Relay Đo Khoảng Cách Loại Impedance

Định nghĩa và Nguyên lý của Rơle Impedance (Rơle Khoảng cách)

Rơle impedance, còn được gọi là rơle khoảng cách, là thiết bị bảo vệ điều khiển bằng điện áp, hoạt động dựa trên khoảng cách điện (impedance) giữa điểm lỗi và vị trí lắp đặt rơle. Nó hoạt động bằng cách đo lường độ cản của phần mạch có lỗi và so sánh với ngưỡng đã được cài đặt trước.

Cơ chế Hoạt động

• Đo lường và So sánh: Rơle liên tục theo dõi điện áp đường dây (qua biến áp điện áp, PTs) và dòng điện (qua biến áp dòng, CTs) để tính toán độ cản (Z = V/I).

• Phản ứng khi Có Lỗi: Nếu độ cản đo được thấp hơn cài đặt của rơle (cho thấy lỗi nằm trong khu vực được bảo vệ), nó sẽ kích hoạt lệnh cắt cho cầu chì. Trong điều kiện bình thường, độ cản đường dây cao (điện áp >> dòng điện), giữ rơle không hoạt động. Khi có lỗi xảy ra, dòng điện tăng đột biến và điện áp giảm, làm giảm độ cản và kích hoạt rơle.

Nguyên lý Hoạt động

Trong quá trình hoạt động bình thường, tỷ lệ điện áp/dòng điện (độ cản) duy trì ở mức cao hơn ngưỡng của rơle. Trong trường hợp có lỗi (ví dụ, F1 trên đường AB), độ cản giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt. Ví dụ, nếu rơle được lắp đặt để bảo vệ đường AB với độ cản bình thường Z, một lỗi làm giảm độ cản, khiến rơle kích hoạt lệnh cắt cầu chì. Nếu lỗi nằm ngoài khu vực được bảo vệ (ví dụ, vượt qua AB), độ cản vẫn cao, và rơle không hoạt động.

Đặc trưng Hoạt động

Rơle bao gồm hai thành phần chính:

• Thành phần Hoạt động Dòng điện: Tạo ra lực xoắn tỷ lệ thuận với dòng điện.

• Thành phần Khống chế Điện áp: Tạo ra lực khôi phục dựa trên điện áp. Phương trình cân bằng lực xoắn là:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 là góc pha giữa điện áp và dòng điện, và θ là góc lực xoắn tối đa của rơle. Trên sơ đồ độ cản, đặc trưng hoạt động của rơle xuất hiện như một hình tròn tâm tại gốc, với bán kính bằng độ cản cài đặt. Đặc trưng hình tròn này đảm bảo nhạy cảm với cả độ lớn và pha của độ cản, cho phép phân biệt đáng tin cậy giữa lỗi trong vùng và ngoài vùng.

-K3 đại diện cho hiệu ứng lò xo của rơle. Trong quá trình hoạt động bình thường, tổng lực xoắn = 0 với các giá trị V và I.

Nếu hiệu ứng kiểm soát lò xo bị bỏ qua, phương trình trở thành

Hình vẽ thể hiện đặc trưng hoạt động với điện áp và dòng điện; đường đứt quãng biểu thị độ cản đường dây không đổi.

Hình vẽ dưới đây mô tả đặc trưng hoạt động của rơle độ cản. Khu vực phía trên đường đặc trưng đại diện cho lực xoắn dương, nơi độ cản đường dây vượt quá độ cản của phần mạch có lỗi, kích hoạt hoạt động của rơle. Ngược lại, khu vực lực xoắn âm (phía dưới đường) chỉ ra rằng độ cản lỗi vượt quá độ cản đường dây, giữ rơle không hoạt động. Sự phân biệt này cho phép phát hiện lỗi chính xác bằng cách so sánh độ cản đo được với ngưỡng cài đặt, đảm bảo bảo vệ đáng tin cậy trong hệ thống điện.

Bán kính của hình tròn đại diện cho độ cản đường dây; góc pha X-R chỉ vị trí vectơ. Độ cản < bán kính = lực xoắn dương (rơle hoạt động); độ cản > bán kính = lực xoắn âm (rơle không hoạt động). Sự phân biệt trực quan này đảm bảo phát hiện lỗi nhanh chóng trong hệ thống điện.

