Защитное реле

Электромеханические реле защиты на гидроэлектростанции . Реле находятся в круглых стеклянных корпусах. Прямоугольные устройства представляют собой блоки тестовых соединений, используемые для тестирования и изоляции цепей измерительных трансформаторов.

В электротехнике реле защиты — это релейное устройство, предназначенное для отключения автоматического выключателя при обнаружении неисправности. Первые защитные реле представляли собой электромагнитные устройства, в которых катушки, работающие на движущихся частях, обеспечивали обнаружение аномальных условий эксплуатации, таких как перегрузка по току, перенапряжение , обратный поток мощности , повышенная и пониженная частота.

цифровые реле защиты на базе микропроцессора Твердотельные теперь имитируют оригинальные устройства, а также обеспечивают типы защиты и контроля, непрактичные для электромеханических реле. Электромеханические реле обеспечивают лишь элементарную индикацию места и причины неисправности. Во многих случаях одно микропроцессорное реле выполняет функции, которые выполняются двумя или более электромеханическими устройствами. Объединив несколько функций в одном корпусе, цифровые реле также экономят капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание по сравнению с электромеханическими реле. Однако из-за очень долгой жизни десятки тысяч этих «молчаливых стражей» по-прежнему защищают линии электропередачи и электрооборудование по всему миру. Важные линии электропередачи и генераторы имеют защитные шкафы со множеством отдельных электромеханических устройств или одним или двумя микропроцессорными реле.

Теория и применение этих защитных устройств являются важной частью образования инженера-энергетика, специализирующегося на защите энергосистем . Необходимость действовать быстро для защиты цепей и оборудования часто требует, чтобы защитные реле среагировали и отключили выключатель в течение нескольких тысячных долей секунды. В некоторых случаях эти сроки таможенного оформления прописаны в законодательстве или правилах эксплуатации. Программа технического обслуживания или тестирования используется для определения производительности и доступности систем защиты.

В зависимости от конечного применения и применимого законодательства время реакции реле на возможные неисправности регулируется различными стандартами, такими как ANSI C37.90, IEC255-4, IEC60255-3 и IAC.

Принципы работы

Электромеханические реле защиты действуют либо за счет магнитного притяжения , либо за счет магнитной индукции . коммутационного типа В отличие от электромеханических реле с фиксированными и обычно плохо определенными порогами рабочего напряжения и временем срабатывания, реле защиты имеют четко установленные, выбираемые и регулируемые время-токовые (или другие рабочие параметры) рабочие характеристики. Реле защиты могут использовать массивы индукционных дисков, экранированных полюсов, магниты, катушки управления и удержания, приводы соленоидного типа, контакты телефонных реле, и фазосдвигающие сети.

Реле защиты также можно классифицировать по типу выполняемых ими измерений. Реле защиты может реагировать на величину такой величины, как напряжение или ток. Индукционные реле могут реагировать на произведение двух величин в двух катушках возбуждения, которое, например, может представлять собой мощность в цепи.

«Непрактично изготавливать реле, которое развивает крутящий момент, равный частному двух величин переменного тока. Это, однако, не важно; единственным существенным условием для реле является его настройка, и настройку можно сделать так, чтобы она соответствовала соотношению независимо от значений компонентов в широком диапазоне».

Несколько рабочих катушек могут использоваться для обеспечения «смещения» реле, позволяя управлять чувствительностью реакции в одной цепи с помощью другой. В реле могут создаваться различные комбинации «рабочего момента» и «ограничивающего момента».

Используя постоянный магнит в магнитной цепи , можно заставить реле реагировать на ток в одном направлении иначе, чем в другом. Такие поляризованные реле используются в цепях постоянного тока для обнаружения, например, обратного тока в генераторе. Эти реле можно сделать бистабильными, поддерживая контакт закрытым при отсутствии тока в катушке и требуя обратного тока для сброса. Для цепей переменного тока принцип расширяется за счет подключения поляризационной обмотки к источнику опорного напряжения.

