임피던스 타입 거리 계전기
임피던스 릴레이(거리 릴레이)의 정의와 원리
임피던스 릴레이, 또는 거리 릴레이는 고장 위치와 릴레이 설치 위치 사이의 전기적 거리(임피던스)에 따라 작동하는 전압 제어 보호 장치입니다. 이는 고장 구간의 임피던스를 측정하고 사전 설정된 임계값과 비교하여 작동합니다.
작동 메커니즘
작동 원리
정상 작동 시, 전압 대 전류 비율(임피던스)은 릴레이의 임계값 위에 머물러 있습니다. 고장이 발생할 때 (예: AB 선로의 F1), 임피던스는 설정 값 아래로 떨어집니다. 예를 들어, 릴레이가 AB 선로를 보호하도록 설치되어 있고 정상 임피던스가 Z인 경우, 고장으로 인해 임피던스가 감소하여 릴레이가 차단기를 트립시킵니다. 만약 고장이 보호 구역 외부에 있다면 (예: AB를 넘어), 임피던스는 높게 유지되고 릴레이는 비활성 상태를 유지합니다.
작동 특성
릴레이는 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다:
-K3는 릴레이의 스프링 효과를 나타냅니다. 정상 작동 시, V와 I 값으로 순 토크 = 0입니다.
만약 스프링 제어 효과가 무시된다면, 방정식은 다음과 같습니다
이 그림은 전압과 전류의 작동 특성을 보여줍니다. 점선은 일정한 선로 임피던스를 나타냅니다.
아래 그림은 임피던스 릴레이의 작동 특성을 나타냅니다. 특성선 위의 영역은 양의 토크를 나타내며, 선로 임피던스가 고장 구간의 임피던스를 초과하여 릴레이가 작동합니다. 반대로, 특성선 아래의 영역(음의 토크)은 고장 임피던스가 선로 임피던스를 초과하여 릴레이가 비활성 상태를 유지합니다. 이 구분은 측정된 임피던스를 사전 설정된 임계값과 비교하여 정확한 고장 감지를 가능하게 하며, 전력 시스템에서 신뢰성 있는 보호를 제공합니다.
원의 반지름은 선로 임피던스를 나타내며, X-R 위상 각도는 벡터 위치를 나타냅니다. 임피던스 < 반지름 = 양의 토크(릴레이 작동); 임피던스 > 반지름 = 음의 토크(릴레이 비활성). 이 시각적 구분은 전력 시스템에서 고장의 신속한 감지를 보장합니다.
이 릴레이는 고속 릴레이로 분류됩니다.
전자기 유도 릴레이
이 릴레이에서의 토크는 전압과 전류 간의 전자기 상호 작용에서 발생하며, 이를 비교하여 작동합니다. 회로에서 솔레노이드 B는 전압 변환기(PT)로 공급받아 시계 방향 토크를 생성하여 플런저 P2를 아래로 당깁니다. P2에 부착된 스프링은 제동력을 가하여 시계 방향의 기계적 토크를 생성합니다.
솔레노이드 A는 전류 변환기(CT)로 자극 받아 시계 방향으로 픽업 토크를 생성하여 플런저 P1을 아래로 움직입니다. 정상 조건에서는 릴레이 접점이 열려 있습니다. 보호 구역 내에서 고장이 발생하면 시스템 전류가 급증하여 솔레노이드 A의 토크가 증가하고 솔레노이드 B의 복원 토크가 감소합니다. 이 불균형으로 인해 릴레이의 균형 팔이 회전하여 접점을 닫아 보호를 시작합니다. 이 설계는 전자기력과 기계력 간의 토크 비교를 통해 고장에 대한 신속한 응답을 보장합니다.
솔레노이드 A(전류 요소)에서 발생하는 힘은 에 비례하며, 솔레노이드 B(전압 요소)에서 발생하는 힘은 에 비례합니다. 결과적으로, 전류에서 파생된 힘이 전압에서 파생된 힘을 초과할 때 릴레이는 작동합니다.
상수 k1과 k2 는 두 솔레노이드의 암페어-턴수와 계측 변압기의 비율에 따라 결정됩니다. 릴레이 설정은 코일의 탭을 통해 조정할 수 있습니다.
