В электротехнике защитное реле — это релейное устройство, предназначенное для отключения автоматического выключателя при обнаружении неисправности. [1] : 4 Первые защитные реле были электромагнитными устройствами, в которых использовались катушки, работающие на подвижных частях, для обнаружения ненормальных рабочих условий, таких как перегрузка по току, перенапряжение , обратный поток мощности , повышенная и пониженная частота. [2]
Микропроцессорные твердотельные цифровые реле защиты теперь эмулируют оригинальные устройства, а также обеспечивают типы защиты и контроля, непрактичные с электромеханическими реле. Электромеханические реле обеспечивают только элементарную индикацию местоположения и источника неисправности. [3] Во многих случаях одно микропроцессорное реле обеспечивает функции, которые потребовали бы двух или более электромеханических устройств. Объединяя несколько функций в одном корпусе, цифровые реле также экономят капитальные затраты и расходы на техническое обслуживание по сравнению с электромеханическими реле. [4] Однако из-за их очень длительного срока службы десятки тысяч этих «молчаливых стражей» [5] все еще защищают линии электропередачи и электрооборудование по всему миру. Важные линии электропередачи и генераторы имеют отсеки, предназначенные для защиты, со многими отдельными электромеханическими устройствами или одним или двумя микропроцессорными реле.
Теория и применение этих защитных устройств являются важной частью образования инженера-энергетика , специализирующегося на защите энергосистем . Необходимость быстро действовать для защиты цепей и оборудования часто требует, чтобы защитные реле реагировали и отключали выключатель в течение нескольких тысячных секунды. В некоторых случаях эти времена отключения прописаны в законодательстве или правилах эксплуатации. [6] Программа технического обслуживания или тестирования используется для определения производительности и доступности систем защиты. [7]
В зависимости от конечного применения и действующего законодательства различные стандарты, такие как ANSI C37.90, IEC255-4, IEC60255-3 и IAC, регулируют время реакции реле на возможные неисправности. [8]
Электромеханические защитные реле работают либо за счет магнитного притяжения , либо за счет магнитной индукции . [9] : 14 В отличие от электромеханических реле коммутационного типа с фиксированными и обычно плохо определенными порогами рабочего напряжения и временем срабатывания, защитные реле имеют хорошо установленные, выбираемые и регулируемые рабочие характеристики времени и тока (или другого рабочего параметра). Реле защиты могут использовать массивы индукционных дисков, экранированные полюса, [9] : 25 магниты, рабочие и удерживающие катушки, операторы соленоидного типа, контакты телефонного реле, [ необходимо разъяснение ] и сети сдвига фаз.
Защитные реле также можно классифицировать по типу измерения, которое они производят. [10] : 92 Защитное реле может реагировать на величину величины, такой как напряжение или ток. Индукционные реле могут реагировать на произведение двух величин в двух полевых катушках, что может, например, представлять мощность в цепи.
«Непрактично создавать реле, которое развивает крутящий момент, равный частному двух величин переменного тока. Однако это не важно; единственным существенным условием для реле является его настройка, а настройка может быть сделана соответствующей отношению независимо от значений компонентов в широком диапазоне». [10] : 92
Несколько рабочих катушек могут использоваться для обеспечения "смещения" реле, позволяя управлять чувствительностью отклика в одной цепи с помощью другой. Различные комбинации "рабочего момента" и "ограничительного момента" могут быть получены в реле.
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, сохраняя контакт замкнутым при отсутствии тока катушки и требуя обратного тока для сброса. Для цепей переменного тока принцип расширяется с поляризующей обмоткой, подключенной к источнику опорного напряжения.
Легкие контакты делают реле чувствительными, которые работают быстро, но маленькие контакты не могут проводить или прерывать сильные токи. Часто измерительное реле будет запускать вспомогательные реле арматуры телефонного типа.
В большой установке электромеханических реле будет сложно определить, какое устройство выдало сигнал, который отключил цепь. Эта информация полезна для оперативного персонала, чтобы определить вероятную причину неисправности и предотвратить ее повторное возникновение. Реле могут быть оснащены «целевым» или «флаговым» устройством, которое высвобождается при срабатывании реле, чтобы отображать отличительный цветной сигнал при срабатывании реле. [11]
Электромеханические реле можно разделить на несколько различных типов:
Реле типа «арматура» имеют поворотный рычаг, поддерживаемый на шарнире [12] или ножевидном шарнире, который несет подвижный контакт. Эти реле могут работать как на переменном, так и на постоянном токе, но для переменного тока используется затеняющая катушка на полюсе [9] : 14 для поддержания контактного усилия на протяжении всего цикла переменного тока. Поскольку воздушный зазор между неподвижной катушкой и подвижным якорем становится намного меньше, когда реле сработало, ток, необходимый для поддержания реле в замкнутом состоянии, намного меньше тока, необходимого для его первого срабатывания. «Возвратное отношение» [13] или «дифференциал» — это мера того, насколько должен быть уменьшен ток для сброса реле.