Легкие контакты создают чувствительные реле, которые срабатывают быстро, но маленькие контакты не могут проводить или отключать сильные токи. Часто измерительное реле вызывает срабатывание вспомогательных якорных реле телефонного типа.

В большой установке электромеханических реле было бы сложно определить, какое устройство создало сигнал, отключивший цепь. Эта информация полезна эксплуатационному персоналу для определения вероятной причины неисправности и предотвращения ее повторного возникновения. Реле могут быть оснащены блоком «мишени» или «флага», который срабатывает при срабатывании реле и отображает характерный цветной сигнал при срабатывании реле.

Типы по конструкции

Электромеханический

Электромеханические реле можно разделить на несколько типов:

притянутая арматура подвижная катушка

индукция моторный

механический термический

Реле типа «Арматура» имеют поворотный рычаг, опирающийся на шарнир. или ножевой шарнир с подвижным контактом. Эти реле могут работать как на переменном, так и на постоянном токе, но для переменного тока необходима экранирующая катушка на полюсе. используется для поддержания контактной силы на протяжении всего цикла переменного тока. Поскольку воздушный зазор между неподвижной катушкой и подвижным якорем становится намного меньше, когда реле срабатывает, ток, необходимый для поддержания реле в закрытом состоянии, намного меньше, чем ток для его первого срабатывания. «Коэффициент возврата» или «дифференциал» — это мера того, насколько ток должен быть уменьшен для сброса реле.

Вариантом применения принципа притяжения является плунжерный или соленоидный привод. Герконовое реле — еще один пример принципа притяжения.

В счетчиках с «подвижной катушкой» используется петля из витков провода в неподвижном магните, аналогичном гальванометру, но с контактным рычагом вместо указателя. Их можно сделать с очень высокой чувствительностью. Другой тип подвижной катушки подвешивает катушку на двух проводящих связках, что позволяет катушке перемещаться на очень большие расстояния.

Индукционное дисковое реле максимального тока

Когда входной ток превышает предел тока, диск вращается, контакт перемещается влево и достигает неподвижного контакта. Шкала над табличкой указывает время задержки.

«Индукционные» дисковые счетчики работают, индуцируя токи в диске, который может свободно вращаться; вращательное движение диска приводит в действие контакт. Индукционные реле требуют переменного тока; если используются две или более катушек, они должны иметь одинаковую частоту, в противном случае чистая рабочая сила не будет создаваться. В этих электромагнитных реле используется принцип индукции, открытый Галилео Феррарисом в конце 19 века. Магнитная система в индукционных дисковых реле максимального тока предназначена для обнаружения сверхтоков в энергосистеме и срабатывает с заранее заданной выдержкой времени при достижении определенных пределов максимального тока. Для работы магнитная система реле создает крутящий момент, который действует на металлический диск для установления контакта в соответствии со следующим основным уравнением тока/момента:

$T\propto \phi _{s}\times \phi _{u}\sin \alpha$

Где $\phi _{u}$ и $\phi _{s}$ два потока и $\alpha$ - фазовый угол между потоками

Из приведенного выше уравнения можно сделать следующие важные выводы.

• Для создания крутящего момента необходимы два переменных потока со сдвигом фаз.
• Максимальный крутящий момент создается, когда два переменных потока расположены под углом 90 градусов друг от друга.
• Результирующий крутящий момент является постоянным и не зависит от времени.

Питание первичной обмотки реле осуществляется от трансформатора тока энергосистемы через штекерный мост. который называется множителем настройки вилки (psm). Обычно чувствительность реле определяется семью равноотстоящими отводами или рабочими диапазонами. Первичная обмотка расположена на верхнем электромагните. Вторичная обмотка имеет соединения на верхнем электромагните, на которые подается питание от первичной обмотки и которые соединены с нижним электромагнитом. Когда на верхний и нижний электромагниты подается напряжение, они создают вихревые токи, которые наводятся на металлический диск и протекают по путям магнитного потока. Такое соотношение вихревых токов и потоков создает крутящий момент, пропорциональный входному току первичной обмотки, поскольку два пути потока не совпадают по фазе на 90 °.

