Relé de Distância do Tipo Impedância

تعریف و اصل عملکرد رله‌ی مانع (رله‌ی فاصله)

رله‌ی مانع، که به آن رله‌ی فاصله نیز می‌گویند، دستگاه محافظ ولتاژ-کنترل شده است که عملکرد آن به فاصله الکتریکی (مانع) بین نقطه خرابی و موقعیت نصب رله بستگی دارد. این رله با اندازه‌گیری مانع بخش خراب شده و مقایسه آن با یک آستانه پیش‌تنظیم شده عمل می‌کند.

مکانیزم عملکرد

• اندازه‌گیری و مقایسه: رله به طور مداوم ولتاژ خط (با استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ، PTs) و جریان (با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان، CTs) را مراقبت می‌کند تا مانع (Z = V/I) را محاسبه کند.

• پاسخ به خرابی: اگر مانع اندازه‌گیری شده کمتر از تنظیم رله (که نشان‌دهنده خرابی در منطقه محافظت شده است) باشد، دستور قطع به قطع‌کننده مدار داده می‌شود. در شرایط عادی، مانع خط بالا است (ولتاژ >> جریان)، که رله غیرفعال می‌ماند. هنگامی که خرابی رخ می‌دهد، جریان افزایش می‌یابد و ولتاژ کاهش می‌یابد، مانع کاهش می‌یابد و رله فعال می‌شود.

اصل عملکرد

در عملکرد عادی، نسبت ولتاژ به جریان (مانع) بالاتر از آستانه رله باقی می‌ماند. در زمان خرابی (مثلاً F1 در خط AB)، مانع کمتر از تنظیم می‌شود. برای مثال، اگر رله برای محافظت از خط AB با مانع عادی Z نصب شده باشد، خرابی مانع را کاهش می‌دهد و رله قطع‌کننده را فعال می‌کند. اگر خرابی خارج از منطقه محافظت شده (مثلاً فراتر از AB) باشد، مانع بالا باقی می‌ماند و رله غیرفعال می‌ماند.

ویژگی‌های عملکردی

رله شامل دو مؤلفه کلیدی است:

• عضو عملکرد جریان: گشتاوری متناسب با جریان تولید می‌کند.

• عضو محدودکننده ولتاژ: گشتاور بازگشتی بر اساس ولتاژ تولید می‌کند. معادله تعادل گشتاور:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 زاویه فاز بین ولتاژ و جریان، و θ زاویه گشتاور ماکسیمم رله است. در نمودار مانع، ویژگی عملکرد رله به صورت دایره‌ای مرکز در مبدأ ظاهر می‌شود، با شعاع برابر با مانع تنظیم شده. این ویژگی دایره‌ای حساسیت به هر دو اندازه و فاز مانع را فراهم می‌کند و تشخیص قابل اعتماد بین خرابی‌های داخلی و خارجی را امکان‌پذیر می‌سازد.

-K3 نشان‌دهنده تأثیر فنر رله است. در عملکرد عادی، گشتاور خالص = 0 با مقادیر V و I.

اگر تأثیر کنترل فنر نادیده گرفته شود، معادله به صورت زیر می‌شود

نمودار نشان‌دهنده ویژگی‌های عملکرد با ولتاژ و جریان است؛ خط تیره نشان‌دهنده مانع خط ثابت است.

نمودار زیر ویژگی عملکرد رله مانع را نشان می‌دهد. منطقه بالای خط مشخصه نشان‌دهنده گشتاور مثبت است، که در آن مانع خط بیشتر از مانع بخش خراب شده است و رله فعال می‌شود. به طور متقابل، منطقه گشتاور منفی (پایین خط) نشان‌دهنده این است که مانع خرابی بیشتر از مانع خط است و رله غیرفعال می‌ماند. این تمایز امکان تشخیص دقیق خرابی با مقایسه مانع اندازه‌گیری شده با آستانه پیش‌تنظیم شده را فراهم می‌کند و محافظت قابل اعتماد در سیستم‌های توان را تضمین می‌کند.

شعاع دایره نشان‌دهنده مانع خط است؛ زاویه X-R نشان‌دهنده موقعیت برداری است. مانع < شعاع = گشتاور مثبت (رله فعال می‌شود)؛ مانع > شعاع = گشتاور منفی (رله غیرفعال می‌ماند). این تمایز بصری امکان تشخیص سریع خرابی در سیستم‌های توان را فراهم می‌کند.

این رله به عنوان یک رله با سرعت بالا طبقه‌بندی می‌شود.

