Релéй за дистанциско релéјско одземање со тип на импеданса

Поле: Копче за електрична енергија

China

Дефиниција и принцип на работа на импедансни реле (дистанциско реле)

Импедансното реле, познато и како дистанциско реле, е заштитно уред кој работи под контрола на напонот, чија работа зависи од електричката дистанца (импеданс) помеѓу местото на дефект и положбата на инсталирање на релето. Тоа функционира со мерење на импедансата на дефектната секција и споредба со претходно поставена граница.

Механизам на работа

Мерење и споредба: Релето непрекинато ги следи линиските напони (помошно трансформатори, PTs) и струи (помошни трансформатори, CTs) за да изчисли импедансата ( $Z = V/I$ ).
Одговор на дефект: Ако измерената импеданса е помала од поставената вредност на релето (што указува на дефект во заштитна зона), тоа активира командата за прекин на кружницата. Под нормални услови, линиската импеданса е голема (напон >> струја), што го држи релето неактивно. Кога се случи дефект, струјата се повеќагоди и напонот пада, намалувајќи ја импедансата и активирајќи го релето.

Принцип на работа

При нормална работа, количникот напон-струја (импеданса) останува над границата на релето. Во време на дефект (нпр. F1 на линијата AB), импедансата паѓа под поставената вредност. На пример, ако релето е инсталирано за заштита на линијата AB со нормална импеданса $Z$ , дефектот ја намалува импедансата, што го поттикнува релето да прекине прекинувачот. Ако дефектот се наоѓа надвор од заштитната зона (нпр. надвор од AB), импедансата останува голема, и релето останува неактивно.

Работни карактеристики

Релето се состои од две клучни компоненти:

Елемент за работа со струја: Генерира отклонуващ момент пропорционален на струјата.
Елемент за ограничување со напон: Произведува враќајки момент базиран на напонот. Јавната равновесна равенка е:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 е фазниот агол меѓу напонот и струјата, а $θ$ е максималниот агол на моментот на релето. На дијаграмот на импедансата, оперативната карактеристика на релето се појавува како круг центриран во почетокот, со радиус еднаков на поставената импеданса. Оваа круженска карактеристика осигурува чувствителност како на величината на импедансата, така и на фазата, овозможувајќи надежна дискриминација помеѓу дефекти во зоната и надвор од неа.

-K3 претставува ефектот на пружината на релето. При нормална работа, целосниот момент = 0 со вредности на V и I.

Ако ефектот на контролата со пружина се занемари, равенката станува

Сликата покажува работни карактеристики со напон и струја; испрекинатата линија означува константен линиски импеданс.

Сликата подолу прикажува работната карактеристика на импедансното реле. Регионот над карактеристичната линија претставува позитивен момент, каде што линискиот импеданс надминува импедансата на дефектната секција, што активира работата на релето. Супротно, регионот со негативен момент (под линијата) указува дека импедансата на дефектот надминува линискиот импеданс, што го држи релето неактивно. Оваа разлика овозможува точна детекција на дефектите со споредба на измерената импеданса со предходно поставената граница, осигурувајќи надежна заштита во енергетските системи.

Радиусот на кружницата претставува линиски импеданс; X-R фазниот агол указува на векторската позиција. Импеданса < радиус = позитивен момент (релето работи); импеданса > радиус = негативен момент (релето неактивно). Оваа визуелна разлика осигурува брза детекција на дефектите во енергетските системи.

Ова реле е категоризирано како реле со висока брзина.

Електромагнетно индуктивно реле

Моментот во ова реле произлегува од електромагнетни интеракции помеѓу напонот и струјата, кои се споредуваат за работа. Во неговата шема, соленоид B—напојен од помошниот трансформатор (PT)—генерира момент во насока на часовниковецот, влечејќи плунџерот P2 надолу. Пружината на P2 применува ограничувајки момент, создавајќи механички момент во насока на часовниковецот.

Соленоид A, возбуден од помошен трансформатор (CT), произведува момент на отклонување (pick-up) во насока на часовниковецот, што движи плунџерот P1 надолу. Под нормални услови, контактите на релето остануваат отворени. Во време на дефект во заштитната зона, системската струја се повеќагоди, зголемувајќи моментот на соленоид A, додека намалува моментот на враќање на соленоид B. Овој дисбаланс ротира раменете на релето, затварајќи контакти за иницирање на заштита. Дизајнот осигурува брз одговор на дефекти преку споредба на електромагнетни и механички сили.

