Реле отрицательной последовательности

Определение

Реле отрицательной последовательности, также известное как реле несимметричных фаз, предназначено для защиты электрической системы от компонентов отрицательной последовательности. Его основная функция — защита генераторов и двигателей от несимметричных нагрузок, которые обычно возникают из-за межфазных замыканий. При таких замыканиях компоненты отрицательной последовательности могут вызывать чрезмерный нагрев и механические напряжения в электрических машинах, что может привести к серьезному повреждению, если проблема не будет должным образом устранена.

Принцип работы и особенности

Реле отрицательной последовательности включает специализированную фильтрующую схему, которая реагирует только на компоненты отрицательной последовательности, присутствующие в электрической системе. Поскольку даже относительно небольшое значение перегрузки, вызванное компонентами отрицательной последовательности, может создать опасные условия эксплуатации, реле настроено с низким значением тока. Это позволяет ему своевременно обнаруживать и реагировать на незначительные несимметрии до того, как они превратятся в серьезные проблемы.

Хотя реле отрицательной последовательности заземлено, это заземление в основном служит для защиты от межфазно-земляных замыканий. Однако оно не напрямую устраняет межфазные замыкания; вместо этого его роль заключается в обнаружении компонентов отрицательной последовательности, являющихся признаками таких замыканий, и запуске соответствующих защитных действий.

Конструкция

Конструкция реле отрицательной последовательности показана на рисунке ниже. Оно включает четыре импеданса, обозначенные как Z1, Z2, Z3 и Z4, которые соединены в мостовой конфигурации. Эти импедансы питают трансформаторы тока, которые измеряют электрический ток системы, подлежащей защите. Обмотка реле подключена к серединам этой мостовой схемы. Такая конкретная конфигурация позволяет реле точно определять наличие и величину компонентов отрицательной последовательности, анализируя разницу напряжений между плечами моста, обеспечивая надежную и точную работу для защиты электрических систем.

В схеме реле отрицательной последовательности Z1 и Z3 имеют чисто резистивные характеристики, в то время как Z2 и Z4 обладают как резистивными, так и индуктивными свойствами. Значения импедансов Z2 и Z4 тщательно настраиваются таким образом, чтобы токи, проходящие через них, постоянно отставали от токов, протекающих через Z1 и Z3, на угол 60 градусов.

Когда ток достигает узла A, он делится на два ответвления, I1 и I4. Значительно, что ток I4 отстает от тока I1 на 60 градусов. Этот конкретный фазовый сдвиг является фундаментальным для правильного функционирования реле отрицательной последовательности, позволяя ему точно обнаруживать и реагировать на компоненты отрицательной последовательности в электрической системе.

Аналогично, ток из фазы B разделяется на узле C на две равные составляющие I3 и I2, где I2 отстает от I3 на 60 градусов.

Ток I4 отстает от I1 на угол 30 градусов. Аналогично, I2 отстает от IB на 30 градусов, в то время как I3 опережает IB на те же 30 градусов. Ток, проходящий через узел B, эквивалентен алгебраической сумме I1, I2 и IY. Эта точная угловая связь и суммирование токов в узле B являются критически важными для правильного функционирования реле отрицательной последовательности, обеспечивая его способность точно обнаруживать несимметричные условия в электрической системе, анализируя фазовые и амплитудные различия этих токов.

Прохождение тока положительной последовательности

Фазор диаграмма, изображающая компоненты положительной последовательности, показана на рисунке ниже. В случае, когда нагрузка сбалансирована, ток отрицательной последовательности отсутствует. В таких условиях ток, проходящий через реле, можно описать следующим уравнением. Эта связь между сбалансированным состоянием нагрузки, отсутствием тока отрицательной последовательности и током через реле является фундаментальной для понимания нормальной работы и защитных функций в электрической системе.

Работа в сбалансированных условиях

Следовательно, реле остается активным при работе сбалансированной электрической системы, обеспечивая непрерывный мониторинг и готовность к реагированию на любые потенциальные аномалии.

Прохождение тока отрицательной последовательности

Как показано на рисунке выше, токи I1 и I2 имеют одинаковые величины. Из-за их равных и противоположных характеристик они эффективно взаимно компенсируются. В результате только ток IY проходит через рабочие обмотки реле. Для защиты от вредных эффектов даже небольших перегрузок, которые могут быстро превратиться в серьезные проблемы системы, значение тока реле намеренно устанавливается ниже нормального значения полного тока нагрузки. Эта чувствительная настройка позволяет реле своевременно обнаруживать и реагировать на несимметричные условия, вызванные компонентами отрицательной последовательности.

Прохождение тока нулевой последовательности

В случае тока нулевой последовательности, токи I1 и I2 смещены по фазе друг относительно друга на угол 60 градусов. Результат этих двух токов совпадает по фазе с током IY. В результате обмотка реле испытывает общий ток, который в точности вдвое больше величины тока нулевой последовательности. Важно отметить, что, соединив трансформаторы тока (ТТ) в дельта-конфигурацию, реле можно сделать неактивным для токов нулевой последовательности. В этом дельта-соединении токи нулевой последовательности не проходят через реле, предоставляя возможность выборочно фильтровать или обходить определенные типы токов короткого замыкания в зависимости от требований защиты системы.

Индукционное реле отрицательной последовательности

Конструкция индукционного реле отрицательной последовательности очень похожа на конструкцию индукционного реле перегрузки по току. Оно включает металлический диск, обычно изготовленный из алюминиевой катушки, который вращается между двумя электромагнитами: верхним и нижним электромагнитами.

Верхний электромагнит оснащен двумя обмотками. Первичная обмотка верхнего электромагнита подключена к вторичной стороне трансформатора тока (ТТ), подключенного к линии, подлежащей защите. Вторичная обмотка верхнего электромагнита подключена последовательно с обмотками нижнего электромагнита.

Благодаря наличию центрального вывода, первичная обмотка реле имеет три терминала. Фаза R, с помощью ТТ и вспомогательного трансформатора, питает верхнюю половину реле, в то время как фаза Y питает нижнюю половину. Вспомогательный трансформатор специально настроен таким образом, чтобы его выход отставал на угол 120 градусов, а не на обычные 180 градусов.

Работа с токами положительной последовательности

При наличии токов положительной последовательности, токи IR и IY текут через первичные обмотки реле в противоположных направлениях. Токи I’R и I’Y имеют одинаковые величины. Этот сбалансированный поток тока обеспечивает, что реле остается в неактивном состоянии, поскольку нет нетто-силы, чтобы запустить его работу.

Работа с токами отрицательной последовательности

В случае возникновения неисправности, ток отрицательной последовательности I индуцируется в первичную обмотку реле. Этот ток отрицательной последовательности нарушает равновесие в реле, запуская серию событий, которые приводят к активации реле и последующим защитным действиям.

Реле начнет свою работу, как только величина тока неисправности превысит предустановленное значение реле. Это означает, что когда ток неисправности становится достаточно большим, чтобы превысить определенный порог, установленный для реле, реле срабатывает, выполняя свою защитную функцию в электрической системе.