Relay ochronny odległościowy typu impedancyjnego

Definicja i zasada działania relé impedancyjnego (relé odległościowego)

Relé impedancyjne, znane również jako relé odległościowe, to urządzenie ochronne sterowane napięciem, którego działanie zależy od elektrycznej odległości (impedancji) między punktem awarii a położeniem instalacji relé. Funkcjonuje poprzez pomiar impedancji uszkodzonego odcinka i porównanie go z preustawionym progiem.

Mechanizm działania

• Pomiar i porównanie: Relé ciągle monitoruje napięcie linii (za pomocą transformatorów potencjalnych, PT) i prąd (za pomocą transformatorów prądowych, CT), aby obliczyć impedancję (Z = V/I).

• Odpowiedź na awarię: Jeśli zmierzona impedancja jest niższa niż ustawienie relé (co wskazuje na awarię w strefie ochrony), wydaje polecenie przerywania do wyłącznika. W normalnych warunkach impedancja linii jest wysoka (napięcie >> prąd), co utrzymuje relé nieaktywne. Gdy wystąpi awaria, prąd gwałtownie wzrasta, a napięcie spada, co obniża impedancję i aktywuje relé.

Zasada działania

W normalnym działaniu stosunek napięcia do prądu (impedancja) pozostaje powyżej progu relé. W przypadku awarii (np. F1 na linii AB) impedancja spada poniżej ustawienia. Na przykład, jeśli relé jest zainstalowane do ochrony linii AB z normalną impedancją Z, awaria obniża impedancję, skłaniając relé do przerywania wyłącznika. Jeśli awaria znajduje się poza strefą ochrony (np. poza AB), impedancja pozostaje wysoka, a relé pozostaje nieaktywne.

Cechy działania

Relé składa się z dwóch kluczowych elementów:

• Element operacyjny prądu: Generuje moment skręcający proporcjonalny do prądu.

• Element hamujący napięcia: Tworzy moment przywracający oparty na napięciu. Równanie bilansu momentów to:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 jest kątem fazowym między napięciem a prądem, a θ jest maksymalnym kątem momentu relé. Na diagramie impedancji cecha działania relé pojawia się jako okrąg o środku w początku układu współrzędnych, z promieniem równym ustawionej impedancji. Ta okrągła charakterystyka zapewnia czułość zarówno na wielkość, jak i fazę impedancji, umożliwiając niezawodne rozróżnienie między awariami w strefie i poza strefą.

-K3 reprezentuje efekt sprężyny relé. W normalnym działaniu, całkowity moment = 0 przy wartościach V i I.

Jeśli efekt kontroli sprężyny zostanie zignorowany, równanie staje się

Rysunek pokazuje cechy działania z napięciem i prądem; przerywana linia oznacza stałą impedancję linii.

Poniższy rysunek przedstawia charakterystykę działania relé impedancyjnego. Obszar powyżej linii charakterystyki reprezentuje dodatni moment, gdzie impedancja linii przekracza impedancję uszkodzonego odcinka, wywołując działanie relé. Z drugiej strony, obszar ujemnego momentu (poniżej linii) wskazuje, że impedancja uszkodzenia przekracza impedancję linii, utrzymując relé nieaktywne. Ta różnica umożliwia precyzyjne wykrywanie awarii poprzez porównanie zmierzonej impedancji z preustawionym progiem, zapewniając niezawodną ochronę w systemach energetycznych.

Promień okręgu reprezentuje impedancję linii; kąt fazy X-R wskazuje pozycję wektora. Impedancja < promień = dodatni moment (relé działa); impedancja > promień = ujemny moment (relé nieaktywne). Ta wizualna różnica zapewnia szybkie wykrywanie awarii w systemach energetycznych.

To relé jest kategoryzowane jako relé wysokiej prędkości.

Relé indukcyjne

Moment w tym relé powstaje z elektromagnetycznych interakcji między napięciem a prądem, które są porównywane do działania. W jego obwodzie, Cewka B&mdash;napędzana przez transformator potencjalny (PT)&mdash;generuje moment skręcający zgodnie z ruchem wskazówek zegara, pociągając tłok P2 w dół. Sprężyna na P2 zastosowuje siłę hamującą, tworząc mechaniczny moment skręcający zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Cewka A, podniecona przez transformator prądowy (CT), tworzy moment skręcający zgodnie z ruchem wskazówek zegara, który przesuwa tłok P1 w dół. W normalnych warunkach, kontakty relé pozostają otwarte. W przypadku awarii w strefie ochrony, gwałtowny wzrost prądu systemu zwiększa moment cewki A, jednocześnie obniżając moment przywracający cewki B. Ten dysbalans obraca ramiona balansowe relé, zamykając kontakty, aby rozpocząć ochronę. Konstrukcja zapewnia szybką reakcję na awarie poprzez porównanie momentu między siłami elektromagnetycznymi i mechanicznymi.

Siła wywierana przez cewkę A (element prądu) jest proporcjonalna do I², podczas gdy ta z cewki B (element napięcia) jest proporcjonalna do V2. W rezultacie, relé aktywuje się, gdy siła pochodna z prądu przekracza siłę pochodną z napięcia.

Stałe k1 i k2 zależą od amperoobrotów dwóch cewek i proporcji transformatorów pomiarowych. Ustawienia relé można dostosować poprzez nastawy na cewkach.