В состоянии перегрузки по току будет достигнуто значение тока, которое преодолеет давление управляющей пружины на шпиндель и тормозной магнит, заставляя металлический диск вращаться в направлении неподвижного контакта. Это первоначальное движение диска также удерживается до критического положительного значения тока небольшими прорезями, которые часто вырезаются на боковой стороне диска. Время, необходимое для вращения для замыкания контактов, зависит не только от тока, но и от положения ограничителя обратного хода шпинделя, известного как множитель времени (tm). Множитель времени разделен на 10 линейных делений полного времени вращения.

Если реле не загрязнено, металлический диск и шпиндель с его контактом достигнут фиксированного контакта, посылая таким образом сигнал на отключение и изоляцию цепи в пределах расчетного времени и текущих характеристик. Ток падения реле намного ниже его рабочего значения, и после его достижения реле будет сброшено в обратном направлении под действием давления управляющей пружины, управляемой тормозным магнитом.

Статический

Применение электронных усилителей в реле защиты было описано еще в 1928 году с использованием ламповых усилителей и продолжалось до 1956 года. Устройства, использующие электронные лампы, изучались, но никогда не применялись в качестве коммерческих продуктов из-за ограничений ламповых усилителей. Для поддержания температуры нити накала трубки требуется относительно большой ток в режиме ожидания; для работы цепей требуются неудобные высокие напряжения, а ламповые усилители имели проблемы с некорректной работой из-за шумовых помех.

Статические реле не имеют движущихся частей или имеют мало движущихся частей и стали практичными с появлением транзистора . Измерительные элементы статических реле успешно и экономично построены из диодов , стабилитронов , лавинных диодов , однопереходных транзисторов pnp и npn , биполярных транзисторов , полевых транзисторов или их комбинаций. Статические реле обладают преимуществом более высокой чувствительности, чем чисто электромеханические реле, поскольку питание для работы выходных контактов поступает от отдельного источника питания, а не от сигнальных цепей. Статические реле устраняют или уменьшают дребезг контактов и могут обеспечить быструю работу, длительный срок службы и низкие эксплуатационные расходы.

Цифровой

Основная статья: Цифровое защитное реле

В конце 1960-х годов цифровые реле защиты находились в зачаточном состоянии. Экспериментальная цифровая система защиты была испытана в лаборатории и в полевых условиях в начале 1970-х годов. В отличие от упомянутых выше реле, цифровые реле защиты состоят из двух основных частей: аппаратной и программной. . Первое в мире коммерчески доступное цифровое реле защиты было представлено в энергетической отрасли в 1984 году компанией Schweitzer Engineering Laboratories (SEL), расположенной в Пуллмане, штат Вашингтон. Несмотря на разработку сложных алгоритмов реализации функций защиты, микропроцессорные реле, появившиеся на рынке в 1980-х годах, не включали их в себя. Цифровое реле защиты на базе микропроцессора способно заменить функции многих дискретных электромеханических приборов. Эти реле преобразуют напряжение и ток в цифровую форму и обрабатывают полученные измерения с помощью микропроцессора. Цифровое реле может имитировать функции многих дискретных электромеханических реле в одном устройстве. упрощение проектирования и обслуживания защиты. Каждое цифровое реле может запускать процедуры самотестирования для подтверждения своей готовности и подачи сигнала тревоги в случае обнаружения неисправности. Цифровые реле также могут выполнять такие функции, как интерфейс связи ( SCADA ), мониторинг контактных входов, измерение, анализ сигналов и другие полезные функции. Например, цифровые реле могут хранить несколько наборов параметров защиты. что позволяет изменять поведение реле во время обслуживания подключенного оборудования. Цифровые реле также могут обеспечить стратегии защиты, которые невозможно реализовать с помощью электромеханических реле. Это особенно актуально для высоковольтных или многополюсных цепей на больших расстояниях, а также в линиях с последовательной или параллельной компенсацией. Они также предлагают преимущества в области самотестирования и связи с системами диспетчерского управления.

