Релейний захист відстанню типу імпедансу

Визначення та принцип роботи імпедансного реле (релє відстані)

Імпедансне реле, також відоме як реле відстані, — це захисний пристрій, керований напругою, чия робота залежить від електричної відстані (імпедансу) між точкою аварії та місцем встановлення реле. Воно функціонує, вимірюючи імпеданс аварійного учаска та порівнюючи його з попередньо встановленим порогом.

Механізм роботи

• Вимірювання та порівняння: Реле неперервно контролює лінійну напругу (за допомогою потенціометрів, PT) та струм (за допомогою трансформаторів струму, CT), щоб обчислити імпеданс (Z = V/I).

• Реакція на аварію: Якщо виміряний імпеданс нижчий за налаштування реле (що свідчить про аварію в захищеному секторі), воно активує команду на відключення автоматичного вимикача. У нормальних умовах імпеданс лінії високий (напруга >> струм), що тримає реле неактивним. При аварії струм зростає, а напруга падає, що зменшує імпеданс та активує реле.

Принцип роботи

При нормальній роботі співвідношення напруги до струму (імпеданс) залишається вище за поріг реле. Під час аварії (наприклад, F1 на лінії AB) імпеданс опускається нижче налаштування. Наприклад, якщо реле встановлено для захисту лінії AB з нормальним імпедансом Z, аварія зменшує імпеданс, що призводить до того, що реле відключає вимикач. Якщо аварія знаходиться поза захищеним сектором (наприклад, за межами AB), імпеданс залишається високим, і реле залишається неактивним.

Характеристики роботи

Реле складається з двох ключових компонентів:

• Елемент управління струмом: Генерує відхиляючий момент, пропорційний струму.

• Елемент обмеження напруги: Створює відновлювальний момент на основі напруги. Рівняння балансу моментів:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 — це кут між напругою та струмом, а θ — це максимальний кут моменту реле. На діаграмі імпедансу характеристика роботи реле зображується як коло з центром в початку координат, радіус якого дорівнює налаштованому імпедансу. Ця кругова характеристика забезпечує чутливість як до величини імпедансу, так і до фази, що дозволяє надійно розрізняти аварії всередині та поза захищеним сектором.

-K3 представляє ефект пружини реле. При нормальній роботі загальний момент = 0 зі значеннями V та I.

Якщо ефект керування пружиною ігнорується, рівняння набуває вигляду

Фігура показує характеристики роботи з напругою та струмом; пунктирна лінія позначає сталу лінійну імпедансу.

На наступному малюнку зображена характеристика роботи імпедансного реле. Регіон над характеристикою лінії представляє додатний момент, де лінійний імпеданс перевищує імпеданс аварійного учаска, що призводить до активізації реле. Навпаки, регіон від'ємного моменту (нижче лінії) вказує, що імпеданс аварії перевищує лінійний імпеданс, що тримає реле неактивним. Цей розрізняючий фактор забезпечує точне виявлення аварій шляхом порівняння виміряного імпедансу з попередньо встановленим порогом, забезпечуючи надійний захист в енергосистемах.

Радіус кола представляє лінійний імпеданс; кут X-R вказує векторну позицію. Імпеданс < радіус = додатний момент (реле активується); імпеданс > радіус = від'ємний момент (реле неактивне). Цей візуальний розрізняючий фактор забезпечує швидке виявлення аварій в енергосистемах.

Це реле класифікується як високоскоростне реле.

Реле електромагнітної індукції

Момент у цьому релє виникає в результаті електромагнітних взаємодій між напругою та струмом, які порівнюються для роботи. У його схемі Соленоїд B, живлений потенціалним перетворювачем (PT), генерує момент, що обертає за годинниковою стрілкою, опускаючи плунжер P2. Пружина на P2 надає зворотню силу, створюючи механічний момент, що обертає за годинниковою стрілкою.

Соленоїд A, запитаний струмовим перетворювачем (CT), створює момент, що обертає за годинниковою стрілкою (захоплюючий момент), що опускає плунжер P1. За нормальних умов контакти реле залишаються відкритими. Під час аварії в захищеній зоні, приріст системного струму збільшує момент соленоїда A, а момент відновлення соленоїда B зменшується. Цей дисбаланс обертає балансні руки реле, закриваючи контакти для запуску захисту. Дизайн забезпечує швидку реакцію на аварії через порівняння моментів між електромагнітними та механічними силами.

Сила, яку створює соленоїд A (елемент струму), пропорційна I², а сила, яку створює соленоїд B (елемент напруги), пропорційна V2. В результаті, реле активується, коли сила, отримана від струму, перевищує силу, отриману від напруги.

Сталі k1 і k2 залежать від ампер-витків двох соленоїдів та співвідношення інструментальних перетворювачів. Налаштування реле можна регулювати через кільцеві з'єднання на катушках.

