Typ impedanční vzdálenostní spínače

Definice a princip impedančního relé (vzdálenostního relé)

Impedanční relé, také známé jako vzdálenostní relé, je ochranné zařízení řízené napětím, jehož fungování závisí na elektrické vzdálenosti (impedanci) mezi místem poruchy a místem instalace relé. Relé funguje tím, že měří impedanci vadné části a porovnává ji s předem nastavenou hranicí.

Funkční mechanismus

• Měření a porovnání: Relé neustále sleduje napětí na lince (prostřednictvím potenciálních transformátorů, PT) a proud (prostřednictvím proudových transformátorů, CT) k výpočtu impedance (Z = V/I).

• Odezva na poruchu: Pokud změřená impedancia je nižší než nastavení relé (což naznačuje poruchu uvnitř chráněné zóny), aktivuje se příkaz k odpojení obvodu. Za normálních podmínek je impedancia linky vysoká (napětí >> proud), což drží relé neaktivním. Když dojde k poruše, proud naroste a napětí klesne, což snižuje impedanci a aktivuje relé.

Princip fungování

Během normálního provozu zůstává poměr napětí k proudu (impedance) nad hranicí relé. Během poruchy (např. F1 na lince AB) klesne impedancia pod nastavení. Například, pokud je relé nainstalováno pro ochranu linky AB s normální impedancí Z, porucha sníží impedanci, což vyvolá tripping breaker. Pokud porucha leží mimo chráněnou zónu (např. za AB), zůstává impedancia vysoká a relé zůstává neaktivním.

Charakteristika fungování

Relé se skládá ze dvou klíčových komponent:

• Pracovní prvek proud: Generuje odchylující moment úměrný proudu.

• Brzdicí prvek napětí: Vytváří navracivý moment založený na napětí. Rovnice rovnováhy momentů je:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 je fázový úhel mezi napětím a proudem, a θ je maximální úhel momentu relé. Na diagramu impedance se charakteristika fungování relé objevuje jako kruh se středem v počátku, s poloměrem rovným nastavené impedanci. Tato kruhová charakteristika zajišťuje citlivost na jak velikost, tak fázi impedance, umožňující spolehlivé rozlišení mezi poruchami uvnitř a mimo chráněnou zónu.

-K3 reprezentuje pružinový efekt relé. Během normálního provozu je celkový moment = 0 s hodnotami V a I.

Pokud se pružinový kontrolní efekt zanedbá, rovnice se stává

Obrázek ukazuje charakteristiky fungování s napětím a proudem; tečkovaná čára označuje konstantní impedanci linky.

Následující obrázek znázorňuje charakteristiku fungování impedančního relé. Oblast nad charakteristikou představuje kladný moment, kde impedancia linky přesahuje impedanci vadné části, což aktivuje relé. Naopak, oblast s negativním momentem (pod čarou) indikuje, že impedancia poruchy přesahuje impedanci linky, což drží relé neaktivním. Toto rozlišení umožňuje přesné detekci poruch porovnáním měřené impedance s předem nastavenou hranicí, zajišťující spolehlivou ochranu v elektroenergetických systémech.

Poloměr kruhu představuje impedanci linky; fázový úhel X-R ukazuje vektorovou pozici. Impedance < poloměr = kladný moment (relé funguje); impedancia > poloměr = negativní moment (relé neaktivní). Toto vizuální rozlišení zajišťuje rychlou detekci poruch v elektroenergetických systémech.

Toto relé je kategorizováno jako vysokorychlostní relé.

Elektromagnetické indukční relé

Moment v tomto relé vzniká z elektromagnetických interakcí mezi napětím a proudem, které jsou porovnány pro fungování. V jeho obvodu generuje Solenoid B&mdash;napájený potenciálním transformátorem (PT)&mdash;moment ve směru hodinových ručiček, táhnoucí plunger P2 dolů. Pružina na P2 aplikuje brzdicí sílu, vytvářející mechanický moment ve směru hodinových ručiček.

Solenoid A, vzrušený proudovým transformátorem (CT), produkuje moment odchylový (pick-up) ve směru hodinových ručiček, pohybující plunger P1 dolů. Za normálních podmínek zůstávají kontakty relé otevřené. Během poruchy v chráněné zóně, rostoucí systémový proud zvyšuje moment Solenoidu A, zatímco snižuje brzdicí moment Solenoidu B. Tento nesrovnalost otáčí rovnovážné rameno relé, uzavírající kontakty k zahájení ochrany. Návrh zajišťuje rychlou odezvu na poruchy prostřednictvím porovnání momentu mezi elektromagnetickými a mechanickými silami.

Síla vyvolaná solenoidem A (prvkem proudu) je úměrná I², zatímco ta z solenoidu B (prvkem napětí) je úměrná V2. V důsledku toho se relé aktivuje, když síla odvozená od proudu překoná sílu odvozenou od napětí.

Konstanty k1 a k2 závisí na ampér-turnech obou solenoidů a poměrech instrumentálních transformátorů. Nastavení relé lze upravit pomocí zapojení na cívkách.