Цифровое (числовое) многофункциональное реле защиты для распределительных сетей. Одно такое устройство может заменить множество однофункциональных электромеханических реле и обеспечивает функции самотестирования и связи.

Числовой

Основная статья: Числовое реле

Различие между цифровыми и цифровыми реле защиты основано на мелких технических деталях и редко встречается в других областях, кроме защиты. . Цифровые реле являются продуктом технологических достижений цифровых реле. Обычно существует несколько различных типов цифровых реле защиты. Однако каждый тип имеет схожую архитектуру, что позволяет разработчикам создавать целостное системное решение, основанное на относительно небольшом количестве гибких компонентов. Они используют высокоскоростные процессоры, выполняющие соответствующие алгоритмы. . Большинство цифровых реле также являются многофункциональными. и иметь несколько групп настроек, каждая из которых часто содержит десятки или сотни настроек.

Реле по функциям

Различные защитные функции, доступные для данного реле, обозначаются стандартными номерами устройств ANSI . Например, реле, включающее функцию 51, будет реле максимальной токовой защиты с таймером.

Реле максимального тока

Реле максимального тока — это тип защитного реле, которое срабатывает, когда ток нагрузки превышает значение срабатывания. Оно бывает двух типов: реле максимального тока мгновенного действия (IOC) и реле максимального тока с независимой выдержкой времени (DTOC).

Номер устройства ANSI равен 50 для реле IOC или реле DTOC. В типичном приложении реле максимального тока подключается к трансформатору тока и калибруется для работы при определенном уровне тока или выше. Когда реле срабатывает, один или несколько контактов срабатывают и подают напряжение для отключения автоматического выключателя. Реле DTOC широко использовалось в Соединенном Королевстве, но присущая ему проблема замедления работы при неисправностях ближе к источнику привела к разработке реле IDMT.

Реле максимального тока с независимой выдержкой времени

Реле максимального тока с независимой выдержкой времени (DTOC) — это реле, которое срабатывает через определенный период времени, когда ток превышает значение срабатывания. Следовательно, это реле имеет диапазон настройки тока, а также диапазон настройки времени.

Реле максимального тока мгновенного действия

Реле максимального тока мгновенного действия — это реле максимального тока, которое не имеет преднамеренной задержки срабатывания. Контакты реле замыкаются мгновенно, когда ток внутри реле превышает рабочее значение. Временной интервал между моментальным срабатыванием и замыканием контактов реле очень мал. Он имеет малое время работы и начинает работать мгновенно, когда значение тока превышает уставку реле. Это реле срабатывает только тогда, когда полное сопротивление между источником и реле меньше указанного в разделе.

Реле максимального тока с обратнозависимой выдержкой времени

Реле максимального тока с обратнозависимой выдержкой времени (ITOC) — это реле максимального тока, которое срабатывает только тогда, когда величина его рабочего тока обратно пропорциональна величине возбуждающих величин. Время срабатывания реле уменьшается с увеличением тока. Срабатывание реле зависит от величины тока.

Инверсное реле минимального времени с независимой регулировкой

Реле обратного минимального времени (IDMT) представляют собой защитные реле, которые были разработаны для устранения недостатков реле максимального тока с независимой выдержкой времени (DTOC).