Вариантом применения принципа притяжения является плунжерный или соленоидный оператор. Герконовое реле — еще один пример принципа притяжения.
Счетчики с "подвижной катушкой" используют петлю из витков проволоки в неподвижном магните, подобно гальванометру, но с контактным рычагом вместо указателя. Они могут быть изготовлены с очень высокой чувствительностью. Другой тип подвижной катушки подвешивает катушку на двух проводящих связках, что позволяет катушке совершать очень большие перемещения.
«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 быть на одной частоте, в противном случае чистая рабочая сила не создается. [11] Эти электромагнитные реле используют принцип индукции, открытый Галилео Феррарисом в конце 19 века. Магнитная система в индукционных дисковых реле максимального тока предназначена для обнаружения сверхтоков в энергосистеме и работает с заранее определенной задержкой по времени при достижении определенных пределов сверхтока. Для работы магнитная система в реле создает крутящий момент, который действует на металлический диск для создания контакта в соответствии со следующим основным уравнением тока/крутящего момента: [14]
Где и - два потока, а - фазовый угол между потоками
Из приведенного выше уравнения можно сделать следующие важные выводы. [15]
Первичная обмотка реле питается от трансформатора тока энергосистемы через мостовую вилку [16], которая называется множителем настройки вилки (psm). Обычно семь равноотстоящих ответвлений или рабочих полос определяют чувствительность реле. Первичная обмотка расположена на верхнем электромагните. Вторичная обмотка имеет соединения на верхнем электромагните, которые запитываются от первичной обмотки и подключаются к нижнему электромагниту. После того, как верхний и нижний электромагниты запитаны, они создают вихревые токи, которые индуцируются на металлическом диске и протекают через пути потока. Это соотношение вихревых токов и потоков создает крутящий момент, пропорциональный входному току первичной обмотки, из-за того, что два пути потока сдвинуты по фазе на 90°.
В состоянии перегрузки по току будет достигнуто значение тока, которое преодолевает давление управляющей пружины на шпиндель и тормозной магнит, заставляя металлический диск вращаться в направлении фиксированного контакта. Это начальное движение диска также удерживается до критического положительного значения тока небольшими прорезями, которые часто прорезаются на боковой стороне диска. Время, необходимое для вращения для создания контактов, зависит не только от тока, но и от положения обратного упора шпинделя, известного как множитель времени (tm). Множитель времени делится на 10 линейных делений полного времени вращения.
При условии, что реле не загрязнено, металлический диск и шпиндель с его контактом достигнут неподвижного контакта, тем самым посылая сигнал на отключение и изоляцию цепи в пределах его расчетного времени и технических характеристик тока. Ток отключения реле намного ниже его рабочего значения, и после его достижения реле будет сброшено в обратном направлении давлением управляющей пружины, регулируемой тормозным магнитом.
Применение электронных усилителей в защитных реле было описано еще в 1928 году с использованием усилителей на электронных лампах и продолжалось до 1956 года. [17] Устройства, использующие электронные лампы, изучались, но никогда не применялись в качестве коммерческих продуктов из-за ограничений усилителей на электронных лампах. Для поддержания температуры нити накала лампы требуется относительно большой ток в режиме ожидания; для цепей требуются неудобные высокие напряжения, а усилители на электронных лампах испытывали трудности с неправильной работой из-за шумовых помех.
Статические реле не имеют или имеют мало подвижных частей и стали практичными с введением транзистора . Измерительные элементы статических реле были успешно и экономично построены из диодов , стабилитронов , лавинных диодов , однопереходных транзисторов , биполярных транзисторов pnp и npn , полевых транзисторов или их комбинаций. [18] : 6 Статические реле обладают преимуществом более высокой чувствительности, чем чисто электромеханические реле, поскольку питание для работы выходных контактов поступает от отдельного источника, а не от сигнальных цепей. Статические реле устраняют или уменьшают дребезг контактов и могут обеспечить быструю работу, длительный срок службы и низкие эксплуатационные расходы. [19]
Цифровые защитные реле находились в зачаточном состоянии в конце 1960-х годов. [20] [21] Экспериментальная цифровая система защиты была испытана в лаборатории и в полевых условиях в начале 1970-х годов. [22] [23] В отличие от реле, упомянутых выше, цифровые защитные реле состоят из двух основных частей: аппаратной и программной [24] : 5 . Первое в мире коммерчески доступное цифровое защитное реле было представлено энергетической промышленности в 1984 году Schweitzer Engineering Laboratories (SEL), базирующейся в Пуллмане, штат Вашингтон. [3] Несмотря на разработки сложных алгоритмов для реализации функций защиты, микропроцессорные реле, выпущенные на рынок в 1980-х годах, не включали их. [25] Микропроцессорное цифровое защитное реле может заменить функции многих дискретных электромеханических приборов. Эти реле преобразуют напряжение и токи в цифровую форму и обрабатывают полученные измерения с помощью микропроцессора. Цифровое реле может эмулировать функции многих дискретных электромеханических реле в одном устройстве, [26] упрощая проектирование и обслуживание защиты. Каждое цифровое реле может запускать процедуры самотестирования для подтверждения своей готовности и подачи сигнала тревоги при обнаружении неисправности. Цифровые реле также могут предоставлять такие функции, как интерфейс связи ( SCADA ), мониторинг контактных входов, измерение, анализ формы сигнала и другие полезные функции. Цифровые реле могут, например, хранить несколько наборов параметров защиты, [27] что позволяет изменять поведение реле во время обслуживания подключенного оборудования. Цифровые реле также могут предоставлять стратегии защиты, которые невозможно реализовать с помощью электромеханических реле. Это особенно актуально в дальних высоковольтных или многоконтактных цепях или в линиях с последовательной или шунтовой компенсацией [24] : 3 Они также предлагают преимущества в самотестировании и связи с системами диспетчерского управления.
