Impedanssityyppinen etäisyysrelä

Häiriösuhteen (etäisyysrelaasin) määritelmä ja periaate

Häiriösuhteena tunnetaan myös etäisyysrelaasi, joka on sähköisesti ohjattu suojalaitte, jonka toiminta riippuu häiriöpaikan ja relaasin asennuspisteen välisestä sähköisestä etäisyydestä (häiriösuhteesta). Se toimii mitaten häiriöalueen häiriösuhtetta ja vertaamalla sitä ennakkoon asetettuun kynnysarvoon.

Toimintamekanismi

• Mittaus ja vertailu: Relaasi seuraa jatkuvasti linjan jännitettä (potentiaali­muuntimien, PT:n kautta) ja virtaa (virtamuuntimien, CT:n kautta) laskemalla häiriösuhteen (Z = V/I).

• Häiriöreaktio: Jos mittatun häiriösuhteen arvo on pienempi kuin relaasin asetus (mikä viittaa häiriölle suojellulla alueella), se käynnistää katkaisimen. Normaalissa tilassa linjan häiriösuhteessa on korkea (jännite >> virta), mikä pitää relaasin passiivisena. Kun häiriö tapahtuu, virta kasvaa ja jännite laskee, mikä vähentää häiriösuhetta ja aktivoi relaasin.

Toiminnan periaate

Normaalissa toiminnassa jännite-virtasuhteen (häiriösuhteen) arvo pysyy yli relaasin kynnysarvon. Häiriötapahtuman aikana (esim. F1 linjalla AB) häiriösuhteessa pudotetaan asetuksen alapuolelle. Esimerkiksi, jos relaasi on asennettu suojamaan linja AB normaalin häiriösuhteen Z kanssa, häiriö vähentää häiriösuhetta, mikä saa relaasin katkaisemaan katkaisimen. Jos häiriö sijaitsee suojellun alueen ulkopuolella (esim. AB:stä pitemmälle), häiriösuhe pysyy korkeana, ja relaasi pysyy passiivisena.

Toiminnalliset ominaisuudet

Relaasissa on kaksi keskeistä komponenttia:

• Virtakomponentti: Luo virran suhteessa verrannollisen poisto­momentin.

• Jännitekomponentti: Tuottaa palautusmomentin jännitteen perusteella. Momenttien tasapainoyhtälö on:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 on jännite ja virta välillä oleva vaihekulma, ja θ on relaasin maksimi­momentin kulma. Häiriösuhtediagrammissa relaasin toiminnallinen ominaisuus näyttää ympyränä, jonka keskipiste on origossa ja säde on asetettu häiriösuhe. Tämä ympyrämuotoinen ominaisuus varmistaa herkkyyden sekä häiriösuhteen suuruuteen että vaiheeseen, mahdollistaen luotettavan erottelun sisä- ja ulkoalueiden välillä.

-K3 edustaa relaasin kehän vaikutusta. Normaalissa toiminnassa netto­momentti = 0 jännitteen ja virran arvoilla.

Jos kehän vaikutus jätetään huomiotta, yhtälöksi tulee

Kuva näyttää toiminnalliset ominaisuudet jännitteen ja virran kanssa; katkoviiva kuvaa vakio­linjahäiriösuhetta.

Alla oleva kuva havainnollistaa häiriösuhterelaasin toiminnallisia ominaisuuksia. Piirityn yläpuolinen alue edustaa positiivista momenttia, jossa linjan häiriösuhe ylittää häiriöalueen häiriösuhteen, käynnistäen relaasin toiminnan. Toisaalta negatiivinen momentti­alue (piirityn alla) viittaa siihen, että häiriöalueen häiriösuhe ylittää linjan häiriösuhteen, pitäen relaasin passiivisena. Tämä erottelu mahdollistaa täsmällisen häiriön havaitsemisen vertaamalla mitatun häiriösuhteen ennakkoon asetettuun kynnysarvoon, varmistamalla luotettavan suojauksen sähköverkossa.

Ympyrän säde edustaa linjahäiriösuhetta; X-R vaihekulma kuvaa vektorin sijaintia. Häiriösuhe < säde = positiivinen momentti (relaasi toimii); häiriösuhe > säde = negatiivinen momentti (relaasi passiivinen). Tämä visuaalinen ero varmistaa nopean häiriön havaitsemisen sähköverkossa.

