Индукционные реле направления мощности

а) Назначение и требования к реле

Реле направления мощности реагируют на значение и знак мощности, подведенной к их зажимам. Они используются в схе­мах защит как орган, определяющий по направлению (знаку)

мощности (протекающей по защищаемой линии), где произошло повреждение — на защищаемой линии или на других присоеди­нениях, отходящих от шин подстанции (рис. 2-34, а). В первом случае при к. з. в К₁ мощность к. з. S_к1 направлена от шин в линию и реле направления мощности должно замыкать свои кон­такты, во втором при к, з. в К₂ — мощность к. з. S_к2направлена к шинам, в этом случае реле не должно замыкать контакты.

Реле мощности имеет две обмотки: одна питается напряже­нием U_р, а другая — током сети I_р (рис. 2-34, б). Взаимодействие токов, проходящих по обмоткам, создает электромагнитный мо­мент, значение и знак которого зависят от напряжения U_р, тока I_р и угла сдвига φ_р между ними.

Реле направления мощности применяются в направленных защитах (см. гл. 7). Они должны обладать высокой чувствитель­ностью, так как при к. з. вблизи места установки защиты напря­жения U_ррезко снижается, достигая в пределе нуля; при этом мощность, подводимая к реле,, оказывается очень малой и при недостаточной чувствительности реле может не сработать, т. е. может иметь «мертвую» зону.

Чувствительность реле оценивается минимальной мощностью, при которой реле замыкает свои контакты. Эта мощность назы­вается мощностью срабатывания и обозна­чается S_{с. р}.

Реле направления мощности выполняются мгновенными, по­скольку они могут применяться в защитах, работающих без выдержки времени. Собственное время реле направления мощ­ности должно быть минимальным, что особенно важно для реле, применяемых в схемах быстродействующих защит.

б) Конструкция и принципы действия индукционных реле мощности

Современные конструкции индукционных реле мощности вы­полняются с подвижной системой в виде цилиндрического ротора (рис. 2-35, а) [Л.12, 9|.

Реле имеет замкнутый магнитопровод 1 с выступаю­щими внутрь полюсами. Ме­жду полюсами установлен стальной цилиндр (сердеч­ник) 2, повышающий магнит­ную проницаемость между­полюсного пространства. Алюминиевый цилиндр (ро­тор) 3 может вращаться в зазоре между стальным сер­дечником и полюсами. При вращении ротора 3 происхо­дит замыкание контактов реле 6.  

Для возврата ротора и контактов в исходное положение предусматривается спиральная противодействующая пружина 7 (рис. 2-35,б).

Обмотка 4 питается напряжением U_р = U_c /n_н, а обмотка 5 током I_р =I_c/n_Т, где U_c и I_c – напряжение и ток сети (защищаемого элемента). Ток I_н= U_р/z_н в обмотке 4 создает магнитный поток Ф_н (поляризующий).

Ток I_р, проходящий по обмотке 5, в свою очередь создает магнитный поток Ф_т (рабочий)*.

__________

* По аналогии с поляризованным реле, у которого рабочий магнитный поток может менять знак, а поляризующий имеет неизменное направление, обмотка напряжения и магнитный поток Ф_н в реле мощности называются поляризующими, а токовая обмотка и магнитный поток Ф_т — рабочими.

На рис. 2-36 изображена векторная диаграмма магнитных потоков Ф_н и Ф_т . За исходный для ее построения принимается вектор напряжения U_р. Ток I_н сдвинут по фазе относительно напряжения U_р на угол a, а ток I_р – на угол φ_р.

Угол a определяется индуктивным и активным сопротивлением обмотки 4, питаемой напряжением, и называется у г л о м в н у т р е н н е г о с д в и г а р е л е. Угол φ_р зависит от внешних параметров сети и схемы присоединения реле.

Магнитные потоки Ф_н и Ф_т изображены на диаграмме совпадающими с создающими их токами I_н и I_р.

Анализируя выражение (2-31), можно сделать следующие выводы:

1. Электромагнитный момент реле пропорционален мощно­сти S_Р на зажимах реле в направлен от оси опережающего маг­нитного потока к оси отстающего.

2. Знак электромагнитного момента реле определяется знаком sin (a — φ_p) и зависит от значения φ_р.

Синус, а следовательно, и М_э положительны, когда угол ψ= a — φ_р находится в пределах от 0 до 180°, и отрицательны, если ψ меняется от 180 до 360°. Это иллюстрируется рис. 2-36, где зона отрицательных моментов заштрихована.

За положительное направление момента М_э на рис. 2-35, б принято действие М_э по часовой стрелке — на замыкание кон­тактов.

Незаштрихованная часть диаграммы на рис. 2-36 соответст­вует области положительных моментов, где Ф_т опережает Ф_н, а ψ и его синус имеют положительный знак.

Линия АВ, проходящая через углы a — φ_р = 0 и 180°, назы­вается линией изменения знаков момента. Она всегда расположена под углом a к вектору _р, т. е. совпадает с направлением вектора I_н.

Из сказанного следует, что при Ф_т, опережающем поток Ф_н, момент М_э положителен, а при отстающем — отрицателен.

