Реле мощности принцип действия - Electrik-Ufa.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Реле мощности принцип действия

Б.В. Соколов Реле направления мощности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроснабжения горных и промышленных предприятий

РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Релейная защита и автоматика СЭС»

для студентов направления 551700 «Электроэнергетика»

Составитель Б.В.Соколов Утверждены на заседании кафедры Протокол № 2 от 25.10.00 Рекомендованы к печати методической комиссией по направлению 551700 Протокол № 2 от 29.01.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

1. Изучение принципа работы и конструкции индукционных реле направления мощности серии РБМ-171, РБМ-177.

2. Изучение принципа работы и особенностей реализации реле направления мощности на интегральных микросхемах серии РМ-11, РМ-12.

3. Ознакомление с основными параметрами реле направления мощности.

4. Получение практических навыков по проверке и регулировке параметров реле направления мощности.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Индукционные реле направления мощности

Реле направления мощности (РНМ) реагируют на значение и знак мощности S , подведенной к их зажимам. Они используются в схемах в качестве органа, который по направлению (знаку) мощности, протекающей по защищаемому элементу, определяет место, в котором произошло повреждение – на защищаемом элементе или на других присоединениях, отходящих от шин подстанции (рис. 1,а).

Рис.1. Реле направления мощности: а) принцип действия; б) схема включения

В первом случае (при КЗ в точке К1 ) мощность КЗ S k1 направлена от шин в линию и считается положительной. В этом случае РНМ должно срабатывать и замыкать свои контакты. Во втором случае (при КЗ в точке К2) мощность КЗ S k2 направлена от линии в шину. В этом случае реле

РНМ не должно срабатывать.

1.1.1.Конструкция и принцип действия индукционных реле направления мощности

Реле направления мощности индукционного типа имеет два измерительных органа: измерительный орган тока (ИОТ) и измерительный орган напряжения (ИОН).

Оно имеет две обмотки: одна питается напряжением U p , а другая – током I p (рис. 1, б). Взаимодействие токов, проходящих по обмоткам такого реле, создает электромагнитный момент, значение и знак которого зависят от напряжения U p , тока I p и угла сдвига ϕ р между ними.

Реле направления мощности (в отличие от индукционных реле тока) выполняются мгновенными. Время их действия должно быть минимальным и практически составляет величину 0,04 с.

Индукционные реле мощности выполняются с подвижной системой в виде цилиндрического ротора (рис.2,а). Они имеют замкнутый четырехполюсный магнитопровод 1 с выступающими внутрь полюсами. Между полюсами установлен стальной цилиндр (сердечник) 2, предназначенный для повышения магнитной проницаемости 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, б). Обмотка напряжения 4 питается напряжением U p = U С /K U , а обмотка тока 5 – током I p =I C /K I , где U C и I C – напряжение и ток первичной сети (защищаемого элемента), K U , K I – коэффициенты трансформации измерительного трансформатора напряжения и измерительного трансформатора тока соответственно. Ток I H = U p /Z H , проходящий по обмотке напряжения 4, создает магнитный (поляризующий) поток напряжения Ф н . Ток I p , проходящий по обмотке тока 5, создает магнитный (рабочий) поток Ф Т .

Рис.2. Реле направления мощности: а – с цилиндрическим ротором;

б – ротор реле и направление положительного момента М э

На рис. 3 изображена векторная диаграмма токов (потоков) индукционного реле . За исходный для ее построения принят вектор напряжения U p . Ток I H сдвинут (отстает) по фазе относительно напряжения U p на

угол α , а ток I p – на угол сдвига по фазе ϕ р .

Угол α определяется соотношением между индуктивным и активным сопротивлениями обмотки 4, питаемой напряжением. Он называется углом внутреннего сдвига реле и зависит от параметров сети и фаз, подведенных к реле U C и I C .

Магнитные потоки Ф & н и Ф & т изображены на диаграмме совпадающими с создающими их токами I H и I p .

Рис.3. Векторная диаграмма реле мощ-

Рис.4. Характеристики чувст-

вительности реле мощно-

Из векторной диаграммы следует, что потоки Ф & н и Ф & т , а также токи I H и I p сдвинуты по фазе на угол ψ ≡ α − ϕ р , электромагнитный момент вращения М Э равен: М Э = k Ф Н Ф Т sin ψ , где к – коэффициент пропорциональности .

