Relé de Distancia de Tipo Impedancia

Definición e principio do relé de impedancia (relé de distancia)

Un relé de impedancia, tamén coñecido como relé de distancia, é un dispositivo protector controlado por voltaxe cuxa operación depende da distancia eléctrica (impedancia) entre o punto de fallo e a posición de instalación do relé. Funciona midindo a impedancia da sección defectuosa e comparándoa con un umbral preestablecido.

Mecanismo de funcionamento

• Medición e comparación: O relé monitoriza continuamente a tensión da liña (mediante transformadores de potencial, PTs) e a corrente (mediante transformadores de corrente, CTs) para calcular a impedancia (Z = V/I).

• Resposta ao fallo: Se a impedancia medida é inferior ao ajuste do relé (indicando un fallo dentro da zona protegida), activa unha orde de disparo ao interruptor. En condicións normais, a impedancia da liña é alta (voltaxe >> corrente), mantendo o relé inactivo. Cando ocorre un fallo, a corrente aumenta e a tensión diminúe, reducindo a impedancia e activando o relé.

Principio operativo

En operación normal, a relación tensión-corrente (impedancia) permanece por encima do umbral do relé. Durante un fallo (por exemplo, F1 na liña AB), a impedancia cae por debaixo do ajuste. Por exemplo, se o relé está instalado para protexer a liña AB con unha impedancia normal Z, un fallo reduce a impedancia, provocando que o relé dispare o interruptor. Se o fallo está fóra da zona protegida (por exemplo, máis allá de AB), a impedancia permanece alta, e o relé permanece inactivo.

Características de funcionamento

O relé compónse de dous elementos clave:

• Elemento de funcionamento de corrente: Xera un par de forzas proporcional á corrente.

• Elemento de restricción de tensión: Produce un par de forzas de restitución baseado na tensión. A ecuación de equilibrio de pares é:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 é o ángulo de fase entre a tensión e a corrente, e θ é o ángulo de par máximo do relé. Nuns diagramas de impedancia, a característica de funcionamento do relé aparece como un círculo centrado no orixe, cun radio igual á impedancia de ajuste. Esta característica circular asegura sensibilidade tanto á magnitude como á fase da impedancia, permitindo unha discriminación fiable entre fallos dentro e fóra da zona protegida.

-K3 representa o efecto da molla do relé. En operación normal, o par total = 0 cos valores de V e I.

Se o efecto de control da molla é desconsiderado, a ecuación converte en

A figura mostra as características de funcionamento con tensión e corrente; a liña de trazo denota impedancia constante da liña.

A figura de abaixo representa a característica de funcionamento do relé de impedancia. A rexión por encima da liña de característica representa par positivo, onde a impedancia da liña excede a da sección defectuosa, activando a operación do relé. Ao contrario, a rexión de par negativo (por debaixo da liña) indica que a impedancia do fallo supera a da liña, mantendo o relé inactivo. Esta distinción permite unha detección precisa de fallos comparando a impedancia medida contra o umbral preestablecido, asegurando unha protección fiable nos sistemas de enerxía.

O radio do círculo representa a impedancia da liña; o ángulo de fase X-R indica a posición vectorial. Impedancia < radio = par positivo (o relé funciona); impedancia > radio = par negativo (o relé está inactivo). Esta distinción visual asegura unha rápida detección de fallos nos sistemas de enerxía.

Este relé clasifícase como un relé de alta velocidade.

Relé de indución electromagnética

O par neste relé xorde das interaccións electromagnéticas entre a tensión e a corrente, que se comparan para a operación. No seu circuito, o solenoide B&mdash;alimentado por un transformador de potencial (PT)&mdash; xera un par de forzas no sentido horario, atraindo o pistón P2 cara abaixo. Unha molla no P2 aplica unha forza de restricción, creando un par mecánico no sentido horario.

O solenoide A, excitado por un transformador de corrente (CT), produce un par de forzas de deflexión (pick-up) no sentido horario que move o pistón P1 cara abaixo. En condicións normais, os contactos do relé permanecen abertos. Durante un fallo na zona protexida, a corrente do sistema que aumenta incrementa o par do solenoide A mentres reduce o par de restitución do solenoide B. Este desequilibrio rota os brazos de equilibrio do relé, pechando os contactos para iniciar a protección. O deseño asegura unha rápida resposta aos fallos mediante a comparación de pares entre forzas electromagnéticas e mecánicas.

A forza exercida polo solenoide A (o elemento de corrente) é proporcional a I², mentres que a do solenoide B (o elemento de tensión) é proporcional a V2. Como resultado, o relé activará cando a forza derivada da corrente supere a forza derivada da tensión.

As constantes k1 e k2 dependen dos ampere-voltas dos dous solemoides e das razóns dos transformadores de instrumento. Os axustes do relé poden ser modificados mediante tappings nos bobinados.

