Relé za rastojanje tipa impedancija

Definicija i princip impedansnog releja (relej udaljenosti)

Impedansni relej, takođe poznat kao relej udaljenosti, je zaštitno uređenje kontrolisano naponom, čija operacija zavisi od električne udaljenosti (impedansa) između tačke greške i pozicije instalacije releja. Funkcioniše merenjem impedansa defektne sekcije i upoređivanjem sa prethodno postavljenim pragom.

Način rada

• Merenje i upoređivanje: Relej neprekidno nadgleda linijski napon (preko transformatora napona, PT) i struju (preko transformatora struje, CT) kako bi izračunao impedans (Z = V/I).

• Odgovor na grešku: Ako mereni impedans bude manji od podešavanja releja (što ukazuje na grešku unutar zaštićene zone), aktivira se komanda za prekid na prekidaču. Pod normalnim uslovima, linijski impedans je visok (napon >> struja), što drži relej neaktivnim. Kada dođe do greške, struja se povećava a napon opada, smanjujući impedans i aktivirajući relej.

Operativni princip

Pod normalnim radom, omjer napona i struje (impedans) ostaje iznad praga releja. Tijekom greške (npr. F1 na liniji AB), impedans padne ispod podešavanja. Na primjer, ako je relej instaliran da štiti liniju AB sa normalnim impedansom Z, greška smanjuje impedans, podstičući relej da prekine prekidač. Ako se greška nalazi izvan zaštićene zone (npr. izvan AB), impedans ostaje visok, a relej ostaje neaktiviran.

Operativne karakteristike

Relej se sastoji od dva ključna komponenta:

• Element rada struje: Generiše odbojni moment proporcionalan struji.

• Element ograničenja napona: Proizvodi vratni moment baziran na naponu. Jednačina ravnoteže momenata je:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 je fazni ugao između napona i struje, a θ je maksimalni ugao momenata releja. Na dijagramu impedansa, operativna karakteristika releja izgleda kao kružnica centrirana u koordinatnom početku, sa poluprečnikom jednakim podešenom impedansu. Ova kružna karakteristika osigurava osetljivost na oba veličinu i fazu impedansa, omogućavajući pouzdanu diskriminaciju između grešaka unutar i izvan zone.

-K3 predstavlja efekat opruge releja. Pod normalnim radom, neto moment = 0 sa V i I vrijednostima.

Ako se efekat kontrole opruge zanemari, jednačina postaje

Slika pokazuje operativne karakteristike sa naponom i strujom; crta isprekidanom linijom označava konstantni linijski impedans.

Sljedeća slika prikazuje operativnu karakteristiku impedansnog releja. Region iznad karakteristične linije predstavlja pozitivni moment, gdje linijski impedans premašuje impedans defektne sekcije, aktivirajući rad releja. S druge strane, negativni moment region (ispod linije) ukazuje da impedans greške premašuje linijski impedans, čime relej ostaje neaktiviran. Ova razlika omogućuje precizno detektovanje grešaka upoređivanjem merenog impedansa sa prethodno postavljenim pragom, osiguravajući pouzdanu zaštitu u elektroenergetskim sistemima.

Poluprečnik kružnice predstavlja linijski impedans; X-R fazni ugao označava vektorsku poziciju. Impedans < poluprečnik = pozitivni moment (relej radi); impedans > poluprečnik = negativni moment (relej neaktiviran). Ova vizualna razlika osigurava brzo detektovanje grešaka u elektroenergetskim sistemima.

Ovaj relej je klasifikovan kao visokobrzinski relej.

Elektromagnetski indukcijski relej

Moment u ovom releju nastaje iz elektromagnetskih interakcija između napona i struje, koje se upoređuju za rad. U njegovoj shemi, Solenoid B&mdash;isključena potencijalnim transformatorom (PT)&mdash;generiše moment u smjeru kazaljke na satu, povlačeći plunger P2 naniže. Opruga na P2 primjenjuje ograničavajuću silu, stvarajući mehanički moment u smjeru kazaljke na satu.

Solenoid A, uzbuđen transformatorom struje (CT), proizvodi odbojni (pick-up) moment koji pomiče plunger P1 naniže. Pod normalnim uslovima, kontakte releja ostaju otvorene. Tijekom greške u zaštićenoj zoni, porast sustavne struje povećava moment Solenoida A dok smanjuje vratni moment Solenoida B. Ovaj neravnoteža vrati ravnotežne ramena, zatvarajući kontakte kako bi se započela zaštita. Dizajn osigurava brz odgovor na greške putem upoređivanja momenata između elektromagnetskih i mehaničkih sila.

Sila izazvana solenoidom A (element struje) je proporcionalna sa I², dok sila iz solenoida B (element napona) je proporcionalna sa V2. Kao rezultat, relej će se aktivirati kada sila izvedena iz struje premaši silu izvedenu iz napona.

Konstante k1 i k2 zavise od amper-okretaja dva solenoida i odnosa instrumentnih transformatora. Podešavanja releja mogu se prilagoditi putem tapova na cevima.