Выражая Ф Н и Ф Т через создающие их ток и напряжение, получим

М Э = k 1 U P I P sin( α − ϕ р ) = k 1 S P ,

где S P = U P I P sin( α − ϕ р ) – мощность, подведенная к реле. Анализируя выражение (1), можно сделать следующие выводы:

− электромагнитный момент (вращения) реле пропорционален мощности на его зажимах;

− знак электромагнитного момента реле определяется знаком сомножи-

теля sin( α − ϕ P ) и зависит от значения ϕ P и угла внутреннего сдвига α . Это иллюстрируется рис. 3, где зона отрицательных моментов заштрихована. Незаштрихованная часть диаграммы соответствует области положительных моментов (где Ф & т опережает Ф & н ), а ϕ P и его синус име-

ют положительный знак.

Линия АВ называется линией изменения знака момента . Она всегда расположена под углом α к вектору U & р , т. е. совпадает с направлением

векторов & I н и Ф & н .

Линия CD (перпендикулярная линии AB) называется линией максимальных моментов . Электромагнитный момент М Э достигает максимума

при т. е. когда & I р опережает & I н на 90 ° . Угол ϕ р , при котором М Э достигает максимального значения, называется углом максималь-

ной чувствительности ϕ мч . Он образуется линией максимальных моментов и вектором подведенного к реле напряжения (зависит от величины

угла внутреннего сдвига α ) .

Реле не действует, если в нем отсутствует напряжение или ток, а также если sin( α − ϕ р ) = 0 . Последнее условие имеет место при ϕ р = α

или ϕ р = α + 180 ° .

Таким образом, выражение (1) и рис. 3 показывают, что реле рассматриваемой конструкции реагирует на знак мощности S к или, иными

словами, – на угол сдвига ϕ р между напряжением U & р и током

1.1.2.Основные характеристики индукционного реле направления мощности

Минимальная подведенная к реле мощность, при которой оно срабатывает (замыкает свои контакты), называется мощностью срабатывания

реле S cp . Зависимость мощности срабатывания реле от тока I & р и угла ϕ р

принято оценивать характеристикой чувствительности и угловой характеристикой.

Характеристика чувствительности представляет собой зависи-

мость U ср = f (I p ) при неизменном ϕ р (рис. 4). U ср min – наименьшее напряжение, необходимое для действия реле (при данных значениях I & р и

ϕ р ). Обычно эта характеристика снимается при ϕ р , равном углу макси-

мальной чувствительности, т. е. для случая , когда sin( α − ϕ р ) = 1 . Угловая характеристика представляет собой зависимость

U ср = f ( ϕ р ) при неизменном значении I p . На рис. 5 она показана для реле смешанного типа с α = + 45 ° .

Рис. 5. Угловая характеристика реле мощности при α = 45 °

Угловая характеристика позволяет определить:

– изменение чувствительности реле (характеризуемое величиной U ср ) при разных значениях угла ϕ р ;

– минимальное значение напряжения U ср min и наиболее выгод-

ную зону углов ϕ р , в пределах которой U ср близко к U ср min ;

– при каких углах ϕ р меняется знак электромагнитного момента

и пределы углов ϕ р , которым соответствуют положительные и отрицательные моменты.

Знак электромагнитного момента реле зависит от относительного

направления токов I & р и I & н в его обмотках. Принято изготовлять РНМ

так, чтобы реле замыкало свои контакты при одинаковом направлении токов в обмотках напряжения и тока. Одинаковым называется направле-

ние тока в обеих обмотках от начала к концу обмотки или наоборот. При изготовлении реле указывают однополярные зажимы обмоток, отмечая их начало условным знаком (точкой).

Реле РНМ подключается к трансформатору тока (токовая обмотка) и к трансформатору напряжения (обмотка напряжения) с учетом полярности обмоток так, чтобы при КЗ в защищаемом объекте оно замыкало свои контакты (срабатывало).

Самоходом РНМ называют срабатывание его при прохождении тока только в одной его обмотке – токовой или напряжения. Реле, имеющее самоход от тока, может неправильно срабатывать 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, а) предусмотрен срез. Изменяя положения сердечника, можно компенсировать неравномерность потоков в воздушном зазоре.

1.1.3. Индукционные реле мощности типа РБМ

В настоящее время находят широкое применение быстродействующие реле направления мощности типа РБМ–170. Их конструктивное выполнение соответствует варианту, показанному на рис. 6.