특성 곡선에서 y축은 릴레이의 작동 시간을, x축은 임피던스를 나타냅니다. 특히, 릴레이의 작동 시간은 사전 설정된 보호 구역 내의 임피던스에 대해 일정하게 유지됩니다 (즉, 즉시 작동). 설정된 거리(설정 임피던스에 해당)에서 전압과 전류 값이 안정화되며, 이 점을 넘어서는 측정된 임피던스는 이론적으로 무한대로 증가하므로, 릴레이는 보호 범위 외의 고장에 대해 비활성 상태를 유지합니다. 이 임피던스와 작동 시간 간의 선형 관계는 정의된 구역 내에서 신뢰성 있고 신속한 고장 감지를 보장합니다.
유도형 임피던스 릴레이
유도형 임피던스 릴레이의 회로도는 아래에 도시되어 있습니다. 이 릴레이는 전류와 전압 요소를 모두 포함하며, 알루미늄 디스크가 전자석 사이에서 회전합니다.
상부 전자석에는 두 개의 서로 다른 권선이 있습니다: 주권선은 전류 변환기(CT)의 2차 코일에 연결되며, 부권선은 전압 변환기(PT)에 연결됩니다. 주권선의 전류 설정은 릴레이 아래에 위치한 플러그 브리지로 조정할 수 있어, 릴레이의 민감도를 정밀하게 교정할 수 있습니다. 전압 요소는 PT로 공급받아 전기장을 생성하며, 이는 CT에서 파생된 전기장과 상호 작용합니다.
이 상호 작용은 알루미늄 디스크에 소용돌이 전류를 유도하여 회전 토크를 생성합니다. 정상 작동 시, 디스크는 균형 잡힌 토크로 인해 정지 상태를 유지하지만, 고장이 발생하면 전류 급증으로 인해 토크 불균형이 생겨 디스크가 회전하여 릴레이 접점을 트립시킵니다. 이 설계는 전력 시스템에서 신뢰성 있는 임피던스 기반 고장 감지를 보장합니다.
릴레이의 전자석은 직렬로 연결되어 있으며, 유도된 플럭스가 알루미늄 디스크를 회전시키는 회전 토크를 생성합니다. 영구자석은 디스크의 운동을 안정화하기 위해 제어 및 제동 토크를 제공합니다.
정상 작동 시, 암추어에 작용하는 힘이 유도 요소의 토크를 초과하여 트립 접점이 열려 있습니다. 시스템 고장이 발생하면 전자석을 통과하는 전류가 급증하여 알루미늄 디스크가 회전합니다. 디스크의 회전 속도는 고장 전류와 직접적으로 비례하며, 회전하면서 스프링을 감습니다. 이 회전 운동은 점진적으로 영구자석의 제동 토크를 극복합니다.
디스크의 회전이 임계값(설정 임피던스에 해당)에 도달하면 트립 접점이 닫혀 보호 응답을 시작합니다. 이 설계는 릴레이가 고장에 신속히 반응하면서 정상 작동 중에는 안정성을 유지하도록 합니다. 영구자석은 디스크의 가속 및 제동을 제어하여 잘못된 트립을 방지합니다.
릴레이의 디스크 회전 각도는 암추어 힘에 의존하며, 이 힘은 적용된 전압에 직접적으로 비례합니다. 따라서 전압이 디스크의 회전 각도를 결정합니다.
고속 임피던스 릴레이의 시간-특성
이 그림은 100% 이상의 픽업 임계값을 초과하는 값에서 릴레이가 비활성 상태임을 보여줍니다. 커브 1은 실제 작동 특성을, 커브 2는 커브 1의 단순화된 모델을 나타냅니다. 이 설계는 사전 설정된 범위 내에서 고장에 신속히 응답하면서 정상 조건에서는 안정성을 유지합니다. 릴레이의 고속 작동은 전력 시스템에서 손상을 최소화하는데 중요하며, 단순화된 커브는 보호 릴레이 설정에서 더 쉽게 구현 및 분석할 수 있도록 합니다.
평범한 임피던스 릴레이의 단점
다음은 임피던스 릴레이의 주요 단점입니다:
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