Различие между цифровыми и цифровыми реле защиты основывается на мелких технических деталях и редко встречается в областях, отличных от защиты [28] : гл. 7, стр. 102 . Цифровые реле являются продуктом достижений в технологии цифровых реле. Как правило, существует несколько различных типов цифровых реле защиты. Однако каждый тип имеет схожую архитектуру, что позволяет разработчикам создавать комплексные системные решения, основанные на относительно небольшом количестве гибких компонентов. [8] Они используют высокоскоростные процессоры, выполняющие соответствующие алгоритмы [18] : 51 . [29] [30] Большинство цифровых реле также многофункциональны [31] и имеют несколько групп настроек, каждая из которых часто содержит десятки или сотни настроек. [32]
Различные защитные функции, доступные на данном реле, обозначены стандартными номерами устройств ANSI . Например, реле, включающее функцию 51, будет реле защиты от перегрузки по току с выдержкой времени.
Реле максимального тока — это тип защитного реле, которое срабатывает, когда ток нагрузки превышает значение срабатывания. Оно бывает двух типов: реле мгновенного максимального тока (IOC) и реле максимального тока с определенной выдержкой времени (DTOC).
Номер устройства ANSI — 50 для реле IOC или реле DTOC. В типичном применении 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 активируются, чтобы отключить автоматический выключатель. Реле DTOC широко использовалось в Великобритании, но его присущая проблема с более медленной работой для неисправностей, расположенных ближе к источнику, привела к разработке реле IDMT. [1] : стр. 30-31
Реле максимального тока с определенной выдержкой времени (DTOC) — это реле, которое срабатывает через определенный промежуток времени после того, как ток превышает значение срабатывания. Следовательно, это реле имеет диапазон настройки тока, а также диапазон настройки времени.
Мгновенное реле максимального тока — это реле максимального тока, которое не имеет преднамеренной задержки времени срабатывания. Контакты реле мгновенно замыкаются, когда ток внутри реле превышает рабочее значение. Интервал времени между мгновенным значением срабатывания и замыканием контактов реле очень мал. Оно имеет малое время срабатывания и начинает работать мгновенно, когда значение тока больше уставки реле. Это реле срабатывает только тогда, когда сопротивление между источником и реле меньше указанного в разделе. [33]
Реле максимального тока с обратнозависимой выдержкой времени (ITOC) — это реле максимального тока, которое срабатывает только тогда, когда величина его рабочего тока обратно пропорциональна величине возбуждаемых величин. Время срабатывания реле уменьшается с увеличением тока. Работа реле зависит от величины тока. [33]
Реле с обратнозависимой выдержкой времени (IDMT) — это защитные реле, которые были разработаны для преодоления недостатков реле максимального тока с независимой выдержкой времени (DTOC). [1] : стр. 30-31 [34] : 134
Если импеданс источника остается постоянным, а ток замыкания существенно изменяется по мере удаления от реле, то выгодно использовать защиту от перегрузки по току с IDMT [35] : 11 для достижения высокоскоростной защиты на большом участке защищаемой цепи. [28] : 127 Однако, если импеданс источника значительно больше импеданса фидера, то характеристика реле IDMT не может быть использована, и можно использовать DTOC. [36] : 42 Во-вторых, если импеданс источника изменяется и становится слабее с меньшей генерацией при легких нагрузках, то это приводит к более медленному времени отключения, следовательно, сводит на нет цель реле IDMT. [37] : 143
Стандарт IEC 60255-151 определяет кривые реле IDMT, как показано ниже. Четыре кривые в Таблице 1 получены из ныне отмененного Британского стандарта BS 142. [38] Остальные пять, в Таблице 2, получены из стандарта ANSI C37.112. [39]
Хотя для защиты по току чаще используют реле IDMT, для защиты по напряжению можно использовать режим работы IDMT [40] : 3 . В некоторых защитных реле можно программировать индивидуальные кривые [41] : pp Ch2-9 , а другие производители [42] : 18 имеют специальные кривые, характерные для их реле. Некоторые цифровые реле можно использовать для обеспечения защиты от перенапряжения с обратнозависимой выдержкой времени [43] : 6 или защиты от перегрузки по току обратной последовательности. [44] : 915
I r = отношение тока короткого замыкания к току настройки реле или множитель настройки вилки. [45] : стр. 73 «Вилка» — это ссылка из эпохи электромеханических реле, и она была доступна в дискретных [1] : стр. 37 шагах. TD — настройка шкалы времени.
