Relay Jarak Tipe Impedansi

Edwiin

Bidang: Saklar daya

China

Definisi dan Prinsip Relay Impedansi (Relay Jarak)

Relay impedansi, juga dikenal sebagai relay jarak, adalah perangkat pelindung yang dikendalikan oleh tegangan, operasinya bergantung pada jarak listrik (impedansi) antara titik gangguan dan posisi pemasangan relay. Fungsinya dengan mengukur impedansi bagian yang bermasalah dan membandingkannya dengan ambang batas yang telah ditetapkan.

Mekanisme Kerja

Pengukuran dan Perbandingan: Relay secara terus-menerus memantau tegangan garis (melalui transformator potensial, PTs) dan arus (melalui transformator arus, CTs) untuk menghitung impedansi ( $Z = V/I$ ).
Tanggapan Gangguan: Jika impedansi yang diukur lebih rendah dari pengaturan relay (menunjukkan adanya gangguan dalam zona yang dilindungi), itu akan memicu perintah trip ke pemutus sirkuit. Dalam kondisi normal, impedansi garis tinggi (tegangan >> arus), menjaga relay tidak aktif. Ketika terjadi gangguan, arus melonjak dan tegangan turun, mengurangi impedansi dan mengaktifkan relay.

Prinsip Operasi

Dalam operasi normal, rasio tegangan terhadap arus (impedansi) tetap di atas ambang batas relay. Selama gangguan (misalnya, F1 pada garis AB), impedansi turun di bawah pengaturan. Misalnya, jika relay dipasang untuk melindungi garis AB dengan impedansi normal $Z$ , gangguan mengurangi impedansi, mendorong relay untuk men-trip pemutus sirkuit. Jika gangguan berada di luar zona yang dilindungi (misalnya, di luar AB), impedansi tetap tinggi, dan relay tetap tidak aktif.

Karakteristik Operasional

Relay terdiri dari dua komponen kunci:

Elemen Operasional Arus: Menghasilkan torsi defleksi yang proporsional terhadap arus.
Elemen Pemelihara Tegangan: Memproduksi torsi pemulihan berdasarkan tegangan. Persamaan keseimbangan torsi adalah:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 adalah sudut fase antara tegangan dan arus, dan $θ$ adalah sudut torsi maksimum relay. Pada diagram impedansi, karakteristik operasional relay muncul sebagai lingkaran berpusat di asal, dengan radius sama dengan impedansi pengaturan. Karakteristik lingkaran ini memastikan sensitivitas terhadap magnitudo dan fase impedansi, memungkinkan diskriminasi yang andal antara gangguan dalam zona dan di luar zona.

-K3 mewakili efek pegas relay. Dalam operasi normal, torsi bersih = 0 dengan nilai V dan I.

Jika efek kontrol pegas diabaikan, persamaannya menjadi

Gambar menunjukkan karakteristik operasional dengan tegangan dan arus; garis putus-putus menandakan impedansi garis konstan.

Gambar di bawah ini menggambarkan karakteristik operasional relay impedansi. Wilayah di atas garis karakteristik mewakili torsi positif, di mana impedansi garis melebihi impedansi bagian yang bermasalah, memicu operasi relay. Sebaliknya, wilayah torsi negatif (di bawah garis) menunjukkan bahwa impedansi gangguan melebihi impedansi garis, menjaga relay tidak aktif. Distingsi ini memungkinkan deteksi gangguan yang tepat dengan membandingkan impedansi yang diukur terhadap ambang batas yang telah ditetapkan, memastikan perlindungan yang andal dalam sistem tenaga listrik.

Radius lingkaran mewakili impedansi garis; sudut fase X-R menunjukkan posisi vektor. Impedansi < radius = torsi positif (relay beroperasi); impedansi > radius = torsi negatif (relay tidak aktif). Distingsi visual ini memastikan deteksi gangguan yang cepat dalam sistem tenaga listrik.

Relay ini dikategorikan sebagai relay berkecepatan tinggi.

Relay Induksi Elektromagnetik

Torsi dalam relay ini muncul dari interaksi elektromagnetik antara tegangan dan arus, yang dibandingkan untuk operasi. Dalam rangkaian, Solenoid B—ditenagai oleh transformator potensial (PT)—menghasilkan torsi searah jarum jam, menarik plunger P2 ke bawah. Pegas pada P2 menerapkan gaya pembatas, menciptakan torsi mekanis searah jarum jam.

Solenoid A, dipicu oleh transformator arus (CT), menghasilkan torsi defleksi (pick-up) searah jarum jam yang memindahkan plunger P1 ke bawah. Dalam kondisi normal, kontak relay tetap terbuka. Selama gangguan di zona pelindungan, lonjakan arus sistem meningkatkan torsi Solenoid A sementara mengurangi torsi pemulihan Solenoid B. Ketidakseimbangan ini memutar lengan keseimbangan relay, menutup kontak untuk memulai perlindungan. Desain ini memastikan respons cepat terhadap gangguan melalui perbandingan torsi antara gaya elektromagnetik dan mekanis.

Gaya yang diberikan oleh solenoid A (elemen arus) proporsional dengan $I^{2}$ , sementara itu dari solenoid B (elemen tegangan) proporsional dengan $V^{2}$ . Akibatnya, relay akan aktif ketika gaya yang berasal dari arus melebihi gaya yang berasal dari tegangan.

Konstanta $k1$ dan $k2$ bergantung pada ampere-turn dari kedua solenoid dan rasio transformator instrumen. Pengaturan relay dapat disesuaikan melalui tappings pada kumparan.

