Реле расстояния типа импеданса

Определение и принцип работы реле сопротивления (дистанционного реле)

Реле сопротивления, также известное как дистанционное реле, является устройством защиты, управляемым напряжением, работа которого зависит от электрического расстояния (сопротивления) между точкой неисправности и местом установки реле. Оно функционирует, измеряя сопротивление поврежденного участка и сравнивая его с предварительно установленным порогом.

Механизм работы

• Измерение и сравнение: Реле непрерывно контролирует линейное напряжение (через трансформаторы напряжения, PT) и ток (через трансформаторы тока, CT) для расчета сопротивления (Z = V/I).

• Ответ на неисправность: Если измеренное сопротивление ниже настройки реле (что указывает на неисправность в защищаемой зоне), оно активирует команду на отключение выключателя. В нормальных условиях сопротивление линии высокое (напряжение >> ток), что сохраняет реле неактивным. При возникновении неисправности ток возрастает, а напряжение падает, уменьшая сопротивление и активируя реле.

Принцип работы

В нормальном режиме соотношение напряжения к току (сопротивление) остается выше порогового значения реле. При неисправности (например, F1 на линии AB) сопротивление падает ниже настройки. Например, если реле установлено для защиты линии AB с нормальным сопротивлением Z, неисправность снижает сопротивление, побуждая реле отключить выключатель. Если неисправность находится вне защищаемой зоны (например, за AB), сопротивление остается высоким, и реле остается неактивным.

Характеристики работы

Реле состоит из двух ключевых компонентов:

• Токовый рабочий элемент: Генерирует вращающий момент, пропорциональный току.

• Напряженческий удерживающий элемент: Создает восстанавливающий момент на основе напряжения. Уравнение баланса момента:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 является фазовым углом между напряжением и током, а θ — максимальным углом момента реле. На диаграмме сопротивления характеристика работы реле появляется как круг, центрированный в начале координат, с радиусом, равным настроенному сопротивлению. Эта круговая характеристика обеспечивает чувствительность как к величине, так и к фазе сопротивления, позволяя надежно различать неисправности внутри и вне защищаемой зоны.

-K3 представляет собой эффект пружины реле. В нормальном режиме общий момент = 0 при значениях V и I.

Если эффект пружины становится незначительным, уравнение принимает вид

На рисунке показаны характеристики работы с напряжением и током; пунктирная линия обозначает постоянное линейное сопротивление.

На следующем рисунке показана характеристика работы реле сопротивления. Область выше характеристической линии представляет положительный момент, где линейное сопротивление превышает сопротивление поврежденного участка, что вызывает работу реле. Напротив, область отрицательного момента (ниже линии) указывает, что сопротивление неисправности превышает линейное сопротивление, сохраняя реле неактивным. Это различие позволяет точно определять неисправности, сравнивая измеренное сопротивление с предварительно установленным порогом, обеспечивая надежную защиту в энергетических системах.

Радиус круга представляет линейное сопротивление; угол X-R указывает векторное положение. Сопротивление < радиус = положительный момент (реле работает); сопротивление > радиус = отрицательный момент (реле неактивно). Это визуальное различие обеспечивает быстрое обнаружение неисправностей в энергетических системах.

Это реле классифицируется как высокоскоростное реле.

Электромагнитное индукционное реле

Момент в этом реле возникает из-за электромагнитных взаимодействий между напряжением и током, которые сравниваются для работы. В его схеме соленоид B, питаемый трансформатором напряжения (PT), генерирует момент по часовой стрелке, тянущий плунжер P2 вниз. Пружина на P2 создает удерживающую силу, формируя механический момент по часовой стрелке.

Соленоид A, возбуждаемый трансформатором тока (CT), создает момент по часовой стрелке, который перемещает плунжер P1 вниз. В нормальных условиях контакты реле остаются открытыми. При неисправности в защищаемой зоне увеличивающийся ток системы увеличивает момент соленоида A, одновременно уменьшая восстанавливающий момент соленоида B. Этот дисбаланс вращает балансировочные рычаги реле, закрывая контакты для инициирования защиты. Дизайн обеспечивает быстрый отклик на неисправности путем сравнения момента между электромагнитными и механическими силами.

Сила, создаваемая соленоидом A (токовый элемент), пропорциональна I², в то время как сила, создаваемая соленоидом B (элемент напряжения), пропорциональна V2. В результате реле активируется, когда сила, созданная током, превышает силу, созданную напряжением.

Константы k1 и k2 зависят от ампер-витков двух соленоидов и соотношений трансформаторов. Настройки реле можно изменять через подключения на катушках.