Tämä relaasi luokitellaan nopeaksi relaasiksi.

Sähkömagneettinen induktiorelaasi

Tässä relaasissa momentti syntyy sähkömagneettisista vuorovaikutuksista jännitteen ja virran välillä, jotka vertaillaan toiminnan aktivoinniksi. Sen piirissä Solenoidi B - jota potentiaali­muuntin (PT) voimistaa - tuottaa myötäpäiväisen momentin, vetäen plungerin P2 alas. P2:llä on keha, joka soveltaa rajoittavaa voimaa, luoden myötäpäiväisen mekaanisen momentin.

Solenoidi A, jota virtamuuntin (CT) voimistaa, tuottaa myötäpäiväisen deflektoivan (pick-up) momentin, joka liikuttaa plungeriä P1 alas. Normaalissa toiminnassa relaasin kontaktit pysyvät auki. Suojellun alueen häiriötapahtumassa järjestelmän virta kasvaa, lisää Solenoidi A:n momenttia ja vähentää Solenoidi B:n palautusmomenttia. Tämä epätasapaino pyöräyttää relaasin tasapainokäsien, suljettaen kontaktit aloittaakseen suojauksen. Suunnitelma varmistaa nopean reaktion häiriöihin vertaamalla sähkömagneettisiin ja mekaanisiin voimiin.

Solenoidi A:n (virtakomponentti) voima on verrannollinen I², kun taas Solenoidi B:n (jännitekomponentti) voima on verrannollinen V2. Tämän vuoksi relaasi aktivoituu, kun virtasta johtuva voima ylittää jännitteestä johtuvan voiman.

Vakiot k1 ja k2 riippuvat kahden solenooidin amperekiertoista ja mittari­muuntimien suhteista. Relaasin asetukset voidaan säätää kytkimällä kytkentöjen päälle.

Ominaisuuskäyrällä y-akseli edustaa relaasin toiminta-aikaa, kun taas x-akseli edustaa häiriösuhetta. Huomattavasti relaasin toiminta-aika pysyy vakiona (viittaa välittömään toimintaan) asetetulle suojavalille. Määrätyllä etäisyydellä (vastaavasti asetetulla häiriösuhteen) jännite- ja virtarakenteet vakautuvat; tämän pisteen jälkeen mitattu häiriösuhe teoreettisesti lähestyy ääretöntä, tarkoittaen, että relaasi pysyy passiivisena suojattujen alueiden ulkopuolisille häiriöille. Tämä lineaarinen suhde häiriösuhteen ja toiminta-ajan välillä varmistaa luotettavan, nopean häiriön havaitsemisen määritellyllä alueella.

Induktiorataisten häiriösuhterelaasien

Alla on esitetty induktiorataisen häiriösuhterelaasin piirikaavio. Tämä relaasi sisältää sekä virta- että jännitekomponentit, ja se sisältää alumiini­levyn, joka pyörii sähkömagneettien välissä.

Ylemmässä sähkömagneettissa on kaksi erillistä kierrosta: ensimmäinen kierros on yhdistetty virtamuuntimen (CT) toissijaiseen kierrokseen, kun taas toinen kierros on yhdistetty potentiaali­muuntimeen (PT). Virtasetuksen voi säätää ensimmäisen kierroksen avulla käyttäen plug bridge:a, joka sijaitsee relaasin alla, mikä mahdollistaa relaasin tarkkuuden tarkkoja kalibrointia. Jännitekomponentti, jota PT voimistaa, tuottaa magneettikentän, joka vuorovaikuttaa virtasta johtuvan kentän kanssa CT:n kautta.

Tämä vuorovaikutus aiheuttaa eddy-käyrävirtauksia alumiini­levyllä, jotka tuottavat momentin, joka ajaa sen pyörimistä. Normaalissa toiminnassa levy pysyy paikoillaan tasapainoisina momentteina; häiriötapahtuman aikana virta­purkaus purkaa momenttien tasapainon, saaden levyn pyörimään ja aktivoiden relaasin kontakteja. Tämä suunnitelma varmistaa luotettavan häiriösuhteen perustuen häiriöiden havaitsemisen sähköverkossa.

Sähkömagneetit ovat yhdistetty sarjassa, ja niiden indusoimat fluxit tuottavat pyörimismomentin, joka ajaa alumiini­levyn. Pysyvä magneetti tarjoaa sekä ohjaus- että hitaushidastusmomentin stabilisoimaan levyn liikettä.