Силата што се извршува од страна на соленоид A (елементот со струја) е пропорционална на $I^{2}$ , додека силата од соленоид B (елементот со напон) е пропорционална на $V^{2}$ . Како резултат, релето ќе се активира кога силата изведена од струјата надмине силата изведена од напонот.

Константите $k1$ и $k2$ се зависни од ампер-витковите на двата соленоида и односите на инструменталните трансформатори. Поставките на релето можат да се прилагодат преку тапингите на катушките.

На карактеристичната крива, y-оската означува временскиот период на работа на релето, додека x-оската претставува импеданса. Забележливо е дека временскиот период на работа на релето останува константен (што указува на моментална акција) за импеданси внатре во предвидената заштитна зона. На предпределената дистанца (соодветно на поставената импеданса), вредностите на напонот и струјата се стабилизираат; над оваа точка, измерената импеданса теоретски станува бесконечна, што значи дека релето останува неактивно за дефекти надвор од неговата заштитна опсег. Овој линеарен однос помеѓу импедансата и временскиот период на работа осигурува надежна, брза детекција на дефекти внатре во дефинираниот опсег.

Индуктивно импедансно реле

Шемата на индуктивното импедансно реле е прикажана подолу. Ова реле вклучува како елементи со струја, така и елементи со напон, со алуминиев диск кој се ротира помеѓу електромагнети.

Горниот електромагнет содржи две различни обмотки: основната обмотка е поврзана со вторичната катушка на помошниот трансформатор (CT), додека вторичната обмотка е поврзана со потенцијалниот трансформатор (PT). Поставката на струјата на основната обмотка може да се прилагоди преку плуг-мост Positioned beneath the relay, allowing for precise calibration of the relay's sensitivity. The voltage element, energized by the PT, generates a magnetic field that interacts with the current-derived field from the CT.

This interaction induces eddy currents in the aluminium disc, producing a torque that drives its rotation. Under normal operating conditions, the disc remains stationary due to balanced torques; during a fault, the current surge unbalances the torques, causing the disc to rotate and trigger the relay contacts. This design ensures reliable impedance-based fault detection in power systems.

The electromagnets in the relay are connected in series, with their induced fluxes generating rotational torque that drives the aluminium disc. A permanent magnet provides both controlling and braking torque to stabilize the disc’s motion.

Under normal operation, the force on the armature exceeds the torque from the induction element, keeping the trip contacts open. When a system fault occurs, the current through the electromagnets surges, causing the aluminium disc to rotate. The disc’s rotational speed is directly proportional to the fault current, winding a spring as it turns. This rotational motion gradually overcomes the restraining torque from the permanent magnet.

Once the disc’s rotation reaches a critical threshold (corresponding to the preset impedance), the trip contacts close, initiating the protective response. This design ensures that the relay reacts swiftly to faults while maintaining stability during normal operation, with the permanent magnet providing essential control over the disc’s acceleration and braking to prevent false tripping.

The rotation angle of the relay's disc relies on the armature force, which is directly proportional to the applied voltage. Hence, voltage dictates the rotation angle.

Time-Characteristic of High-Speed Impedance Relay

The figure depicts that the relay remains inactive for values exceeding 100% of the pickup threshold. Curve 1 represents the actual operational characteristic, while Curve 2 offers a simplified model of Curve 1. This design ensures rapid response to faults within the preset range while maintaining stability under normal conditions. The relay's high-speed operation is critical for minimizing damage in power systems, with the simplified curve facilitating easier implementation and analysis in protective relay settings.

Drawbacks of Plain Impedance Relay

The following are the key disadvantages of impedance relays:

Lack of Directional Discrimination
The relay responds to impedance changes on both sides of the current transformer (CT) and potential transformer (PT). This makes it difficult for circuit breakers to distinguish between internal faults (within the protected zone) and external faults (outside the zone), potentially leading to unnecessary tripping or delayed isolation of faults.
Sensitivity to Arc Resistance
The relay’s operation is significantly influenced by arc resistance during faults. Arc resistance introduces additional impedance, which can mask the true fault impedance and cause the relay to either under-react (fail to trip for internal faults) or over-react (falsely trip for external faults).
Vulnerability to Power Swings
Impedance relays are highly sensitive to power swings—periodic oscillations in voltage and current caused by system disturbances (e.g., sudden load changes or generator instability). Power swings can mimic fault conditions by altering the measured impedance, leading to false tripping or delayed operation.
Non-Directional Operation
The relay trips whenever the measured impedance falls below the preset threshold, regardless of the fault direction. This means it cannot differentiate between forward faults (within the protected line) and backward faults (toward the power source), limiting its applicability in complex, multi-source power systems.