2.11. Индукционные реле направления мощности

Назначение и требования к реле. Реле направления мощности (РНМ) реагируют на значение и знак мощностиS, 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 "1 мощность КЗ 5, направлена от шин в ЛЭП, и РНМ должно срабатывать и замыкать свои контакты, во втором – при КЗ в К2 – мощность КЗS_K2направлена к шинам, в этом случае реле не должно замыкать контакты.

Реле мощности имеет две обмотки: одна питается напряжением U_P, а другая – током сетиI_P(рис. 2.32, б). Взаимодействие токов, проходящих по обмоткам, создает электромагнитный момент, значение и знак которого зависят от напряженияU_P, токаI_Pи угла сдвига φ_Pмежду 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.

Конструкция 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 б.

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

Обмотка 4 питается напряжением U_P=U_C/K_U, а обмотка 5 – токомI_P=I_C/К_I, гдеU_C иI_C, – напряжение и ток сети (защищаемого элемента). ТокI_H=U_P/Z_Hв обмотке 4 создает магнитный поток Ф_H(поляризующий).

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

На рис. 2.34 изображена векторная диаграмма магнитных потоков Ф_НиФ_Т. За исходный для ее построения принимается вектор напряженияU_P. ТокI_Hсдвинут по фазе относительно напряженияU_P на угол α, а токI_P – на угол φ_P.

Угол α определяется индуктивным и активным сопротивлением обмотки 4, питаемой напряжением, и называется углом внутреннего сдвига реле. Угол φ_Pзависит от параметров сети и фаз подведенных к релеU_C, иI_C.

Магнитные потоки Ф_Ни Ф_Т, изображены на диаграмме совпадающими с создающими их токамиI_H иI_P.

Из векторной диаграммы следует, что потоки Ф_Ни Ф_Та также токиI_H иI_Pсдвинуты по фазе на угол ψ ≡α–φ_P, электромагнитный момент М_Э, согласно формуле (2.13):

М_Э=kФ_НФ_Тsinψ; (2.17)

выражая Ф_Ни Ф_Тчерез создающие их токи, получим

М_Э=k1U_PI_Psin(α–φ_P) (2.18)

где S_P =U_PI_Psin(α–φ_P) – мощность, подведенная к реле.

Анализируя выражение (2.18), можно сделать следующие выводы: электромагнитный момент реле пропорционален мощности на его зажимах; знак электромагнитного момента реле определяется знаком sin(α–φ_P) 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, гдеФ_Т опережаетФ_Н, а у и его синус имеют положительный знак. Линия АВ, проходящая через углыα–φ_P= 0 и 180^o, называется линией изменения знака момента. Она всегда расположена под угломα к векторуU_P, т. е. совпадает с направлением векторовI_HиФ_Н.

Линия СD (перпендикулярная АВ) называется линией максимальных моментов. Момент М_Э, достигает максимума приα–φ_P= 90^о, т.е. когдаI_PопережаетI_Hна 90^o. Уголφ_P, при котором М_Э, достигает максимального значения, называется углом максимальной чувствительности, значение которого зависит от углаα, который определяется отношениемX/Rв цепи напряжения.

Реле не действует, если отсутствует напряжение или ток в реле или если sin(α–φ_P) = 0. Последнее условие имеет место приφ_P=αиφ_P=α+ 180^о.

Таким образом, выражение (2.18) и рис. 2.34 показывают, что рассмотренная конструкция есть реле, реагирующее на знак мощности S_Pили, иными словами, – на угол сдвигаφ_Pмежду напряжениемU_Pи токомI_P.

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

Зависимость мощности срабатывания от тока I_P и углаφ_Pпринято оценивать характеристикой чувствительности и угловой характеристикой.

Характеристика чувствительности представляет собой зависимостьU_CP = f(I_P) при неизменномφ_P(рис. 2.35), гдеU_CP – наименьшее напряжение, необходимое для действия реле (при данных значенияхI_P иφ_P). Обычно характеристика снимается приφ_P, равном углу максимальной чувствительности, т. е. для случая, когдаsin(α–φ_P) = 1.

Угловая характеристика представляет собой зависимостьU_CP = f(I_P) при неизменном значенииI_P. На рис. 2.36 показана характеристика для реле смешанного типа с α = + 45^o. Угловая характеристика (рис. 2.36, а) позволяет определить изменение чувствительности реле (характеризуемое величинойU_CP) при разных значениях углаφ_P, минимальное значениеU_CPmin и наиболее выгодную зону угловφ_P, в пределах которойU_CP, близко кU_CPmin ; при каких углахφ_Pменяется знак электромагнитного момента и пределы угловφ_P, которым соответствуют положительные и отрицательные моменты (рис. 2.36, б).

Полярность обмоток. Знак электромагнитного момента реле зависит от относительного направления токовI_P иI_Hв 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, указы8вают однополярные зажимы обмоток, отмечая их условным знаком. Нарис.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

М_Э = kU_PI_Psin(α – φ_P) = kU_PI_Pcos(α + β_P) = kU_PI_Pcos(φ_P + φ_М.Ч),

где β = 90 – α. Имеются два основных варианта исполнения реле: РВМ-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= –45^oиφ_М.Ч= –30^o.

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^о. У реле РВМ-178 и РБМ.278S_С.Р= 0,2 ÷ 4 В • А, у реле РБМ 177 и РБМ.277S_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.