Na charakteristické křivce y-osa označuje dobu fungování relé, zatímco x-osa reprezentuje impedanci. Zvláště, doba fungování relé zůstává konstantní (což naznačuje okamžitou akci) pro impedanci uvnitř přednastavené ochranné zóny. V předurčené vzdálenosti (odpovídající nastavené impedanci) se hodnoty napětí a proudu stabilizují; za tímto bodem se teoreticky měřená impedancia stává nekonečnou, což znamená, že relé zůstává neaktivním pro poruchy mimo svou ochrannou oblast. Tato lineární vztah mezi impedancí a dobou fungování zajišťuje spolehlivou, rychlou detekci poruch uvnitř definované zóny.

Indukční impedanční relé

Circuit diagram indukčního impedančního relé je znázorněn níže. Toto relé zahrnuje oba prvky proudu a napětí, s hliníkovým kotoučem, který se otáčí mezi elektromagnety.

Horní elektromagnet obsahuje dvě odlišné vinutí: primární vinutí je spojeno se sekundárním cívkou proudového transformátoru (CT), zatímco sekundární vinutí je propojeno s potenciálním transformátorem (PT). Nastavení proudu primárního vinutí lze upravit pomocí zapojení pod relé, umožňující přesné kalibrování citlivosti relé. Prvek napětí, energizovaný PT, generuje magnetické pole, které interaguje s polem odvozeným od CT.

Tato interakce indukuje vířivé proudy v hliníkovém kotouči, produkující moment, který pohání jeho otáčení. Za normálních pracovních podmínek zůstává kotouč stacionární kvůli vyrovnaným momentům; během poruchy, přetok proudu naruší rovnováhu momentů, způsobí otáčení kotouče a aktivaci kontaktů relé. Tento design zajišťuje spolehlivou detekci poruch založenou na impedanci v elektroenergetických systémech.

Elektromagnety v relé jsou spojeny sériově, s jejich indukovanými fluxy generujícími otáčivý moment, který pohání hliníkový kotouč. Trvalý magnet poskytuje jak kontrolní, tak brzdicí moment k stabilizaci pohybu kotouče.

Během normálního provozu síla na armatuře převyšuje moment odvozený od indukčního prvku, což drží kontakty pro odpojení otevřené. Když dojde k poruše v systému, proud procházející elektromagnety naroste, což způsobí otáčení hliníkového kotouče. Rychlost otáčení kotouče je přímo úměrná proudem poruchy, namotávající pružinu, jak se otáčí. Tento otáčivý pohyb postupně překonává brzdicí moment trvalého magnetu.

Jakmile dosáhne otáčení kotouče kritického prahu (odpovídajícího nastavené impedanci), kontakty pro odpojení se zavřou, zahajují ochrannou odpověď. Tento design zajišťuje, že relé rychle reaguje na poruchy, zatímco udržuje stabilitu během normálního provozu, s trvalým magnety poskytující nezbytnou kontrolu nad zrychlením a brzdicími silami kotouče, aby se zabránilo neoprávněnému odpojení.

Úhel otáčení kotouče relé závisí na síle armatury, která je přímo úměrná použitému napětí. Proto napětí určuje úhel otáčení.

Časová charakteristika vysokorychlostního impedančního relé

Obrázek ukazuje, že relé zůstává neaktivním pro hodnoty přesahující 100 % hranice pick-up. Křivka 1 představuje skutečnou operační charakteristiku, zatímco křivka 2 nabízí zjednodušený model křivky 1. Tento design zajišťuje rychlou odezvu na poruchy uvnitř přednastaveného rozsahu, zatímco udržuje stabilitu za normálních podmínek. Vysokorychlostní funkce relé je klíčová pro minimalizaci škod v elektroenergetických systémech, s zjednodušenou křivkou usnadňující implementaci a analýzu v nastaveních ochranných relé.

Nedostatky jednoduchého impedančního relé

Následující jsou klíčové nedostatky impedančních relé:

• Chybějící směrové rozlišení
  Relé reaguje na změny impedance na obou stranách proudového transformátoru (CT) a potenciálního transformátoru (PT). To ztěžuje vypínačům rozlišení mezi interními poruchami (uvnitř chráněné zóny) a externími poruchami (mimo zónu), což může vést k nepotřebnému odpojení nebo zpožděné izolaci poruch.

• Citlivost na obloukový odpor
  Funkce relé je výrazně ovlivněna obloukovým odporem během poruch. Obloukový odpor přidává dodatečnou impedanci, která může maskovat skutečnou impedanci poruchy a způsobit, že relé buď nedostatečně reaguje (nezapíná se pro interní poruchy) nebo příliš reaguje (falešně zapíná se pro externí poruchy).

• Zranitelnost vůči kmitům výkonu
  Impedanční relé jsou velmi citlivá na kmitání výkonu&mdash;periodické oscilace napětí a proudu způsobené rušivými událostmi v systému (např. náhlé změny zatížení nebo nestabilita generátoru). Kmitání výkonu mohou napodobit stav poruchy změnou měřené impedance, což vede k falešnému zapnutí nebo zpožděnému fungování.

• Nesměrové fungování
  Relé zapne, kdykoli měřená impedancia klesne pod přednastavenou hranici, bez ohledu na směr poruchy. To znamená, že nemůže rozlišit mezi poruchami vpřed (uvnitř chráněné linky) a zpětnými poruchami (směrem k zdroji energie), což omezuje jeho použitelnost v komplexních, vícesouborových elektroenergetických systémech.