No diagrama de característica, o eixo y indica o tempo de funcionamento do relé, mentres que o eixo x representa a impedancia. Notablemente, o tempo de funcionamento do relé permanece constante (indicando acción instantánea) para impedancias dentro da zona de protección preestabelecida. No punto predeterminado (correspondente á impedancia de ajuste), os valores de tensión e corrente estabilizan; máis aló deste punto, a impedancia medida teóricamente tornase infinita, significando que o relé permanece inactivo para fallos fóra do seu alcance protexido. Esta relación linear entre impedancia e tempo de funcionamento asegura unha detección rápida e fiable de fallos dentro da zona definida.

Relé de impedancia de tipo de indución

O diagrama de circuito dun relé de impedancia de tipo de inducción ilustra a continuación. Este relé incorpora elementos de corrente e tensión, destacando un disco de aluminio que xira entre electroimanes.

O electroimán superior contén dúas bobinas distintas: a bobina primaria está conectada ao devanado secundario dun transformador de corrente (CT), mentres que a bobina secundaria está ligada a un transformador de potencial (PT). O axuste de corrente da bobina primaria pode ser modificado mediante unha ponte de enchufes situada baixo o relé, permitindo unha calibración precisa da sensibilidade do relé. O elemento de tensión, alimentado polo PT, xera un campo magnético que interactúa co campo derivado da corrente do CT.

Esta interacción induce correntes de Foucault no disco de aluminio, producindo un par de forzas que impulsa a súa rotación. En condicións normais de funcionamento, o disco permanece estacionario debido a pares equilibrados; durante un fallo, o aumento de corrente desequilibra os pares, causando a rotación do disco e activando os contactos do relé. Este deseño asegura unha detección fiable de fallos baseada en impedancia nos sistemas de enerxía.

Os electroimanes no relé están conectados en serie, coas súas fluxías inducidas xerando un par de forzas rotatorio que impulsa o disco de aluminio. Un imán permanente proporciona tanto torque de control como de frenado para estabilizar o movemento do disco.

En operación normal, a forza no armadura supera o par do elemento de inducción, mantendo os contactos de disparo abertos. Cando ocorre un fallo no sistema, a corrente a través dos electroimanes aumenta, facendo que o disco de aluminio xire. A velocidade de rotación do disco é directamente proporcional á corrente de fallo, enrollando unha molla a medida que xira. Este movemento rotatorio supera gradualmente o par de restricción do imán permanente.

Cando a rotación do disco alcanza un limiar crítico (correspondente á impedancia de ajuste), os contactos de disparo pechan, iniciando a resposta protexida. Este deseño asegura que o relé reaccione rapidamente a fallos mentres mantiña a estabilidade durante a operación normal, co imán permanente proporcionando un control esencial sobre a aceleración e frenado do disco para evitar disparos falsos.

O ángulo de rotación do disco do relé depende da forza do armadura, que é directamente proporcional á tensión aplicada. Polo tanto, a tensión dicta o ángulo de rotación.

Característica temporal do relé de impedancia de alta velocidade

A figura amosa que o relé permanece inactivo para valores que superan o 100% do umbral de pick-up. A curva 1 representa a característica operativa real, mentres que a curva 2 ofrece un modelo simplificado da curva 1. Este deseño asegura unha rápida resposta a fallos dentro do rango preestablecido mentres mantén a estabilidade en condicións normais. A operación de alta velocidade do relé é crítica para minimizar danos nos sistemas de enerxía, coa curva simplificada facilitando unha implementación e análise máis sinxelas nos axustes de relés protexidos.

Inconvenientes do relé de impedancia simple

Os seguintes son os principais inconvenientes dos relés de impedancia:

• Falta de discriminación direccional
  O relé responde a cambios de impedancia en ambos os lados do transformador de corrente (CT) e do transformador de potencial (PT). Isto dificulta que os interruptores distingan entre fallos internos (dentro da zona protexida) e fallos externos (fóra da zona), posiblemente levando a disparos innecesarios ou a unha isolación tardía de fallos.

• Sensibilidade á resistencia de arco
  A operación do relé está significativamente influenciada pola resistencia de arco durante os fallos. A resistencia de arco introduce unha impedancia adicional, que pode ocultar a verdadeira impedancia do fallo e facer que o relé subreaccione (non dispare para fallos internos) ou sobreaccione (dispare falsamente para fallos externos).

• Vulnerabilidade a oscilacións de potencia
  Os relés de impedancia son altamente sensibles ás oscilacións de potencia&mdash;oscilacións periódicas de tensión e corrente causadas por perturbacións do sistema (por exemplo, cambios súbitos de carga ou inestabilidade do xerador). As oscilacións de potencia poden simular condicións de fallo alterando a impedancia medida, levando a disparos falsos ou a unha operación retardada.

• Operación non direccional
  O relé dispara sempre que a impedancia medida cae por debaixo do umbral preestablecido, independentemente da dirección do fallo. Esto significa que non pode diferenciar entre fallos frontais (dentro da liña protexida) e fallos posteriores (hacia a fonte de enerxía), limitando a súa aplicabilidade en sistemas de enerxía complexos e multi-fonte.