Rơle này được phân loại là rơle tốc độ cao.

Rơle Động từ Cảm ứng Điện từ

Lực xoắn trong rơle này phát sinh từ tương tác điện từ giữa điện áp và dòng điện, được so sánh để hoạt động. Trong mạch của nó, Solenoid B&mdash;cung cấp bởi biến áp điện áp (PT)&mdash;tạo ra lực xoắn theo chiều kim đồng hồ, kéo plunger P2 xuống. Một lò xo trên P2 tạo ra lực khống chế, tạo ra lực xoắn cơ học theo chiều kim đồng hồ.

Solenoid A, được kích thích bởi biến áp dòng (CT), tạo ra lực xoắn theo chiều kim đồng hồ (lực pick-up) di chuyển plunger P1 xuống. Trong điều kiện bình thường, tiếp điểm rơle vẫn mở. Trong trường hợp có lỗi trong khu vực được bảo vệ, dòng điện hệ thống tăng đột biến làm tăng lực xoắn của Solenoid A và giảm lực khôi phục của Solenoid B. Sự mất cân đối này làm quay cánh tay cân bằng của rơle, đóng tiếp điểm để khởi động bảo vệ. Thiết kế này đảm bảo phản ứng nhanh chóng đối với lỗi thông qua việc so sánh lực xoắn giữa lực điện từ và lực cơ học.

Lực do solenoid A (thành phần dòng điện) tỷ lệ thuận với I², trong khi đó từ solenoid B (thành phần điện áp) tỷ lệ thuận với V2. Do đó, rơle sẽ hoạt động khi lực từ dòng điện vượt quá lực từ điện áp.

Các hằng số k1 và k2 phụ thuộc vào số vòng xoắn của hai solenoid và tỷ lệ của các biến áp đo lường. Cài đặt rơle có thể được điều chỉnh thông qua các điểm đấu nối trên cuộn dây.

Trên đường đặc trưng, trục y biểu thị thời gian hoạt động của rơle, trong khi trục x đại diện cho độ cản. Lưu ý, thời gian hoạt động của rơle không đổi (chỉ ra hành động tức thì) cho các độ cản nằm trong vùng bảo vệ đã cài đặt. Tại khoảng cách đã định (tương ứng với độ cản cài đặt), các giá trị điện áp và dòng điện ổn định; vượt qua điểm này, độ cản đo được về lý thuyết trở thành vô cùng, nghĩa là rơle không hoạt động cho các lỗi bên ngoài phạm vi bảo vệ. Mối quan hệ tuyến tính giữa độ cản và thời gian hoạt động này đảm bảo phát hiện lỗi đáng tin cậy và nhanh chóng trong vùng đã định.

Rơle Độ cản Loại Cảm ứng

Sơ đồ mạch của rơle độ cản loại cảm ứng được minh họa dưới đây. Rơle này bao gồm cả thành phần dòng điện và thành phần điện áp, có đĩa nhôm quay giữa các điện từ.

Điện từ phía trên có hai cuộn dây riêng biệt: cuộn dây chính được kết nối với cuộn thứ cấp của biến áp dòng (CT), trong khi cuộn dây thứ cấp được kết nối với biến áp điện áp (PT). Cài đặt dòng điện của cuộn dây chính có thể được điều chỉnh thông qua cầu cắm được đặt dưới rơle, cho phép hiệu chỉnh chính xác độ nhạy của rơle. Thành phần điện áp, được kích thích bởi PT, tạo ra từ trường tương tác với từ trường từ CT.

Tương tác này tạo ra dòng điện xoáy trong đĩa nhôm, sản sinh lực xoắn làm quay đĩa. Trong điều kiện hoạt động bình thường, đĩa đứng yên do lực xoắn cân bằng; khi có lỗi, dòng điện tăng đột biến làm mất cân đối lực xoắn, khiến đĩa quay và kích hoạt tiếp điểm rơle. Thiết kế này đảm bảo phát hiện lỗi dựa trên độ cản đáng tin cậy trong hệ thống điện.

