Negativ sekvensrelä

Definition

Ett negativsekvensrelä, även känd som obalansfasrelä, är utformat för att skydda det elektriska systemet mot negativa sekvenskomponenter. Dess primära funktion är att skydda generatörer och motorer från obalanserade belastningar, vilka vanligtvis uppstår på grund av fas-till-fasfel. När sådana fel uppstår kan de negativa sekvenskomponenterna orsaka överdriven uppvärmning och mekanisk spänning i elektriska maskiner, vilket potentiellt kan leda till allvarliga skador om de inte hanteras korrekt.

Arbetsprincip och egenskaper

Negativsekvensreläet innehåller en specialiserad filterkrets som svarar endast på de negativa sekvenskomponenterna som finns i det elektriska systemet. Eftersom även en relativt liten strömstyrka orsakad av negativa sekvenskomponenter kan skapa farliga driftförhållanden, konfigureras reläet med en låg strömsättning. Detta gör att det kan upptäcka och reagera snabbt på subtila obalanser innan de eskalerar till stora problem.

Även om negativsekvensreläet är jordat, tjänar denna jordning huvudsakligen till att skydda mot fas-till-jordfel. Den minskar dock inte direkt fas-till-fasfel; istället är dess roll att upptäcka de negativa sekvenskomponenter som är symptomatiska för sådana fel och utlösa lämpliga skyddshandlingar.

Konstruktion

Konstruktionen av negativsekvensreläet visas i figuren nedan. Det består av fyra impedanser, betecknade som Z1, Z2, Z3 och Z4, som är sammanbundna i en brokonfiguration. Dessa impedanser drivs av strömförstärkare, som mäter den elektriska strömmen från det skyddade systemet. Reläets arbetsspole är ansluten till midtpunkterna av denna brokrets. Denna specifika anordning möjliggör att reläet kan exakt mäta närvaron och magnituden av de negativa sekvenskomponenterna genom att analysera spänningskillnaderna över broarmarna, vilket underlättar ett tillförlitligt och precist fungerande för skyddet av elektriska system.

I kretsen för negativsekvensreläet visar Z1 och Z3 ren resistiv karaktär, medan Z2 och Z4 har både resistiv och induktiv egenskaper. Värdena för impedanserna Z2 och Z4 är noggrant justerade så att strömmarna genom dem konsekvent ligger efter strömmarna genom Z1 och Z3 med en vinkel på 60 grader.

När strömmen når punkt A delas den in i två grenar, nämligen I1 och I4. Betydande är att strömmen I4 ligger 60 grader efter strömmen I1. Denna specifika fasrelation är fundamental för det korrekta fungerandet av negativsekvensreläet, vilket möjliggör att det exakt upptäcker och reagerar på de negativa sekvenskomponenterna i det elektriska systemet.

På liknande sätt delas strömmen från fas B vid punkt C in i två lika komponenter I3 och I2, där I2 ligger 60 grader efter I3.

Strömmen I4 ligger 30 grader efter I1. På samma sätt ligger I2 30 grader efter IB, medan I3 ligger 30 grader före IB. Strömmen genom punkt B är ekvivalent med den algebraiska summan av I1, I2 och IY. Denna exakta vinkelförhållande och strömsummation vid punkt B är kritisk för det korrekta fungerandet av negativsekvensreläet, vilket säkerställer dess förmåga att exakt upptäcka obalanserade förhållanden inom det elektriska systemet genom att analysera fas- och magnitudskillnader mellan dessa strömmar.

Flöde av positiva sekvensströmmar

Fasordiagrammet som illustrerar de positiva sekvenskomponenterna visas i figuren nedan. I ett scenario där belastningen är balanserad, saknas den negativa sekvensströmmen. Under sådana omständigheter kan strömmen genom reläet beskrivas av följande ekvation. Detta förhållande mellan den balanserade belastningsförhållandet, frånvaron av negativa sekvensströmmar och strömmen genom reläet är fundamentalt för att förstå det normala fungerandet och skyddsfungeringarna inom det elektriska systemet.

Drift under balanserade förhållanden

Därför är reläet aktivt under drift av ett balanserat elektriskt system, vilket säkerställer kontinuerlig övervakning och beredskap att reagera på eventuella potentiella avvikelser.

Flöde av negativa sekvensströmmar

Som visas i figuren ovan har strömmarna I1 och I2 lika storlek. På grund av deras lika och motsatta natur neutraliserar de varandra effektivt. Som resultat går endast strömmen IY genom reläets arbetsspolar. För att skydda mot de skadliga effekterna av ens mindre överbelastningar, som snabbt kan eskalera till allvarliga systemproblem, hålls reläets strömsättning bevidst lägre än den normala fullbelastningsströmmen. Denna känsliga kalibrering möjliggör att reläet snabbt upptäcker och reagerar på obalanserade förhållanden orsakade av negativa sekvenskomponenter.

Flöde av nollsekvensströmmar

I fallet med nollsekvensströmmar är strömmarna I1 och I2 fasförskjutna från varandra med en vinkel på 60 grader. Resultatet av dessa två strömmar är faslikriktad med strömmen IY. Därför upplever reläets arbetsspole en total ström som är precis dubbelt så stor som nollsekvensströmmen. Det är viktigt att notera att genom att ansluta strömförstärkarna (CTs) i en delta-konfiguration, kan reläet göras inaktivt för nollsekvensströmmar. I denna deltakonfiguration flödar nollsekvensströmmar inte genom reläet, vilket ger ett sätt att selektivt filtrera bort eller omgå vissa typer av felströmmar beroende på systemets skyddsbehov.

Induktionsbaserat negativsekvensrelä

Konstruktionen av ett induktionsbaserat negativfassekvensrelä liknar till stor del den av ett induktionsbaserat överströmsrelä. Det innehåller en metallisk skiva, vanligtvis tillverkad av aluminium, som roterar mellan två elektromagneter: en övre elektromagnet och en nedre elektromagnet.

Den övre elektromagneten är utrustad med två vindningar. Primärvindningen av den övre elektromagneten är ansluten till sekundär sidan av strömförstärkaren (CT) som är kopplad till linjen som skyddas. Medan sekundärvindningen av den övre elektromagneten är seriekopplad med vindningarna av den nedre elektromagneten.

Tack vare en centraltapping har primärvindningen av reläet tre terminaler. Fas R, med hjälp av CTs och en hjälptransformator, energiseras den övre halvan av reläet, medan fas Y energiseras den nedre halvan. Hjälptransformatorn är specifikt justerad så att dess utdata ligger 120 grader efter snarare än den konventionella 180 grader.

Drift med positiva sekvensströmmar

När positiva sekvensströmmar är närvarande, flyter strömmarna IR och IY genom primärvindningarna av reläet i motsatt riktning. Strömmarna I’R och I’Y har lika storlek. Detta balanserade strömförråd säkerställer att reläet förblir inaktivt, eftersom det inte finns någon nettokraft som utlöser dess operation.

Drift med negativa sekvensströmmar

Vid ett fel, induseras en negativ sekvensström I att flyta genom primärvindningen av reläet. Denna negativa sekvensström stör jämvikten inom reläet, vilket sätter igång en serie händelser som leder till reläets aktivering och följande skyddsåtgärd.

Reläet kommer att initiera sin operation när magnituden av felströmmen överstiger den förinställda värdet för reläet. Detta innebär att när felströmmen blir tillräckligt stor för att överstiga den specifika tröskeln som fastställts för reläet, utlöses reläet till handling för att utföra sin skyddsroll inom det elektriska systemet.