Impedanzentyp-Distanzrelais

Definition und Prinzip des Impedanzrelais (Distanzrelais)

Ein Impedanzrelais, auch bekannt als Distanzrelais, ist ein stromgesteuertes Schutzgerät, dessen Funktion von der elektrischen Entfernung (Impedanz) zwischen dem Fehlerpunkt und der Relais-Installationsposition abhängt. Es funktioniert, indem es die Impedanz des fehlerhaften Abschnitts misst und mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht.

Funktionsweise

• Messung und Vergleich: Das Relais überwacht kontinuierlich die Leitungsspannung (über Spannungswandler, PTs) und den Strom (über Stromwandler, CTs), um die Impedanz (Z = V/I) zu berechnen.

• Fehlerreaktion: Wenn die gemessene Impedanz niedriger ist als die Einstellung des Relais (was einen Fehler im geschützten Bereich anzeigt), löst es einen Auslösebefehl für den Schaltkreis aus. Unter normalen Bedingungen ist die Leitungsimpedanz hoch (Spannung >> Strom), wodurch das Relais inaktiv bleibt. Bei einem Fehler steigt der Strom stark an und die Spannung sinkt, was die Impedanz reduziert und das Relais aktiviert.

Funktionsprinzip

Während des normalen Betriebs bleibt das Verhältnis von Spannung zu Strom (Impedanz) über dem Schwellwert des Relais. Bei einem Fehler (z.B. F1 auf Leitung AB) fällt die Impedanz unter die Einstellung. Wenn das Relais zum Schutz der Leitung AB installiert ist, mit einer normalen Impedanz Z, reduziert ein Fehler die Impedanz, was das Relais dazu veranlasst, den Schalter auszulösen. Wenn der Fehler außerhalb des geschützten Bereichs liegt (z.B. jenseits von AB), bleibt die Impedanz hoch und das Relais bleibt unaktiviert.

Betriebseigenschaften

Das Relais besteht aus zwei wesentlichen Komponenten:

• Strom-Betriebsglied: Erzeugt eine Drehmomentproportionalität zum Strom.

• Spannung-Hemmungsglied: Erzeugt ein Wiederherstellungs-Drehmoment basierend auf der Spannung. Die Drehmomentbilanzgleichung lautet:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 ist der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom, und θ ist der maximale Drehmomenteffektivwinkel des Relais. In einem Impedanzdiagramm erscheint die Betriebseigenschaft des Relais als Kreis, der am Ursprung zentriert ist, mit einem Radius, der gleich der Einstellimpedanz ist. Diese kreisförmige Eigenschaft gewährleistet Empfindlichkeit sowohl hinsichtlich der Impedanzgröße als auch der Phase, was eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Fehlern innerhalb und außerhalb des geschützten Bereichs ermöglicht.

-K3 repräsentiert den Feder-Effekt des Relais. Im Normalbetrieb beträgt das resultierende Drehmoment 0 bei den Werten von V und I.

Wenn der Federsteuerungseffekt vernachlässigt wird, lautet die Gleichung

Die Abbildung zeigt Betriebseigenschaften mit Spannung und Strom; die gestrichelte Linie kennzeichnet konstante Leitungsimpedanz.

Die folgende Abbildung zeigt die Betriebseigenschaft des Impedanzrelais. Der Bereich oberhalb der charakteristischen Linie stellt positives Drehmoment dar, bei dem die Leitungsimpedanz die des fehlerhaften Abschnitts überschreitet und das Relais auslöst. Umgekehrt stellt der Bereich mit negativem Drehmoment (unterhalb der Linie) den Fall dar, in dem die Fehlerimpedanz die Leitungsimpedanz übersteigt und das Relais inaktiv bleibt. Diese Unterscheidung ermöglicht eine genaue Fehlererkennung, indem die gemessene Impedanz mit dem voreingestellten Schwellwert verglichen wird, was einen zuverlässigen Schutz in Energieversorgungssystemen sicherstellt.

Der Radius des Kreises stellt die Leitungsimpedanz dar; der X-R-Phasenwinkel zeigt die Vektorposition an. Impedanz < Radius = positives Drehmoment (Relais arbeitet); Impedanz > Radius = negatives Drehmoment (Relais inaktiv). Diese visuelle Unterscheidung gewährleistet eine schnelle Fehlererkennung in Energieversorgungssystemen.

Dieses Relais wird als Hochgeschwindigkeitsrelais kategorisiert.

Elektromagnetisches Induktionsrelais

Das Drehmoment in diesem Relais entsteht durch elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Spannung und Strom, die für den Betrieb verglichen werden. In seinem Schaltkreis erzeugt Solenoid B, das von einem Spannungswandler (PT) gespeist wird, ein Uhrzeigersinn-Drehmoment, das den Plunger P2 nach unten zieht. Eine Feder auf P2 übt eine Hemmkraft aus, die ein Uhrzeigersinn-Mechanisches-Drehmoment erzeugt.

Solenoid A, angeregt durch einen Stromwandler (CT), erzeugt ein Uhrzeigersinn-Drehmoment (Pick-up-Drehmoment), das den Plunger P1 nach unten bewegt. Unter normalen Bedingungen bleiben die Relaiskontakte offen. Bei einem Fehler im geschützten Bereich erhöht sich der Systemstrom, was das Drehmoment von Solenoid A erhöht und das Wiederherstellungs-Drehmoment von Solenoid B reduziert. Dieser Ungleichgewicht dreht die Balancierarme des Relais, schließt die Kontakte und initiiert den Schutz. Das Design sorgt für eine schnelle Reaktion auf Fehler durch den Vergleich des Drehmoments zwischen elektromagnetischen und mechanischen Kräften.

Die Kraft, die von Solenoid A (dem Stromelement) ausgeübt wird, ist proportional zu I², während die Kraft von Solenoid B (dem Spannungselement) proportional zu V2 ist. Als Ergebnis wird das Relais aktiviert, wenn die stromabhängige Kraft die spannungsabhängige Kraft übersteigt.

Die Konstanten k1 und k2 hängen von den Ampere-Umdrehungen der beiden Solenoids und den Verhältnissen der Messwandler ab. Die Relaiseinstellungen können über Anzapfungen an den Spulen angepasst werden.

Auf der charakteristischen Kurve zeigt die y-Achse die Betriebszeit des Relais, während die x-Achse die Impedanz darstellt. Bemerkenswerterweise bleibt die Betriebszeit des Relais konstant (was einen sofortigen Einsatz anzeigt) für Impedanzen innerhalb des voreingestellten Schutzbereichs. Bei der vorbestimmten Distanz (die der eingestellten Impedanz entspricht), stabilisieren sich die Spannungs- und Stromwerte; jenseits dieses Punkts wird die gemessene Impedanz theoretisch unendlich, was bedeutet, dass das Relais für Fehler außerhalb seines Schutzbereichs inaktiv bleibt. Diese lineare Beziehung zwischen Impedanz und Betriebszeit gewährleistet eine zuverlässige, schnelle Fehlererkennung innerhalb des definierten Bereichs.

Induktionstypisches Impedanzrelais

Das Schaltbild eines induktionstypischen Impedanzrelais ist unten dargestellt. Dieses Relais enthält sowohl Strom- als auch Spannungselemente und verfügt über eine Aluminiumscheibe, die zwischen Elektromagneten rotiert.

Der obere Elektromagnet enthält zwei verschiedene Wicklungen: die Primärwicklung ist mit der Sekundärspule eines Stromwandlers (CT) verbunden, während die Sekundärwicklung mit einem Spannungswandler (PT) verbunden ist. Die Stromeinstellung der Primärwicklung kann über eine Steckbrücke unter dem Relais angepasst werden, was eine präzise Kalibrierung der Empfindlichkeit des Relais ermöglicht. Das Spannungselement, gespeist vom PT, erzeugt ein magnetisches Feld, das mit dem stromabhängigen Feld vom CT interagiert.

Diese Interaktion induziert Wirbelströme in der Aluminiumscheibe, die ein Drehmoment erzeugen, das ihre Rotation antreibt. Unter normalen Betriebsbedingungen bleibt die Scheibe aufgrund ausgeglichener Drehmomente stationär; bei einem Fehler führt der Stromanstieg zu ungleichmäßigen Drehmomenten, was die Scheibe rotieren lässt und die Relaiskontakte auslöst. Dieses Design gewährleistet eine zuverlässige impedanzbasierte Fehlererkennung in Energieversorgungssystemen.

Die Elektromagnete im Relais sind in Serie geschaltet, wobei ihre induzierten Flussdichten ein Rotationsmoment erzeugen, das die Aluminiumscheibe antreibt. Ein Permanentmagn