Pada kurva karakteristik, sumbu y menunjukkan waktu operasi relay, sementara sumbu x mewakili impedansi. Notabene, waktu operasi relay tetap konstan (menunjukkan aksi instan) untuk impedansi dalam zona perlindungan yang telah ditetapkan. Pada jarak yang ditentukan (yang sesuai dengan impedansi yang ditetapkan), nilai tegangan dan arus stabil; di luar titik ini, impedansi yang diukur secara teoritis menjadi tak terhingga, artinya relay tetap tidak aktif untuk gangguan di luar cakupan perlindungannya. Hubungan linier antara impedansi dan waktu operasi ini memastikan deteksi gangguan yang andal dan cepat dalam zona yang ditentukan.

Relay Impedansi Jenis Induksi

Diagram rangkaian relay impedansi jenis induksi digambarkan di bawah. Relay ini mencakup elemen arus dan tegangan, dengan cakram aluminium yang berputar di antara elektromagnet.

Elektromagnet atas memiliki dua gulungan yang berbeda: gulungan primer terhubung ke kumparan sekunder transformator arus (CT), sementara gulungan sekunder terhubung ke transformator potensial (PT). Pengaturan arus gulungan primer dapat disesuaikan melalui jembatan plug yang terletak di bawah relay, memungkinkan kalibrasi presisi sensitivitas relay. Elemen tegangan, ditenagai oleh PT, menghasilkan medan magnet yang berinteraksi dengan medan yang berasal dari CT.

Interaksi ini menginduksi arus eddy di cakram aluminium, menghasilkan torsi yang mendorong rotasinya. Dalam kondisi operasi normal, cakram tetap diam karena torsi seimbang; selama gangguan, lonjakan arus mengganggu keseimbangan torsi, menyebabkan cakram berputar dan memicu kontak relay. Desain ini memastikan deteksi gangguan berbasis impedansi yang andal dalam sistem tenaga listrik.

Elektromagnet dalam relay terhubung secara seri, dengan fluks yang diinduksi menghasilkan torsi rotasi yang mendorong cakram aluminium. Magnet permanen memberikan torsi kontrol dan pengereman untuk menstabilkan gerakan cakram.

Dalam operasi normal, gaya pada armature melebihi torsi dari elemen induksi, menjaga kontak trip tetap terbuka. Ketika terjadi gangguan sistem, arus melalui elektromagnet melonjak, menyebabkan cakram aluminium berputar. Kecepatan rotasi cakram proporsional langsung dengan arus gangguan, menggulung pegas saat berputar. Gerakan rotasi ini secara bertahap mengatasi torsi pembatas dari magnet permanen.

Setelah rotasi cakram mencapai ambang kritis (yang sesuai dengan impedansi yang ditetapkan), kontak trip tertutup, memulai respons perlindungan. Desain ini memastikan bahwa relay bereaksi cepat terhadap gangguan sambil mempertahankan stabilitas selama operasi normal, dengan magnet permanen memberikan kontrol penting atas percepatan dan pengereman cakram untuk mencegah tripping palsu.

Sudut rotasi cakram relay bergantung pada gaya armature, yang proporsional langsung dengan tegangan yang diterapkan. Oleh karena itu, tegangan menentukan sudut rotasi.

Waktu-Karakteristik Relay Impedansi Berkecepatan Tinggi

Gambar menunjukkan bahwa relay tetap tidak aktif untuk nilai-nilai yang melebihi 100% ambang batas pickup. Kurva 1 mewakili karakteristik operasional aktual, sementara Kurva 2 menawarkan model sederhana dari Kurva 1. Desain ini memastikan respons cepat terhadap gangguan dalam rentang yang telah ditetapkan sambil mempertahankan stabilitas dalam kondisi normal. Operasi berkecepatan tinggi relay sangat penting untuk meminimalkan kerusakan dalam sistem tenaga listrik, dengan kurva sederhana memfasilitasi implementasi dan analisis yang lebih mudah dalam pengaturan relay pelindung.

Kelemahan Relay Impedansi Biasa

Berikut adalah kekurangan utama relay impedansi:

Kekurangan Diskriminasi Arah
Relay merespons perubahan impedansi di kedua sisi transformator arus (CT) dan transformator potensial (PT). Hal ini membuat sulit bagi pemutus sirkuit untuk membedakan antara gangguan internal (dalam zona yang dilindungi) dan gangguan eksternal (di luar zona), yang dapat menyebabkan tripping tidak perlu atau isolasi gangguan yang tertunda.
Sensitivitas terhadap Hambatan Busur
Operasi relay sangat dipengaruhi oleh hambatan busur selama gangguan. Hambatan busur memperkenalkan impedansi tambahan, yang dapat menyamarkan impedansi gangguan sebenarnya dan menyebabkan relay gagal beraksi (tidak melakukan trip untuk gangguan internal) atau over-reaksi (trip palsu untuk gangguan eksternal).
Kerentanan terhadap Ayunan Daya
Relay impedansi sangat sensitif terhadap ayunan daya—osilasi periodik dalam tegangan dan arus yang disebabkan oleh gangguan sistem (misalnya, perubahan beban mendadak atau ketidakstabilan generator). Ayunan daya dapat meniru kondisi gangguan dengan mengubah impedansi yang diukur, menyebabkan tripping palsu atau penundaan operasi.
Operasi Non-Arah
Relay melakukan trip setiap kali impedansi yang diukur jatuh di bawah ambang batas yang telah ditetapkan, tanpa memandang arah gangguan. Ini berarti relay tidak dapat membedakan antara gangguan maju (dalam garis yang dilindungi) dan gangguan mundur (menuju sumber daya), membatasi aplikasinya dalam sistem tenaga listrik kompleks dan multi-sumber.