Электромагнитный момент реле выражается уравнением

М Э = k U P I P sin( α − ϕ р )= k U P I P cos( ϕ р + β ) = = k U P I P cos( ϕ р +ϕ мч ),

Имеются два основных варианта исполнения реле этой серии: РБМ171 и РБМ-271. Они обычно используются для включения на фазный ток и междуфазное напряжение. Угол максимальной чувствительности у этих

реле может изменяться и имеет два значения: ϕ

Реле РБМ-178, РБМ-278 и РБМ-177, РБМ-277 включаются на ток и напряжение нулевой последовательности. Угол их максимальной чувст-

вительности ϕ мч = +70 ° . Для реле РБМ-178 и РБМ-278 S cp =0,2. 4 ВА, для

реле РБМ-177 и РБМ-277 S cp =0,6. 3 ВА.

Реле РБМ-271, РБМ-277, РБМ-278 – двустороннего действия и имеют два замыкающих контакта.

Индукционные РНМ в настоящее время сняты с производства. Однако в эксплуатации находится большое количество таких реле. Промышленностью освоен выпуск РНМ на интегральных микросхемах серий РМ-11 (с угловой характеристикой, аналогичной РБМ-171) и РМ-12 (с угловой характеристикой, аналогичной РБМ-178).

Рис. 6. Реле направления мощности серии РБМ: 1-токовая обмотка; 2-обмотка напряжения; 3-полюсы; 4-ротор; 5-спиральная пружина; 6-подпятник; 7-ось; 8-ограничитель угла; 9-подвижный контакт; 10-неподвижный контакт;11-стойка; 12-площадка; 13-ярмо

1.2. Реле направления мощности на интегральных микросхемах

Реле направления мощности на интегральных микросхемах выпол-

няются в виде реле мощности (РМ-11, РМ-12) и реле сопротивления (РС). Воздействующими на них величинами также являются две входных величины: напряжение и ток защищаемого объекта ( U P и I P ).

При построении РНМ на интегральных микросхемах (ИМС) используется в основном принцип сравнения фаз двух входных величин ( U I и U II ), позволяющий получить большее быстродействие, чем у реле, построенных на сравнении абсолютных значений напряжений. Ниже рассмотрены реле серии РМ-10 (РМ-11, РМ-12), выпускаемые вместо индукционных реле типов РБМ-171 и РБМ-177. Новые РНМ типа РМ-10 изготовляются из отдельных электронных элементов, операционных усилителей (ОУ) и ИМС. В основе их работы лежит принцип раздельного сравнения времени совпадения мгновенных значений двух электрических величин (напряжений) с временем их несовпадения в положительном полупериоде с аналогичными величинами в отрицательном полупериоде. Этим достигается отстройка реле от апериодических составляющих во входных сравниваемых величинах.

Читайте также:  Бетонная лестница в подвал своими руками

Структурная схема реле представлена на рис.7. Ее основными элементами являются: узел измерения (УИ), узел формирования (УФ), узел сравнения (УС), узел выхода (УВ), узел питания (УП). Узлы 1 и 2 включают в себя блоки (узлы) измерения и преобразования. Блоки измерения являются промежуточными преобразователями (датчиками) напряжения (ДН) и тока (ДТ) соответственно. Они обеспечивают гальваническую развязку полупроводниковой части реле от вторичных цепей первичных из-

мерительных преобразователей. Входные сигналы (напряжение U & р и ток I & р ) на их входы поступают от измерительных трансформаторов напряже-

ния ТН (TV) и тока ТТ (TA) защищаемого объекта. В узлах измерения входные сигналы преобразуются в пропорциональные им напряжения

U & u = k U U p и U & I = k I I p . Затем они поступают в узлы формирования. В

узле формирования эти сигналы приводятся к виду, удобному для работы узла сравнения (для реализации требуемой характеристики срабатывания реле). В узле формирования блока 1 напряжение U U с помощью фазоповоротной схемы (фазоповоротного устройства) сдвигается по фазе относительно вектора U p на некоторый постоянный угол α .

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ

Максимальная направленная защита должна реагировать на величину тока и направление мощности при к. з. Она представ­ляет собой максимальную токовую защиту, дополненную реле направления мощности. Схема защиты, упрощенно показанная для одной фазы (рис. 7-3), состоит из трех основных элементов (называемых иногда органами защиты): токового реле 1, реаги­рующего на появление к, з. (пусковой орган защиты); реле на­правления мощности 2, определяющего направление мощности к. з. (орган направления), и реле времени 3 (орган времени).