На характеристической кривой ось Y обозначает время работы реле, а ось X — сопротивление. Заметим, что время работы реле остается постоянным (что указывает на мгновенное действие) для сопротивлений в предустановленной зоне защиты. На предопределенном расстоянии (соответствующему заданному сопротивлению) значения напряжения и тока стабилизируются; за этой точкой измеренное сопротивление теоретически становится бесконечным, что означает, что реле остается неактивным для неисправностей вне своей защитной области. Эта линейная зависимость между сопротивлением и временем работы обеспечивает надежное и быстрое обнаружение неисправностей в определенной зоне.

Индукционное реле сопротивления

Схема индукционного реле сопротивления показана ниже. Это реле включает в себя как токовые, так и напряженческие элементы, имея алюминиевый диск, который вращается между электромагнитами.

Верхний электромагнит содержит два различных обмотки: первичная обмотка подключена к вторичной катушке трансформатора тока (CT), в то время как вторичная обмотка связана с трансформатором напряжения (PT). Токовую настройку первичной обмотки можно регулировать с помощью разъемного моста, расположенного под реле, что позволяет точно калибровать чувствительность реле. Элемент напряжения, питаемый PT, генерирует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, созданным CT.

Это взаимодействие вызывает вихревые токи в алюминиевом диске, создавая момент, который приводит его в движение. В нормальных условиях эксплуатации диск остается неподвижным из-за сбалансированных моментов; при неисправности скачок тока нарушает баланс моментов, вызывая вращение диска и срабатывание контактов реле. Этот дизайн обеспечивает надежное обнаружение неисправностей на основе сопротивления в энергетических системах.

Электромагниты в реле соединены последовательно, их индуцированные потоки создают вращающий момент, который приводит в движение алюминиевый диск. Постоянный магнит обеспечивает как управляющий, так и тормозящий момент, стабилизируя движение диска.

В нормальных условиях сила на якоре превышает момент от индукционного элемента, сохраняя контакты отключения открытыми. Когда в системе происходит неисправность, ток через электромагниты возрастает, вызывая вращение алюминиевого диска. Скорость вращения диска прямо пропорциональна току неисправности, наматывая пружину по мере вращения. Это вращательное движение постепенно преодолевает тормозящий момент от постоянного магнита.

Когда вращение диска достигает критического порога (соответствующего заданному сопротивлению), контакты отключения закрываются, инициируя защитную реакцию. Этот дизайн обеспечивает, что реле быстро реагирует на неисправности, сохраняя стабильность в нормальных условиях, с постоянным магнитом, обеспечивающим необходимый контроль над ускорением и торможением диска, чтобы предотвратить ложные срабатывания.

Угол вращения диска реле зависит от силы на якоре, которая прямо пропорциональна приложенному напряжению. Таким образом, напряжение определяет угол вращения.

Временная характеристика высокоскоростного реле сопротивления

На рисунке показано, что реле остается неактивным для значений, превышающих 100% порога срабатывания. Кривая 1 представляет фактическую операционную характеристику, в то время как кривая 2 предлагает упрощенную модель кривой 1. Этот дизайн обеспечивает быстрый отклик на неисправности в предустановленном диапазоне, сохраняя стабильность в нормальных условиях. Высокоскоростная работа реле критически важна для минимизации повреждений в энергетических системах, с упрощенной кривой, облегчающей реализацию и анализ в настройках защитных реле.

Недостатки простого реле сопротивления

Основные недостатки реле сопротивления включают:

• Отсутствие направления дискриминации
  Реле реагирует на изменения сопротивления с обеих сторон трансформатора тока (CT) и трансформатора напряжения (PT). Это затрудняет выключателям отличить внутренние неисправности (в пределах защищаемой зоны) от внешних неисправностей (вне зоны), что может привести к ненужному срабатыванию или задержке изоляции неисправностей.

• Чувствительность к сопротивлению дуги
  Работа реле значительно влияет на сопротивление дуги при неисправностях. Сопротивление дуги вводит дополнительное сопротивление, которое может маскировать истинное сопротивление неисправности и вызывать либо недостаточное срабатывание (не срабатывает для внутренних неисправностей) или избыточное срабатывание (ложное срабатывание для внешних неисправностей).

• Уязвимость к колебаниям мощности
  Реле сопротивления очень чувствительны к колебаниям мощности — периодическим колебаниям напряжения и тока, вызванным возмущениями системы (например, внезапными изменениями нагрузки или нестабильностью генератора). Колебания мощности могут имитировать условия неисправности, изменяя измеренное сопротивление, что приводит к ложному срабатыванию или задержке работы.

• Ненаправленная работа
  Реле срабатывает, когда измеренное сопротивление падает ниже предустановленного порога, независимо от направления неисправности. Это означает, что оно не может различать передние неисправности (в пределах защищаемой линии) и задние неисправности (в сторону источника питания), ограничивая его применимость в сложных многоисточниковых энергетических системах.