Вышеуказанные уравнения приводят к "семейству" кривых в результате использования различных настроек множителя времени (TMS). Из уравнений характеристик реле очевидно, что большее значение TMS приведет к более медленному времени зазора для заданного значения PMS (I r ).
Дистанционные реле , также известные как реле сопротивления , принципиально отличаются от других форм защиты тем, что их производительность не регулируется величиной тока или напряжения в защищаемой цепи, а скорее соотношением этих двух величин. Дистанционные реле на самом деле являются реле двойной величины срабатывания, в которых одна катушка запитана напряжением, а другая — током. Элемент тока создает положительный или подъемный крутящий момент, в то время как элемент напряжения создает отрицательный или сбросной крутящий момент. Реле срабатывает только тогда, когда отношение V/I падает ниже заданного значения (или установленного значения). Во время неисправности на линии электропередачи ток неисправности увеличивается, а напряжение в точке неисправности уменьшается. Отношение V/I [46] измеряется в месте расположения трансформаторов тока и напряжения . Напряжение в месте расположения трансформатора напряжения зависит от расстояния между трансформатором напряжения и местом неисправности. Если измеренное напряжение меньше, это означает, что неисправность ближе, и наоборот. Поэтому защита называется дистанционным реле. Нагрузка, протекающая по линии, представляется как полное сопротивление реле, и достаточно большие нагрузки (поскольку полное сопротивление обратно пропорционально нагрузке) могут привести к срабатыванию реле даже при отсутствии неисправности. [47] : 467
Дифференциальная схема действует на основе разницы между током, входящим в защищенную зону (которая может быть шиной, генератором, трансформатором или другим устройством), и током, выходящим из этой зоны. Неисправность вне зоны дает одинаковый ток неисправности на входе и выходе из зоны, но неисправности внутри зоны проявляются как разница в токе.
«Дифференциальная защита является на 100% селективной и поэтому реагирует только на неисправности в пределах своей защищенной зоны. Граница защищенной зоны однозначно определяется местоположением трансформаторов тока . Поэтому градуировка по времени с другими системами защиты не требуется, что позволяет производить отключение без дополнительной задержки. Поэтому дифференциальная защита подходит в качестве быстродействующей основной защиты для всех важных элементов установки». [48] : 15
Дифференциальная защита может использоваться для защиты зон с несколькими терминалами [49] [50] и может использоваться для защиты линий, [51] генераторов, двигателей, трансформаторов и других электроустановок.
Трансформаторы тока в дифференциальной схеме должны быть выбраны так, чтобы иметь почти идентичный ответ на высокие сверхтоки. Если «сквозное замыкание» приводит к насыщению одного набора трансформаторов тока раньше другого, дифференциальная защита зоны увидит ложный ток «срабатывания» и может ложно сработать.
Автоматические выключатели GFCI ( устройства защитного отключения при замыкании на землю ) объединяют в себе защиту от перегрузки по току и дифференциальную защиту (нерегулируемую) в стандартных, общедоступных модулях. [ необходима ссылка ]
Направленное реле использует дополнительный поляризующий источник напряжения или тока для определения направления неисправности. Направленные элементы реагируют на сдвиг фаз между поляризующей величиной и рабочей величиной. [52] Неисправность может быть расположена выше или ниже по потоку от местоположения реле, что позволяет соответствующим защитным устройствам работать внутри или вне зоны защиты.
Реле проверки синхронизма обеспечивает замыкание контакта, когда частота и фаза двух источников схожи в пределах некоторого допуска. Реле «проверки синхронизма» часто применяется там, где две энергосистемы соединены между собой, например, на распределительном устройстве, соединяющем две энергосистемы, или на выключателе генератора, чтобы убедиться, что генератор синхронизирован с системой перед его подключением.
Реле также можно классифицировать по типу источника питания, который они используют для работы.
{{cite tech report}}
: CS1 maint: year (link){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )