowiednich działań ochronnych.

Konstrukcja

Konstrukcja relaya sekwencji ujemnej jest pokazana na poniższym rysunku. Zawiera cztery impedancje, oznaczone jako Z1, Z2, Z3 i Z4, które są połączone w konfiguracji mostkowej. Te impedancje są zasilane przez transformatory prądowe, które pobierają prąd z systemu pod ochroną. Cewka robocza relaya jest połączona z środkami tego mostka. Taka konkretna konfiguracja pozwala relayowi precyzyjnie wykrywać obecność i wielkość składowych sekwencji ujemnej, analizując różnice napięć między ramionami mostka, co umożliwia niezawodne i precyzyjne działanie dla ochrony systemów elektrycznych.

W obwodzie relaya sekwencji ujemnej, Z1 i Z3 mają czysto oporne charakterystyki, podczas gdy Z2 i Z4 posiadają zarówno opór, jak i indukcyjność. Wartości impedancji Z2 i Z4 są starannie dostosowane tak, aby prądy przepływające przez nie stale opóźniały się względem prądów płynących przez Z1 i Z3 o kąt 60 stopni.

Gdy prąd dochodzi do węzła A, dzieli się na dwie gałęzie, I1 i I4. Istotnie, prąd I4 opóźnia się względem prądu I1 dokładnie o 60 stopni. Ta konkretna relacja fazowa jest fundamentalna dla prawidłowego działania relaya sekwencji ujemnej, umożliwiając mu precyzyjne wykrywanie i reagowanie na składowe sekwencji ujemnej w systemie elektrycznym.

Podobnie, prąd z fazy B rozdziela się w węźle C na dwie równe składowe I3 i I2, gdzie I2 opóźnia się względem I3 o 60º.

Prąd I4 opóźnia się względem I1 o kąt 30 stopni. Podobnie, I2 opóźnia się względem IB o 30 stopni, podczas gdy I3 wyprzedza IB o ten sam margines 30 stopni. Prąd płynący przez węzeł B jest równy algebrycznej sumie I1, I2 i IY. Ta precyzyjna relacja fazowa i suma prądów w węźle B są kluczowe dla prawidłowego działania relaya sekwencji ujemnej, zapewniając jego zdolność do precyzyjnego wykrywania nierównomiernych warunków w systemie elektrycznym poprzez analizę różnic fazowych i wielkości tych prądów.

Prąd sekwencji dodatniej

Diagram fazowy przedstawiający składowe sekwencji dodatniej jest pokazany na poniższym rysunku. W sytuacji, gdy obciążenie jest zbilansowane, prąd sekwencji ujemnej jest nieobecny. W takich warunkach, prąd przepływający przez relay można opisać następującym równaniem. Relacja między zbilansowanym obciążeniem, brakiem prądu sekwencji ujemnej i prądem przez relay jest fundamentalna dla zrozumienia normalnego działania i funkcji ochronnych w systemie elektrycznym.

Działanie w warunkach zbilansowanych

W związku z tym, relay pozostaje aktywny podczas działania zbilansowanego systemu elektrycznego, zapewniając ciągłe monitorowanie i gotowość do reagowania na potencjalne anomalie.

Prąd sekwencji ujemnej

Jak pokazano na powyższym rysunku, prądy I1 i I2 mają równe wartości. Ze względu na ich równą i przeciwstawną naturę, efektywnie się wzajemnie eliminują. W rezultacie, tylko prąd IY przepływa przez cewki robocze relaya. Aby chronić przed szkodliwymi skutkami nawet drobnych przepięć, które mogą szybko eskalować w poważne problemy systemowe, ustawienie prądu relaya jest celowo utrzymane na niższym poziomie niż normalne prąd pełnego obciążenia. Ta wrażliwa kalibracja pozwala relayowi szybko wykrywać i reagować na nierównomierne warunki spowodowane składowymi sekwencji ujemnej.

Prąd sekwencji zerowej

W przypadku prądu sekwencji zerowej, prądy I1 i I2 są przesunięte fazowo względem siebie o kąt 60 stopni. Wynik tych dwóch prądów jest zgodny z fazą prądu IY. W rezultacie, cewka robocza relaya odczuwa całkowity prąd, który jest dokładnie dwa razy większy od prądu sekwencji zerowej. Ważne jest, aby zauważyć, że poprzez połączenie transformatorów prądowych (CT) w konfiguracji delta, relay można uczynić nieaktywnym dla prądów sekwencji zerowej. W tej konfiguracji połączenia delta, prądy sekwencji zerowej nie przepływają przez relay, co umożliwia selektywne filtrowanie lub omijanie pewnych typów prądów uszkodzeniowych, w zależności od wymagań ochrony systemu.

Indukcyjny relay sekwencji ujemnej

Konstrukcja indukcyjnego relaya sekwencji ujemnej jest bardzo podobna do konstrukcji indukcyjnego relaya przeciwprądowego. Zawiera metalową tarczę, zazwyczaj wykonaną z aluminium, która obraca się między dwoma elektromagnesami: górnym i dolnym.

Górny elektromagnes jest wyposażony w dwie cewki. Pierwsza cewka górnego elektromagnesu jest połączona z drugą stroną transformatora prądowego (CT) podłączonym do linii pod ochroną. Natomiast druga cewka górnego elektromagnesu jest połączona szeregowo z cewkami dolnego elektromagnesu.

Ze względu na obecność centralnego punktu styku, pierwsza cewka relaya ma trzy terminale. Faza R, przy pomocy CT i transformatora pomocniczego, zasilają górne pół relaya, podczas gdy faza Y zasilają dolne pół. Transformator pomocniczy jest specjalnie dostosowany, aby jego wyjście opóźniało się o kąt 120º zamiast standardowych 180º.

Działanie z prądami sekwencji dodatniej

Gdy obecne są prądy sekwencji dodatniej, prądy IR i IY przepływają przez pierwsze cewki relaya w przeciwnych kierunkach. Prądy I’R i I’Y mają równe wartości. Ten zbilansowany przepływ prądu zapewnia, że relay pozostaje w stanie nieaktywnym, ponieważ nie ma siły netto, która mogłaby go uruchomić.

Działanie z prądami sekwencji ujemnej

W przypadku uszkodzenia, prąd sekwencji ujemnej I jest indukowany do przepływu przez pierwszą cewkę relaya. Ten prąd sekwencji ujemnej zakłóca równowagę w relayu, rozpoczynając serię zdarzeń, które prowadzą do uruchomienia relayu i kolejnej akcji ochronnej.

Relay zacznie działać, gdy wartość prądu uszkodzenia przekroczy preustawioną wartość relaya. Oznacza to, że gdy prąd uszkodzenia stanie się wystarczająco duży, aby przekroczyć określony próg dla relaya, relay zostanie uruchomiony, aby wykonać swoją funkcję ochronną w systemie elektrycznym.