Линия СD (перпендикулярная АВ) называется линией мак­симальных моментов М_э. Проекция I_р на СD (рис. 2-36) равна I_р sin (a — φ_р) и при I_р и U_р= пост, характеризует зави­симость величины и знака момента М_э от угла φ_р. Момент М_э достигает максимума при a — φ_р = 90°, т. е. когда I_р опережает I_н на 90°. Угол φ_р, при котором М_э достигает максимального зна­чения, называется углом максимальной чувст­вительности φ_м.ч. Так как углы a и φ_м.ч откладываются от вектора U_рв противоположные стороны, то их сумма, как это следует из рис. 2-36, — φ_{м ч} + a = 90°, откуда φ_{м ч} = a — 90°.

3. Реле не действует, если отсутствует напряжение или ток в реле или если

Последнее условие имеет место при φ_р=a и φ_р= a + 180°.

Таким образом, выражение (2-31) показывает, что рассмотрен­ная конструкция есть реле, реагирующее на величину и знак мощности.

в) Три типа реле мощности

Изменяя величину угла внутреннего сдвига реле a, можно получить три типа реле мощности, различающихся характером зависимости М_э от φ_р, как это следует из выражения (2-3):

1. При a = 0

т. е. момент М_э реле пропорционален реактивной мощности, измеренной на зажимах реле. Такие реле называются синус­ными, или реле реактивной мощности. Реле имеет максимальный вращающий момент при φ_р = 90°, при φ_р = 0 момент М_э равен нулю. Зоны положительных и отрица­тельных вращающих моментов и линия изменения знака момен­тов реле (АВ) изображены на рис. 2-37, а.

2. При a = 90°

т. е. момент реле пропорционален активной мощности, подводимой к реле. Поэтому такие реле называются реле активной мощности, или косинусными. Диаграмма знаков момента данного типа реле изображена на рис. 2-37, б.

3. При промежуточном значении угла a =a₁ где a₁ отли­чается от 0, но меньше 90°,

Такое реле, реагирующее на некоторую долю активной и реак­тивной составляющих мощности, называется реле мощ­ности смешанного типа. Если выразить a через дополняющий его угол β, т. е. представить его как a= 90° — β, то выражение момента примет вид:

Этим выражением часто пользуются на практике. Зона отри­цательных и положительных моментов для реле смешанного типа показана на рис. 2-37, в. Каждый из трех рассмотренных типов реле мощности находит применение в схемах релейной защиты.

г) Основные характеристики реле мощности

Мощность срабатывания. Срабатывание реле происходит при условии, что электромагнитный момент М_э преодолеет сопротивление пружины М_п и трения М_Т. Наимень­шая мощность на зажимах реле, при кото­рой оно срабатывает, называется мощностью срабатывания S_{с. р},

У современных индукционных реле на­правления мощности мощность срабатыва­ния при угле максимальной чувствитель­ности колеблется от 0,2 до 4 В·А.

Зависимость мощности срабатывания от тока I_р и угла φ_р принято оценивать ха­рактеристикой чувствительности и угловой характеристикой.

Характеристика чувствительности пред­ставляет собой зависимость U_с.р = f (I_р) при неизменном φ_р (рис. 2-38), где U_с.р — наименьшее напряжение, необходимое для действия реле (при данных значениях I_р и φ_р).

Обычно характеристика снимается при φ_р, равном углу максимальной чувствительности, т. е. для случая, когда sin (a - φ_р) = 1.

Теоретическая характеристика чувствитель­ности [см. формулу (2-31)] изображается гиперболой (кривая 1). В действительности же за счет насыщения стали магнитопровода при больших токах I_р напряжение U_с.ростается неизменным и кривая чувствительности идет параллельно оси токов (кривая 2).

Угловая характеристика представляет собой зависимость U_с.р =f(φ_р) при неизменном значении I_р. Эта зависимость может быть получена из выражения (2-31), если в него подставить над­лежащие значения I_р и a.

На рис. 2-39 показаны характеристики для реле смешанного типа с a = + 45°. Угловая характеристика (рис. 2-39, а) позволяет определить:

а) изменение чувствительности реле (характеризуемое величиной U_с.р) при разных значениях угла φ_р;

б) минимальную величину U_{с.р мин} и наиболее выгодную зону углов φ_р, в пределах которой U_с.р близко к U_с.р._мин;

в) при каких углах φ_р меняется знак электромагнитного момента и пре­делы углов φ_р, которым соответствуют положительные и отрицательные мо­менты (рис. 2-39, б).

Время действия реле мощности зави­сит от величины мощности на зажимах реле, характеризуемой отношением S_p/S_c.p. Характер этой зависимости приведен на рис. 2-40.

При мощностях S_p, близких к S_c.p, выдержки времени достаточно велики, и только при S_p / S_c.p ≥3÷4 реле работает с мини­мальным временем.

д) Полярность обмоток

Знак электромагнитного момента реле зависит от относитель­ного направления токов I_р и I_н в его обмотках (или их магнитных потоков). Условились изготовлять реле направления мощности так, что при одинаковом направлении токов в обмотках напря­жения и тока реле замыкает свои контакты (рис. 2-34). Одина­ковым называется направление тока в обеих обмотках от начала к концу обмотки или наоборот. Заводы, изготовляющие реле, указывают однополярные зажимы обмоток, отмечая их условным знаком. На рис. 2-34 начало обмоток отмечено точками.

Реле подключается к измерительным трансформаторам с уче­том полярности обмоток так, чтобы при к. з. в зоне защиты реле замыкало свои контакты.

Дата добавления: 2014-12-23