Если полное сопротивление источника остается постоянным, а ток повреждения заметно изменяется по мере удаления от реле, то выгодно использовать защиту от сверхтоков с IDMT. для достижения высокоскоростной защиты на большом участке защищаемой цепи. Однако если импеданс источника значительно больше импеданса фидера, то характеристика реле IDMT не может быть использована и можно использовать DTOC. Во-вторых, если импеданс источника изменяется и становится слабее при меньшем уровне генерации при небольших нагрузках, это приводит к уменьшению времени отключения, что сводит на нет назначение реле IDMT.

Стандарт IEC 60255-151 определяет кривые реле с IDMT, как показано ниже. Четыре кривые в таблице 1 взяты из ныне отозванного британского стандарта BS 142. Остальные пять в таблице 2 взяты из стандарта ANSI C37.112.

Хотя для защиты по току чаще используются реле IDMT, для защиты по напряжению можно использовать режим работы IDMT. . В некоторых защитных реле можно запрограммировать индивидуальные кривые. и другие производители имеют специальные кривые, специфичные для их реле. Некоторые цифровые реле можно использовать для обеспечения защиты от перенапряжения с обратнозависимой выдержкой времени. или защита от перегрузки по току обратной последовательности.

Таблица 1. Кривые, полученные по BS 142

Характеристики реле	Уравнение МЭК
Стандартный инверсный (SI)	$t=TMS\times {\frac {0.14}{I_{r}^{0.02}-1}}$
Очень инверсия	$t=TMS\times {\frac {13.5}{I_{r}-1}}$
Чрезвычайно инверсный (EI)	$t=TMS\times {\frac {80}{I_{r}^{2}-1}}$
Стандартное длительное замыкание на землю	$t=TMS\times {\frac {120}{I_{r}-1}}$

Таблица 2. Кривые взяты из стандарта ANSI (характеристики реле IDMT для Северной Америки)

Характеристики реле	Уравнение IEEE
IEEE умеренно инверсный	$t={\frac {TD}{7}}{\biggl \{}{\biggl (}{\frac {0.0515}{I_{r}^{0.02}-1}}{\biggl )}+0.114{\biggl \}}$
IEE очень инверсный (VI)	$t={\frac {TD}{7}}{\biggl \{}{\biggl (}{\frac {19.61}{I_{r}^{2}-1}}{\biggl )}+0.491{\biggl \}}$
Чрезвычайно инверсный (EI)	$t={\frac {TD}{7}}{\biggl \{}{\biggl (}{\frac {28.2}{I_{r}^{2}-1}}{\biggl )}+0.1217{\biggl \}}$
США CO 8 инверсный	$t={\frac {TD}{7}}{\biggl \{}{\biggl (}{\frac {5.95}{I_{r}^{2}-1}}{\biggl )}+0.18{\biggl \}}$
США CO 2 Кратковременно инверсный	$t={\frac {TD}{7}}{\biggl \{}{\biggl (}{\frac {0.02394}{I_{r}^{0.02}-1}}{\biggl )}+0.01694{\biggl \}}$

I _r = — отношение тока повреждения к току срабатывания реле или множителю настройки вилки. «Вилка» — это отсылка к эпохе электромеханических реле, она была доступна в дискретных вариантах. шаги. TD — настройка набора времени.

$PSM={\frac {Primary\ fault\ current}{Relay\ current\ setting\ \times \ CT\ ratio}}$

Приведенные выше уравнения приводят к образованию «семейства» кривых в результате использования различных настроек множителя времени (TMS). Из уравнений характеристик реле очевидно, что больший TMS приведет к более медленному времени отключения для данного значения PMS (I _r ).