На характеристичній кривій, вісь Y позначає час роботи реле, а вісь X — імпеданс. Зазначимо, що час роботи реле залишається постійним (що свідчить про миттєву дію) для імпедансів в заданій зоні захисту. На передвизначеній відстані (що відповідає заданому імпедансу), значення напруги та струму стабілізуються; за межами цієї точки, теоретично виміряний імпеданс стає нескінченним, що означає, що реле не активується для аварій за межами його захисної області. Ця лінійна залежність між імпедансом та часом роботи забезпечує надійне, швидке виявлення аварій у визначеній зоні.

Індукційне реле імпедансу

Нижче показано електричну схему індукційного реле імпедансу. Це реле включає елементи струму та напруги, маючи алюмінієвий диск, який обертається між електромагнітами.

Верхній електромагніт містить два окремі намотування: первинне намотування під'єднане до вторинної катушкі струмового перетворювача (CT), а вторинне намотування пов'язане з потенціалним перетворювачем (PT). Налаштування струму первинного намотування можна регулювати за допомогою з'єднуючого моста, розташованого під реле, що дозволяє точно налаштовувати чутливість реле. Елемент напруги, живлений PT, генерує магнітне поле, яке взаємодіє з магнітним полем, отриманим від CT.

Ця взаємодія індукує вихрові струми в алюмінієвому диску, створюючи момент, що обертає його. За нормальних умов роботи, диск залишається нерухомим завдяки збалансованим моментам; під час аварії, приріст струму розбалансовує моменти, призводячи до обертання диску та запуску контактів реле. Цей дизайн забезпечує надійне виявлення аварій на основі імпедансу в енергетичних системах.

Електромагніти в релє з'єднані послідовно, з їхньою індукованою флюксією, що генерує обертовий момент, що обертає алюмінієвий диск. Постійний магніт надає контрольний та гальмівний моменти для стабілізації руху диску.

За нормальних умов, сила на якорі перевищує момент від індукційного елемента, тримаючи контакти відкритими. Коли відбувається аварія системи, струм через електромагніти зростає, призводячи до обертання алюмінієвого диску. Швидкість обертання диску прямо пропорційна аварійному струму, намотуючи пружину під час обертання. Цей обертовий рух поступово подолує зворотній момент від постійного магніта.

Як тільки обертання диску досягає критичного порогу (що відповідає заданому імпедансу), контакти замикання, запускаючи захисну відповідь. Цей дизайн забезпечує, що реле швидко реагує на аварії, підтримуючи стабільність під час нормальної роботи, з постійним магнітом, що забезпечує важливий контроль над прискоренням та гальмуванням диску, щоб запобігти хибному запуску.

Кут обертання диску реле залежить від сили на якорі, яка прямо пропорційна прикладеній напрузі. Тому напруга визначає кут обертання.

Часова характеристика високоскоростного реле імпедансу

Рисунок показує, що реле залишається неактивним для значень, що перевищують 100% порогу включення. Крива 1 представляє реальну характеристику роботи, тоді як крива 2 надає спрощену модель кривої 1. Цей дизайн забезпечує швидку реакцію на аварії в межах попередньо встановленого діапазону, одночасно підтримуючи стабільність у нормальних умовах. Швидка робота реле критична для зменшення пошкоджень у системах електропостачання, а спрощена крива сприяє легшому впровадженню та аналізу в налаштуваннях захисного реле.

Недоліки простого імпедансного реле

Нижче наведено ключові недоліки імпедансних релей:

• Відсутність напрямкової дискримінації
  Реле реагує на зміни імпедансу з обох сторін трансформатора струму (CT) та потенціалу (PT). Це робить важким для автоматів відрізняти внутрішні аварії (в межах захищеного діапазону) від зовнішніх аварій (поза діапазоном), що може призвести до непотрібного відключення або затримки ізоляції аварій.

• Чутливість до опору дуги
  Робота реле суттєво впливає від опору дуги під час аварій. Опор дуги вводить додатковий імпеданс, який може маскувати справжній імпеданс аварії та призводити до того, що реле або недооцінює (не відключається при внутрішніх аваріях) або переоцінює (хибно відключається при зовнішніх аваріях).

• Вразливість до коливань потужності
  Імпедансні реле високо чутливі до коливань потужності — періодичних коливань напруги та струму, спричинених збуреннями системи (наприклад, гострими змінами навантаження або нестабільністю генератора). Коливання потужності можуть імітувати умови аварії, змінюючи виміряний імпеданс, що призводить до хибного відключення або затримки роботи.

• Ненапрямкова робота
  Реле відключається, коли виміряний імпеданс опускається нижче заданого порогу, незалежно від напрямку аварії. Це означає, що воно не може відрізняти між аваріями вперед (в межах захищеної лінії) та назад (до джерела живлення), що обмежує його застосування в складних, багатоджерельних системах живлення.