Các điện từ trong rơle được kết nối theo chuỗi, với các từ thông được tạo ra tạo ra lực xoắn làm quay đĩa nhôm. Một nam châm vĩnh cửu cung cấp cả lực kiểm soát và lực phanh để ổn định chuyển động của đĩa.

Trong quá trình hoạt động bình thường, lực trên armature vượt quá lực xoắn từ phần cảm ứng, giữ tiếp điểm cắt mở. Khi có lỗi hệ thống, dòng điện qua các điện từ tăng đột biến, làm quay đĩa nhôm. Tốc độ quay của đĩa tỷ lệ thuận với dòng điện lỗi, cuộn lò xo khi quay. Chuyển động quay này dần dần vượt qua lực phanh từ nam châm vĩnh cửu.

Khi quay của đĩa đạt đến ngưỡng quan trọng (tương ứng với độ cản cài đặt), tiếp điểm cắt đóng, khởi động phản ứng bảo vệ. Thiết kế này đảm bảo rơle phản ứng nhanh chóng đối với lỗi trong khi duy trì sự ổn định trong quá trình hoạt động bình thường, với nam châm vĩnh cửu cung cấp kiểm soát thiết yếu đối với gia tốc và phanh của đĩa để ngăn chặn việc cắt sai.

Góc quay của đĩa rơle phụ thuộc vào lực armature, tỷ lệ thuận với điện áp được áp dụng. Do đó, điện áp quyết định góc quay.

Đặc trưng Thời gian của Rơle Độ cản Tốc độ Cao

Hình vẽ cho thấy rơle không hoạt động đối với các giá trị vượt quá 100% ngưỡng pickup. Đường cong 1 đại diện cho đặc trưng hoạt động thực tế, trong khi đường cong 2 cung cấp mô hình đơn giản hóa của đường cong 1. Thiết kế này đảm bảo phản ứng nhanh chóng đối với lỗi trong phạm vi đã cài đặt trong khi duy trì sự ổn định trong điều kiện bình thường. Hoạt động tốc độ cao của rơle rất quan trọng để giảm thiểu thiệt hại trong hệ thống điện, với đường cong đơn giản hóa giúp dễ dàng triển khai và phân tích trong cài đặt rơle bảo vệ.

Nhược điểm của Rơle Độ cản Đơn giản

Dưới đây là các nhược điểm chính của rơle độ cản:

• Thiếu Phân biệt Hướng
  Rơle phản ứng với sự thay đổi độ cản ở cả hai phía của biến áp dòng (CT) và biến áp điện áp (PT). Điều này làm cho các cầu chì khó phân biệt giữa lỗi nội bộ (trong khu vực được bảo vệ) và lỗi ngoại vi (ngoài khu vực), có thể dẫn đến việc cắt không cần thiết hoặc chậm trễ trong việc cô lập lỗi.

• Nhạy cảm với Kháng Cung
  Hoạt động của rơle bị ảnh hưởng đáng kể bởi kháng cung trong quá trình lỗi. Kháng cung giới thiệu thêm độ cản, có thể che giấu độ cản lỗi thực sự và khiến rơle hoặc không phản ứng (không cắt cho lỗi nội bộ) hoặc phản ứng quá mức (cắt sai cho lỗi ngoại vi).

• Mỏng manh đối với Sóng Công suất
  Rơle độ cản rất nhạy cảm với sóng công suất&mdash;sự dao động tuần hoàn của điện áp và dòng điện do nhiễu loạn hệ thống (ví dụ, thay đổi tải đột ngột hoặc bất ổn của máy phát). Sóng công suất có thể mô phỏng tình trạng lỗi bằng cách thay đổi độ cản đo được, dẫn đến cắt sai hoặc chậm trễ hoạt động.

• Hoạt động Không Hướng
  Rơle cắt bất cứ khi nào độ cản đo được giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt, không phụ thuộc vào hướng lỗi. Điều này có nghĩa là nó không thể phân biệt giữa lỗi phía trước (trong đường dây được bảo vệ) và lỗi phía sau (hướng nguồn điện), hạn chế khả năng sử dụng trong hệ thống điện phức tạp, nhiều nguồn.