Дистанционное реле

Дистанционные реле , также известные как реле сопротивления , принципиально отличаются от других форм защиты тем, что их характеристики зависят не от величины тока или напряжения в защищаемой цепи, а от соотношения этих двух величин. Дистанционные реле на самом деле представляют собой реле двойного срабатывания: одна катушка питается напряжением, а другая катушкой - током. Элемент тока создает положительный крутящий момент, или момент срабатывания, тогда как элемент напряжения создает отрицательный крутящий момент, или крутящий момент сброса. Реле срабатывает только тогда, когда соотношение V/I падает ниже заданного значения (или заданного значения). При повреждении линии передачи ток повреждения увеличивается, а напряжение в точке повреждения уменьшается. В/И Коэффициент измеряется в месте расположения трансформаторов тока и трансформатора тока . Напряжение в месте расположения ПТ зависит от расстояния между ПТ и местом повреждения. Если измеренное напряжение меньше, это означает, что неисправность ближе, и наоборот. Отсюда и защита, называемая дистанционным реле. Нагрузка, проходящая через линию, представляет собой полное сопротивление реле, и достаточно большие нагрузки (поскольку полное сопротивление обратно пропорционально нагрузке) могут привести к отключению реле даже при отсутствии неисправности.

Схема дифференциальной защиты по току

Дифференциальная схема действует на разнице между током, входящим в защищаемую зону (которым может быть шина, генератор, трансформатор или другое оборудование) и током, выходящим из этой зоны. Повреждение вне зоны дает одинаковый ток повреждения на входе и выходе из зоны, но повреждения внутри зоны проявляются как разница в токе.

«Дифференциальная защита является 100% селективной и поэтому реагирует только на повреждения внутри своей защищенной зоны. Граница защищенной зоны однозначно определяется расположением трансформаторов тока . Поэтому временная градация с другими системами защиты не требуется, что позволяет выполнить отключение. Поэтому дифференциальная защита без дополнительной задержки подходит в качестве быстрой основной защиты для всех важных элементов установки».

Дифференциальную защиту можно использовать для защиты зон с несколькими терминалами. и может использоваться для защиты линий, генераторы, двигатели, трансформаторы и другое электрооборудование.

Трансформаторы тока в дифференциальной схеме должны выбираться так, чтобы иметь почти идентичную реакцию на высокие перегрузки по току. Если «сквозное замыкание» приводит к насыщению одного комплекта трансформаторов тока раньше другого, дифференциальная защита зоны увидит ложный «срабатывающий» ток и может вызвать ложное срабатывание.

Автоматические выключатели GFCI ( прерыватель цепи замыкания на землю ) сочетают в себе защиту от сверхтоков и дифференциальную защиту (нерегулируемую) в стандартных, общедоступных модулях.

Направленное реле

использует Направленное реле дополнительный поляризационный источник напряжения или тока для определения направления повреждения. Направленные элементы реагируют на фазовый сдвиг между поляризующей величиной и рабочей величиной. Неисправность может располагаться выше или ниже места расположения реле, что позволяет использовать соответствующие защитные устройства внутри или за пределами защитной зоны.

Проверка синхронизма

Реле проверки синхронизма обеспечивает замыкание контактов, когда частота и фаза двух источников близки в пределах некоторого допуска. Реле «проверки синхронизации» часто применяется там, где две энергосистемы соединены между собой, например, на распределительной станции, соединяющей две энергосети, или в автоматическом выключателе генератора, чтобы убедиться, что генератор синхронизирован с системой перед его подключением.

Источник питания

Реле также можно классифицировать по типу источника питания, который они используют для работы.

Реле защиты с двойным питанием, питаемое током, получаемым от линии с помощью трансформатора тока. Нападающий также показан

• Реле с автономным питанием работают за счет энергии, получаемой от защищаемой цепи, например, через трансформаторы тока, используемые для измерения линейного тока. Это устраняет вопрос стоимости и надежности отдельного источника питания.
• Реле со вспомогательным питанием работают от батареи или внешнего источника переменного тока. Некоторые реле могут использовать переменный или постоянный ток. Вспомогательное питание должно быть высоконадежным во время системного сбоя.
• Реле с двойным питанием также могут иметь вспомогательное питание, поэтому все батареи, зарядные устройства и другие внешние элементы становятся резервными и используются в качестве резервных.

Внешние ссылки

• Silent Sentinels , издание 1949 года Интернет-текст