2.11. Индукционные реле направления мощности

Назначение и требования к реле. Реле направления мощности (РНМ) реагируют на значение и знак мощности S, подведенной к их зажимам. Они используются в схемах как орган, определяющий по направлению (знаку) мощности (протекающей по защищенной ЛЭП);. где произошло повреждение – на защищаемой ЛЭП или на других присоединениях, отходящих от шин подстанции (рис.2.32, а). В первом случае при КЗ в К1 мощность КЗ S_K1 направлена от шин в ЛЭП, и РНМ должно срабатывать и замыкать свои контакты, во втором – при КЗ в К2 – мощность КЗ S_K2 направлена к шинам, в этом случае реле не должно замыкать контакты.

Р еле мощности имеет две обмотки: одна питается напряжением U_Р, а другая – током сети I_P (рис.2.32, б). Взаимодействие токов, проходящих по обмоткам, создает электромагнитный момент, значение и знак которого зависят от напряжения U_Р, тока I_P и угла сдвига φ_Р между ними.

Чувствительность РНМ оценивается минимальной мощностью, при которой реле замыкает свои контакты. Эта мощность называется мощностью срабатывания и обозначается S_С.Р.

Реле направления мощности выполняются мгновенными. Время срабатывания РНМ должно быть минимальным.

К онструкция и принципы действия индукционных реле мощности. Индукционные реле мощности выполняются с подвижной системой в виде цилиндрического ротора (рис.2.33, а). Реле имеет замкнутый четырехполюсный магнитопровод 1 с выступающими внутрь полюсами. Между полюсами установлен стальной цилиндр (сердечник) 2, повышающий магнитную проницаемость междуполюсного пространства. Алюминиевый цилиндр (ротор) 3 может поворачиваться в зазоре между стальным сердечником и полюсами. При повороте ротора 3 происходит замыкание контактов реле 6.

Для возврата ротора и контактов в исходное положение предусматривается противодействующая пружина 7 (рис.2.33, б).

Обмотка 4 питается напряжением U_Р = U_C/K_U, а обмотка 5 – током I_P = I_C/K_I, где U_C и I_С – напряжение и ток сети (защищаемого элемента). Ток I_H = U_P/Z_H в обмотке 4 создает магнитный поток Ф_H (поляризующий).

Ток I_P, проходящий по обмотке 5, создает магнитный поток Ф_Т (рабочий).

Н а рис.2.34 изображена векторная диаграмма магнитных потоков Ф_H и Ф_Т. За исходный для ее построения принимается вектор напряжения U_Р. Ток I_H сдвинут по фазе относительно напряжения U_Р на угол α, а ток I_P – на угол φ_Р.

Угол α определяется индуктивным и активным сопротивлением обмотки 4, питаемой напряжением, и называется углом внутреннего сдвига реле. Угол φ_Р зависит от параметров сети и фаз подведенных к реле U_С и I_С.

Магнитные потоки Ф_Н и Ф_Т изображены на диаграмме совпадающими с создающими их токами I_Н и I_Р.

Из векторной диаграммы следует, что потоки Ф_Н и Ф_Т, а также токи I_Н и I_Р сдвинуты по фазе на угол ψ = α – φ_Р, электромагнитный момент М_Э согласно формуле (2.13):

(2.17)

выражая Ф_Н и Ф_Т через создающие их токи, получим

(2.18)

где – мощность, подведенная к реле.

Анализируя выражение (2.18), можно сделать следующие выводы: электромагнитный момент peлe пропорционален мощности на его зажимах; знак электромагнитного момента реле определяется знаком sin(α – ψ_Р) и зависит от значения φ_Р и угла внутреннего сдвига α. Это иллюстрируется рис.2.34, где зона отрицательных моментов заштрихована. Незаштрихованная часть диаграммы соответствует области положительных моментов, где Ф_Т опережает Ф_Н, а φ_Р и его синус имеют положительный знак. Линия АВ, проходящая через углы α – φ_Р = 0 и 180°, называется линией изменения знака момента. Она всегда расположена под углом α к вектору U_P, т.е. совпадает с направлением векторов I_H и Ф_H.

Линия CD (перпендикулярная АВ) называется линией максимальных моментов. Момент М_Э достигает максимума при α – φ_Р = 90°, т.е. когда I_Р опережает I_H на 90°. Угол φ_Р, при котором М_Э достигает максимального значения, называется углом максимальной чувствительности, значение которого зависит от угла α, который определяется отношением X/R в цепи напряжения.

Реле не действует, если отсутствует напряжение или ток в реле или если sin(α – φ_Р) = 0. Последнее условие имеет место при φ_Р = α и φ_Р = α + 180°.

Таким образом, выражение (2.18) и рис.2.34 показывают, что рассмотренная конструкция есть реле, реагирующее на знак мощности S_Р или, иными словами, и – на угол сдвига φ_Р между напряжением U_Р и током I_Р.

Основные характеристики реле мощности. Мощность срабатывания. Наименьшая мощность на зажимах реле, при которой оно срабатывает, называется мощностью срабатывания S_СР.

Зависимость мощности срабатывания от тока I_Р и угла φ_Р принято оценивать характеристикой чувствительности и угловой характеристикой.

Характеристика чувствительности представляет собой зависимость U_CP = f(I_Р) при неизменном φ_Р (рис.2.35), где U_CP – 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(α – φ_Р) = 1.

У гловая характеристика представляет собой зависимость U_CP = f(I_Р) при неизменном значении I_Р. На рис.2.36 показана характеристика для реле смешанного типа с α = + 45°. Угловая характеристика (рис.2.36, а) позволяет определить изменение чувствительности реле (характеризуемое величиной U_CP ) при разных значениях угла φ_Р; минимальное значение U_CPmin и наиболее выгодную зону углов φ_Р, в пределах которой U_CP близко к U_CPmin, при каких углах φ_Р меняется знак электромагнитного момента и пределы углов φ_Р, которым соответствуют положительные и отрицательные моменты (рис.2.36, б).

Полярность обмоток. Знак электромагнитного момента реле зависит от относительного направления токов I_Р и I_H в его обмотках. Условились изготовлять РНМ так, что при одинаковом направлении токов в обмотках напряжения и тока реле замыкает свои контакты (см. рис.2.32). 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.2.32 начало обмоток отмечено точками. Реле подключается к ТТ и ТН с учетом полярности обмоток так, чтобы при КЗ в зоне РЗ реле замыкало свои контакты.

Явление самохода. Самоходом называют срабатывание РНМ при прохождении тока только в одной его обмотке – токовой или напряжения. Реле, имеющее самоход от тока, может неправильно сработать при обратном направлении мощности, когда повреждение возникает в непосредственной близости от реле в зоне его недействия, в результате чего напряжение на его зажимах будет равно нулю.

Причиной самохода обычно является несимметрия магнитных систем реле относительно цилиндрического ротора. Для устранения самохода на стальном сердечнике 2 (рис.2.33, а) предусмотрен срез; изменяя положения сердечника, можно компенсировать неравномерность потоков в воздушном зазоре.

Индукционные реле мощности типа РБМ. Отечественной электропромышленностью выпускались быстродействующие реле направления мощности РБМ промежуточного типа, конструктивное выполнение которых соответствует показанному на рис.2.32, а. Момент реле выражается уравнением

где β = 90 – α.

Имеются два основных варианта исполнения реле: РБМ-171 и РБМ-271, используемые обычно для включения на фазный ток и междуфазное напряжение. Угол максимальной чувствительности у этих реле может изменяться и имеет два значения: φ_М.Ч = – и 45° и φ_М.Ч = – 30°.

РБМ-178, РБМ-278 и РБМ-177, РБМ-277 включаются на ток и напряжение нулевой последовательности (НП); их угол максимальной чувствительности φ_М.Ч = + 70°. У реле РБМ-178 и РБМ-278 S_С.Р = 0,2 - 4 В·А, у реле РБМ-177 и РБМ-277 S_С.Р =0,6 + 3 В·А.

Реле РБМ-271. РБМ-277, РБМ-278 – двустороннего действия, имеют два замыкающих контакта, действующих при соответствующем знаке момента.

Индукционные РНМ заводом не изготовляются. Однако в эксплуатации находится большое количество таких реле.

Освоен промышленный выпуск РНМ типов РМ-11 (с угловой характеристикой, аналогичной РБМ-171) и РМ-12 (с угловой характеристикой, аналогичной РБМ-178). Напряжение срабатывания реле РМ-11 не более 0,25 В, а реле РМ-12 регулируется ступенями 1, 2 и 3 В. Устройство этих реле рассмотрено в § 2.19.