رله القایی مغناطیسی

گشتاور در این رله از تعاملات مغناطیسی بین ولتاژ و جریان که برای عملکرد مقایسه می‌شوند، ناشی می‌شود. در مدار آن، سولنوئید B - توسط ترانسفورماتور ولتاژ (PT) تغذیه شده - گشتاور ساعتگرد تولید می‌کند و پلونجر P2 را به پایین می‌کشاند. فنر روی P2 نیروی محدودکننده اعمال می‌کند و گشتاور مکانیکی ساعتگرد ایجاد می‌کند.

سولنوئید A، که توسط ترانسفورماتور جریان (CT) تحریک می‌شود، گشتاور ساعتگرد متمایل (پیک‌آپ) تولید می‌کند که پلونجر P1 را به پایین حرکت می‌دهد. در شرایط عادی، تماس‌های رله باز می‌مانند. در زمان خرابی در منطقه محافظت شده، جریان سیستم افزایش می‌یابد و گشتاور سولنوئید A افزایش می‌یابد در حالی که گشتاور بازگشتی سولنوئید B کاهش می‌یابد. این عدم تعادل بازوها رله را می‌چرخاند و تماس‌ها را بسته و محافظت را آغاز می‌کند. طراحی این رله اطمینان از پاسخ سریع به خرابی‌ها از طریق مقایسه گشتاور بین نیروهای مغناطیسی و مکانیکی را فراهم می‌کند.

نیروی وارد شده توسط سولنوئید A (عضو جریان) متناسب با I² است، در حالی که نیروی وارد شده توسط سولنوئید B (عضو ولتاژ) متناسب با V2 است. بنابراین، رله زمانی فعال می‌شود که نیروی ناشی از جریان بیشتر از نیروی ناشی از ولتاژ باشد.

ثوابت k1 و k2 به دورهای آمپر-چرخه دو سولنوئید و نسبت ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری بستگی دارند. تنظیمات رله می‌تواند از طریق تپ‌هایی روی سیم‌پیچ‌ها تنظیم شود.

در منحنی مشخصه، محور y نشان‌دهنده زمان عملکرد رله است، در حالی که محور x مانع را نشان می‌دهد. به طور قابل توجه، زمان عملکرد رله برای مقادیر مانع درون منطقه محافظت شده ثابت است (نشان‌دهنده عملکرد فوری). در فاصله تعیین شده (معادل مانع تنظیم شده)، مقادیر ولتاژ و جریان ثابت می‌شوند؛ فراتر از این نقطه، مانع اندازه‌گیری شده به طور نظری بی‌نهایت می‌شود، به این معنی که رله برای خرابی‌های خارج از محدوده محافظت خود غیرفعال می‌ماند. این رابطه خطی بین مانع و زمان عملکرد اطمینان از تشخیص سریع و قابل اعتماد خرابی‌ها در منطقه تعریف شده را فراهم می‌کند.

رله مانع القایی

نمودار مداری یک رله مانع القایی در زیر نشان داده شده است. این رله هر دو عضو جریان و ولتاژ را شامل می‌شود و دیسک آلومینیومی دارد که بین الکتروماگنت‌ها می‌چرخد.

الکتروماگنت بالایی دو پیچه متفاوت دارد: پیچه اصلی به لوله ثانویه ترانسفورماتور جریان (CT) متصل است، در حالی که پیچه ثانویه به ترانسفورماتور ولتاژ (PT) متصل است. تنظیم جریان پیچه اصلی می‌تواند از طریق پلی که زیر رله قرار دارد تنظیم شود و این امکان را فراهم می‌کند که حساسیت رله به صورت دقیق تنظیم شود. عضو ولتاژ، که توسط PT تغذیه می‌شود، میدان مغناطیسی تولید می‌کند که با میدان مغناطیسی ناشی از CT تعامل می‌کند.

این تعامل جریان‌های ادی در دیسک آلومینیومی تولید می‌کند که گشتاوری تولید می‌کند که آن را می‌چرخاند. در شرایط عادی، دیسک به دلیل گشتاورهای تعادلی ساکن می‌ماند؛ در زمان خرابی، افزایش جریان گشتاورها را نامتوازن می‌کند و دیسک را می‌چرخاند و تماس‌های رله را فعال می‌کند. این طراحی اطمینان از تشخیص قابل اعتماد خرابی‌های مبتنی بر مانع در سیستم‌های توان را فراهم می‌کند.