Na krzywej charakterystycznej, oś y oznacza czas działania relé, podczas gdy oś x reprezentuje impedancję. Zauważalnie, czas działania relé pozostaje stały (co wskazuje na natychmiastową akcję) dla impedancji w zakresie ustawionej strefy ochrony. W określonej odległości (odpowiadającej ustawionej impedancji), wartości napięcia i prądu stabilizują się; poza tym punktem, teoretycznie mierzona impedancja staje się nieskończona, co oznacza, że relé pozostaje nieaktywne dla awarii poza swoim zakresem ochrony. Ta liniowa zależność między impedancją a czasem działania zapewnia niezawodne, szybkie wykrywanie awarii w zdefiniowanej strefie.

Relé impedancyjne indukcyjne

Schemat obwodu relé impedancyjnego indukcyjnego przedstawiony jest poniżej. To relé obejmuje zarówno elementy prądu, jak i napięcia, z aluminium dyskiem, który obraca się między elektromagnesami.

Górny elektromagnes zawiera dwie odrębne cewki: cewka główna jest podłączona do wtórnego cewka transformatora prądowego (CT), podczas gdy cewka wtórna jest połączona z transformatorem potencjalnym (PT). Ustawienie prądu cewki głównej można dostosować za pomocą mostka przewodowego umieszczonego pod relé, co pozwala na precyzyjne kalibrowanie czułości relé. Element napięcia, napędzany przez PT, generuje pole magnetyczne, które oddziaływuje z polem magnetycznym pochodzącym od CT.

Ta interakcja indukuje prądy wirowe w aluminiowym dysku, produkując moment, który napędza jego obrót. W normalnych warunkach pracy, dysk pozostaje nieruchomy ze względu na zbilansowane momenty; podczas awarii, gwałtowny wzrost prądu zaburza momenty, powodując obrót dysku i uruchamianie kontaktów relé. Ta konstrukcja zapewnia niezawodne wykrywanie awarii oparte na impedancji w systemach energetycznych.

Elektromagnesy w relé są połączone szeregowo, z ich indukowanymi fluxami generującymi moment obrotowy, który napędza aluminiowy dysk. Stały magnes zapewnia zarówno moment sterujący, jak i hamujący, stabilizując ruch dysku.

W normalnym działaniu, siła na armaturze przekracza moment z elementu indukcyjnego, utrzymując kontakty przerywające otwarte. Gdy wystąpi awaria w systemie, prąd przez elektromagnesy gwałtownie wzrasta, powodując obrót aluminiowego dysku. Prędkość obrotowa dysku jest bezpośrednio proporcjonalna do prądu awaryjnego, nawijając sprężynę, gdy się on obraca. Ten ruch obrotowy stopniowo pokonuje moment hamujący ze strony stałego magnesu.

Gdy obrót dysku osiągnie krytyczny próg (odpowiadający ustawionej impedancji), kontakty przerywające zamykają się, inicjując odpowiedź ochronną. Ta konstrukcja zapewnia, że relé reaguje szybko na awarie, jednocześnie utrzymując stabilność w normalnym działaniu, z permanentnym magnesem zapewniającym niezbędne sterowanie przyspieszeniem i hamowaniem dysku, aby zapobiec fałszywemu przerywaniu.

Kąt obrotu dysku relé zależy od siły na armaturze, która jest bezpośrednio proporcjonalna do zastosowanego napięcia. Stąd, napięcie decyduje o kącie obrotu.

Czasowa charakterystyka relé impedancyjnego wysokiej prędkości

Rysunek pokazuje, że relé pozostaje nieaktywne dla wartości przekraczających 100% progu poboru. Krzywa 1 reprezentuje rzeczywistą charakterystykę działania, podczas gdy Krzywa 2 oferuje uproszczony model Krzywej 1. Ta konstrukcja zapewnia szybką reakcję na awarie w ustawionym zakresie, jednocześnie utrzymując stabilność w normalnych warunkach. Wysoka prędkość działania relé jest kluczowa do minimalizacji uszkodzeń w systemach energetycznych, a uproszczona krzywa ułatwia łatwiejszą implementację i analizę w ustawieniach ochronnych relé.

Wady prostego relé impedancyjnego

Następujące są kluczowymi wadami relé impedancyjnych:

• Brak dyskryminacji kierunkowej
  Relé reaguje na zmiany impedancji po obu stronach transformatora prądowego (CT) i transformatora potencjalnego (PT). To sprawia, że wyłącznik ma trudności z odróżnieniem awarii wewnętrznych (w strefie ochrony) od awarii zewnętrznych (poza strefą), co może prowadzić do niepotrzebnego przerywania lub opóźnionego izolowania awarii.

• Czułość na opór łuku
  Działanie relé jest znacznie wpływane przez opór łuku podczas awarii. Opór łuku wprowadza dodatkową impedancję, która może maskować prawdziwą impedancję awarii i powodować, że relé albo zbyt słabo reaguje (nie przerywa dla awarii wewnętrznych) lub zbyt mocno reaguje (fałszywie przerywa dla awarii zewnętrznych).

• Wrażliwość na oscylacje mocy
  Relé impedancyjne są bardzo wrażliwe na oscylacje mocy&mdash;okresowe drgania napięcia i prądu spowodowane zaburzeniami systemu (np. nagłe zmiany obciążenia lub niestabilność generatora). Oscylacje mocy mogą symulować warunki awaryjne, zmieniając mierzonym impedancję, co prowadzi do fałszywego przerywania lub opóźnionego działania.

• Niekierunkowe działanie
  Relé przerywa, gdy mierzona impedancja spada poniżej ustawionego progu, niezależnie od kierunku awarii. Oznacza to, że nie może ono odróżnić awarii w przód (w chronionej linii) od awarii w tył (w kierunku źródła energii), ograniczając jego zastosowanie w złożonych, wieloźródłowych systemach energetycznych.