Normaalissa toiminnassa armatuurivoima ylittää induktioelementin momentin, pitäen katkaisukontakteja auki. Kun järjestelmässä tapahtuu häiriö, sähkömagneettien läpi kulkeva virta kasvaa, saaden alumiini­levyn pyörimään. Levyn pyörimisnopeus on suoraan verrannollinen häiriövirran suuruuteen, mutkitellen kehua samalla, kun se pyörii. Tämä pyörimisliike vähitellen ylittää pysyvän magneetin rajoittavan momentin.

Kun levyn pyörimisnopeus saavuttaa kriittisen kynnyksen (vastaavasti asetetulla häiriösuhteen), katkaisukontaktit sulkeutuvat, aloittaen suojatoiminnan. Tämä suunnitelma varmistaa, että relaasi reagoi nopeasti häiriöihin, samalla ylläpitäen vakautta normaalissa toiminnassa, kun pysyvä magneetti tarjoaa olennaisen ohjaus- ja hitaushidastustoiminnan estääkseen väärästi käynnistyvän suojauksen.

Relaasin levyn pyörimiskulma perustuu armatuurivoimaan, joka on suoraan verrannollinen sovellettavaan jännitteeseen. Siksi jännite määrää pyörimiskulman.

Nopean häiriösuhterelaasin aikaluonne

Kuva osoittaa, että relaasi pysyy passiivisena arvoilla, jotka ylittävät 100 % ottokynnyksen. Käyrä 1 edustaa todellista toiminnallista ominaisuutta, kun taas käyrä 2 tarjoaa yksinkertaistetun mallin käyrästä 1. Tämä suunnitelma varmistaa nopean reaktion häiriöihin asetetulla alueella, samalla ylläpitäen vakautta normaalissa toiminnassa. Relaasin nopea toiminta on kriittistä sähköverkon vahingon minimoinnissa, kun yksinkertaistettu käyrä helpottaa helpompaa toteuttamista ja analysointia suojarelaasiasetuksissa.

Yksinkertaisen häiriösuhterelaasin puutteet

Seuraavat ovat häiriösuhterelaasien keskeiset haitat:

• Suuntaerottelun puute
  Relaasi reagoi häiriösuhteen muutoksiin molemmilla puolilla virtamuuntimia (CT) ja potentiaali­muuntimia (PT). Tämä tekee vaikeaksi erottaa sisäisiä (suojellulla alueella) ja ulkoisia (suojellun alueen ulkopuolella) häiriöitä, mikä voi johtaa tarpeettomaan käynnistymiseen tai häiriöiden viivästyneeseen erotteluun.

• Herkkyyys kaaripuoleisuuteen
  Relaasin toiminta on merkittävästi vaikutuksen alainen kaaripuoleisuudesta häiriöiden aikana. Kaaripuoleisuus tuo lisää häiriösuhetta, joka voi peittää todellisen häiriösuhteen ja saada relaasin joko alireagoiden (epäonnistuessa käynnistymään sisäisissä häiriöissä) tai yli­reagoiden (vääristen käynnistymään ulkoisissa häiriöissä).

• Altistuminen voimasvaihdoksille
  Häiriösuhterelaasit ovat erittäin herkkiä voimasvaihdoksille - jännitteen ja virran jaksolliselle vaihtelulle, joka johtuu järjestelmän häiriöistä (esim. yhtäkkiä tapahtuvaan kuorman muuttumiseen tai generaattorin epästabiiliuteen). Voimasvaihdokset voivat imitoimaan häiriötilanteita muuttamalla mitattua häiriösuhetta, mikä voi johtaa vääriin käynnistyksiin tai viivästyneeseen toimintaan.

• Ei-suuntainen toiminta
  Relaasi käynnistyy aina, kun mitattu häiriösuhe laskee asetetun kynnysarvon alapuolelle, riippumatta häiriön suunnasta. Tämä tarkoittaa, että se ei pysty erottamaan eteenpäin suuntautuneita häiriöitä (suojellulla linjalla) ja taaksepäin suuntautuneita häiriöitä (voimalähteen suuntaan), mikä rajoittaa sen soveltuvuutta monilähtöisiin sähköverkkoihin.