Na karakterističnoj krivoj, y-osa označava radno vrijeme releja, dok x-osa predstavlja impedans. Važno je napomenuti da radno vrijeme releja ostaje konstantno (ukazuje na trenutni rad) za impedanse unutar prethodno postavljene zone zaštite. Na predeterminiranoj udaljenosti (koja odgovara postavljenom impedansu), vrijednosti napona i struje stabiliziraju se; izvan te točke, mereni impedans teoretski postaje beskonačan, što znači da relej ostaje neaktiviran za greške izvan svoje zaštićene granice. Ova linearna veza između impedansa i radnog vremena osigurava pouzdanu, brzu detekciju grešaka unutar definisanog područja.

Indukcijski impedansni relej

Shema indukcijskog impedansnog releja prikazana je u nastavku. Ovaj relej uključuje elemente struje i napona, s aluminijastim diskom koji rotira između elektromagnetnih polja.

Gornji elektromagnet sadrži dve različite namotaje: primarni namotaj je spojen na sekundarni čev transformatora struje (CT), dok je sekundarni namotaj povezan s potencijalnim transformatorom (PT). Postavljanje struje primarnog namotaja može se prilagoditi putem plug mosta smještenog ispod releja, omogućavajući preciznu kalibraciju osetljivosti releja. Element napona, isključen PT-om, generiše magnetsko polje koje interaguje sa poljem izvedenim iz CT-a.

Ova interakcija indukuje eddijske struje u aluminijastom disku, proizvodeći moment koji ga pomaže u rotaciji. Pod normalnim radnim uslovima, disk ostaje stacionaran zbog uravnoteženih momenata; tijekom greške, porast struje neravnoteži momenata, čime disk rotira i aktivira kontakte releja. Ovaj dizajn osigurava pouzdanu detekciju grešaka temeljenu na impedansu u elektroenergetskim sistemima.

Elektromagneti u releju su spojeni serijalno, s njihovim induciranim fluksima generirajući rotacijski moment koji pomaže rotaciju aluminijastog diska. Stalni magnet pruža kontrolni i kočni moment kako bi stabilizirao kretanje diska.

Pod normalnim radom, sila na armaturi premašuje moment iz indukcijskog elementa, čime se održavaju kontakte za prekid otvorene. Kada dođe do greške u sistemu, struja kroz elektromagnete poraste, čime se aluminijasti disk rotira. Brzina rotacije diska je direktno proporcionalna struji greške, navijajući oprugu dok se okreće. Ovo rotacijsko kretanje postepeno prevlada nad kočnim momentom stalnog magneta.

Kada rotacija diska dostigne kritičnu granicu (koja odgovara postavljenom impedansu), kontakte za prekid zatvaraju, započinjući zaštitni odgovor. Ovaj dizajn osigurava da relej brzo reagira na greške, ali održava stabilnost tijekom normalnog rada, s stalnim magnetom koji pruža ključnu kontrolu nad ubrzanjem i kočenjem diska kako bi se spriječilo lažno aktiviranje.

Ugao rotacije diska releja zavisi od sile na armaturi, koja je direktno proporcionalna primjenjenom naponu. Stoga, napon određuje ugao rotacije.

Vremenska karakteristika visokobrzinskog impedansnog releja

Slika pokazuje da relej ostaje neaktiviran za vrijednosti veće od 100% praga preuzimanja. Kriva 1 predstavlja stvarnu operativnu karakteristiku, dok Kriva 2 nudi pojednostavljeni model Krive 1. Ovaj dizajn osigurava brz odgovor na greške unutar prethodno postavljenog opsega, ali održava stabilnost pod normalnim uslovima. Visokobrzinska operacija releja je ključna za minimiziranje oštećenja u elektroenergetskim sistemima, s pojednostavljenom krivom koja olakšava implementaciju i analizu u postavkama zaštitnih releja.

Nedostaci jednostavnog impedansnog releja

Sljedeće su ključne nedostatke impedansnih releja:

• Nedostatak diskriminacije smjera
  Relej reagira na promjene impedansa s obje strane transformatora struje (CT) i potencijalnog transformatora (PT). To čini teškim za prekidače da razlikuju između internih grešaka (unutar zaštićene zone) i eksternih grešaka (izvan zone), što može dovesti do nepotrebnog prekida ili kasnog izolovanja grešaka.

• Osetljivost na otpor lukove
  Rad releja značajno je utjecan na otpor lukove tijekom grešaka. Otpor lukove uvodi dodatni impedans, koji može maskirati stvarni impedans greške i dovesti do situacije da relej ili ne reagira (ne prekida za interne greške) ili pretjerano reagira (lažno prekida za eksterne greške).

• Podložnost oscilacijama snage
  Impedansni releji su vrlo osetljivi na oscilacije snage&mdash;periodične oscilacije napona i struje uzrokovane turbulencijama u sistemu (npr. naglim promjenama opterećenja ili nestabilnošću generatora). Oscilacije snage mogu simulirati uvjete greške mijenjajući mereni impedans, što može dovesti do lažnog prekida ili kašnjenja u radu.

• Nedirekciona operacija
  Relej prekida svaki put kada mereni impedans padne ispod prethodno postavljenog praga, bez obzira na smjer greške. To znači da ne može razlikovati između unaprijed orijentiranih grešaka (unutar zaštićene linije) i unazad orijentiranih grešaka (prema izvoru snage), ograničavajući njegovu primjenjivost u složenim, višestrukim izvorima elektroenergetskih sistema.