الکتروماگنت‌ها در رله به صورت سری متصل شده‌اند و میدان‌های القایی آن‌ها گشتاور چرخشی تولید می‌کنند که دیسک آلومینیومی را می‌چرخاند. یک مغناطیس دائمی هم گشتاور کنترلی و هم گشتاور محدودکننده را برای پایداری حرکت دیسک فراهم می‌کند.

در عملکرد عادی، نیروی روی آرماتور بیشتر از گشتاور عضو القایی است و تماس‌های قطع باز می‌مانند. هنگامی که خرابی سیستم رخ می‌دهد، جریان از طریق الکتروماگنت‌ها افزایش می‌یابد و دیسک آلومینیومی می‌چرخد. سرعت چرخش دیسک مستقیماً متناسب با جریان خرابی است و در حین چرخش فنری را می‌پیچد. این حرکت چرخشی به تدریج گشتاور محدودکننده از مغناطیس دائمی را غلبه می‌کند.

هنگامی که چرخش دیسک به یک حد بحرانی (معادل مانع تنظیم شده) می‌رسد، تماس‌های قطع بسته می‌شوند و پاسخ محافظتی آغاز می‌شود. این طراحی اطمینان از واکنش سریع رله به خرابی‌ها را در حالی که در شرایط عادی پایداری را حفظ می‌کند، فراهم می‌کند. مغناطیس دائمی کنترل ضروری بر شتاب و ترمز دیسک را برای جلوگیری از قطع نادرست فراهم می‌کند.

زاویه چرخش دیسک رله به نیروی آرماتور بستگی دارد که مستقیماً متناسب با ولتاژ وارد شده است. بنابراین، ولتاژ زاویه چرخش را تعیین می‌کند.

ویژگی زمانی رله مانع با سرعت بالا

نمودار نشان می‌دهد که رله برای مقادیری که بیش از 100٪ آستانه پیک‌آپ است غیرفعال می‌ماند. منحنی 1 نشان‌دهنده ویژگی عملکرد واقعی است، در حالی که منحنی 2 یک مدل ساده‌شده از منحنی 1 است. این طراحی اطمینان از پاسخ سریع به خرابی‌ها در محدوده تنظیم شده را در حالی که در شرایط عادی پایداری را حفظ می‌کند، فراهم می‌کند. عملکرد با سرعت بالای رله برای کاهش خسارت در سیستم‌های توان بسیار مهم است و منحنی ساده‌شده تسهیل در پیاده‌سازی و تحلیل تنظیمات رله محافظ را فراهم می‌کند.

نقایص رله مانع ساده

نقاط ضعف کلیدی رله‌های مانع عبارتند از:

• عدم تمایز جهت‌دار
  رله به تغییرات مانع در هر دو طرف ترانسفورماتور جریان (CT) و ترانسفورماتور ولتاژ (PT) پاسخ می‌دهد. این موضوع باعث می‌شود که قطع‌کننده‌ها تفاوت بین خرابی‌های داخلی (درون منطقه محافظت شده) و خرابی‌های خارجی (خارج از منطقه) را تشخیص دهند، که می‌تواند منجر به قطع نادرست یا تأخیر در جدا کردن خرابی‌ها شود.

• حساسیت به مقاومت قوس
  عملکرد رله به طور قابل توجهی تحت تأثیر مقاومت قوس در زمان خرابی قرار می‌گیرد. مقاومت قوس مانع اضافی تولید می‌کند که می‌تواند مانع واقعی خرابی را مخفی کند و باعث شود که رله یا به طور کمتر از حد (عدم قطع برای خرابی‌های داخلی) یا به طور بیشتر از حد (قطع نادرست برای خرابی‌های خارجی) واکنش نشان دهد.

• آسیب‌پذیری در برابر نوسانات توان
  رله‌های مانع بسیار حساس به نوسانات توان - نوسانات دوره‌ای در ولتاژ و جریان که توسط اختلالات سیستم (مثلاً تغییرات ناگهانی بار یا ناپایداری ژنراتور) ایجاد می‌شوند - هستند. نوسانات توان می‌توانند با تغییر مانع اندازه‌گیری شده شرایط خرابی را مقلد کنند و منجر به قطع نادرست یا تأخیر در عملکرد شوند.

• عملکرد غیرجهت‌دار
  رله هر زمان که مانع اندازه‌گیری شده کمتر از آستانه تنظیم شده باشد، قطع می‌کند، بسته به جهت خرابی. این بدان معناست که نمی‌تواند بین خرابی‌های جلو (در خط محافظت شده) و خرابی‌های عقب (به سمت منبع توان) تمایز قائل شود، که کاربرد آن را در سیستم‌های توان پیچیده و چندمنبعی محدود می‌کند.