В качестве реле направления мощности могут служить электро­механические реле (§ 2-12) или реле на полупроводниках (§ 2-14, б). Поведение этих реле зависит от знака подведенной к их зажимам мощности:

где угол α имеет постоянную величину, равную 0, 90° или α°1(90° > α1 > 0).

При к. з. на защищаемой линии или на сле­дующих за ней участках токовые реле и реле направления мощ­ности замыкают свои контакты и приводят в действие реле вре­мени. Через установленную выдержку времени его контакты замыкаются, подавая импульс на отключение выключателя. При к. з. на других присоединениях, отходя­щих от данной подстанции, мощность к. з. направлена к шинам, поэтому контакты реле мощности размыкаются, не позволяя защите действовать на отключение.

В нормальном режиме при направлении мощно­сти нагрузки от шин в линию реле направления мощности могут замыкать свои контакты, однако срабатывание защиты в этом случае предотвращается пусковым реле Т, контакты которого оста­ются разомкнутыми. С этой целью пусковые реле отстраиваются от тока нагрузки. В тех случаях, когда по условию чувствитель­ности при к. з. токовые реле не удается отстроить от максималь­ной нагрузки, применяется блокировка (пуск защиты) от реле минимального напряжения (Н). Упрощенная схема максимальной направленной защиты с блокировкой минимального напряжения, приведенная на рис. 7-4, аналогична рассмотренной в § 4-6 схеме максимальной токовой защиты.

В сетях с изолированной нейтралью максимальная направлен­ная защита устанавливается на двух одноименных фазах во всей сети. В сетях с глухозаземленной нейтралью защита устанавли­вается на трех фазах, если же защита служит для действия только при междуфазных повреждениях, то она устанавливается на двух фазах.

Токовые направленные защиты выполняются как на постоян­ном, так и на переменном оперативном токе. Двухфазная схема на переменном оперативном токе представлена на рис. 7-5.

Она выполнена с дешунтированием катушки отключения, с токовым реле времени В и промежуточными реле и с мощ­ными переключающими контактами.

При нарушении цепей напряжения одной или двух фаз, пи­тающих реле направления мощности, защита может при к. з. подействовать неправильно. Поэтому для своевременного выяв­ления повреждения цепей напряжения необходимо иметь устрой­ства, контролирующие их исправность (см. § 6-4).

а) Требования к схемам

Реле направления мощности включаются, как правило, на фазный ток и фазное или междуфазное напряжение. Сочетание фаз тока и напряжения питающих реле, называемое схемой его включения, должно быть таким, чтобы реле правильно опреде­ляло знак мощности к. з. при всех возможных случаях и видах

при неблагоприятном значении угла φр, при котором sin (α — φр) равен или близок к нулю. Отсюда следует, что, во-первых, реле должно включаться на такое напряжение, которое при близких к. з. не снижается до нуля, и, во-вторых, напря­жение и ток, подводимые к реле, должны подбираться так, чтобы угол сдвига между ними φр в условиях к. з. не достигал значений, при которых мощность на зажимах реле приближается к нулю.

Следует отметить, что первое требование выполнимо только при двухфазных и однофазных к. з., в случае же трехфазного к. з. все фазные и между фазные напряжения могут снижаться до нуля.

В современных схемах максимальных направленных защит применяется включение реле направления мощности по так назы­ваемым 90-градусной и иногда 30-градусной схемам. Соответст­вующие указанным схемам сочетания токов и напряжений при­ведены в табл. 7-1 применительно к схеме включения реле на рис, 7-6.

Названия схем 90-градусная, 30-градусная и т. п. носят условный характер. Схемы именуются по углам срр между током и напряжением, подведенными к реле в симметричном трехфазном режиме при условии, что токи в фазах совпадают с одноимен­ными фазными напряжениями (рис. 7-7). Свойства каждой схемы могут быть выявлены анализом работы реле мощности, включен­ного по той или иной схеме, при к. з.

б) 90-градусная схема

Подобным анализом можно выяснить наиболее выгодные углы внутрен­него сдвига реле α. Так, если положить α = 90°, то рассматриваемое реле станет косинусным. При включении его по 90-градусной схеме линия изме­нения знака момента N1N2 расположится перпендикулярно вектору UР = UВС,а линия максимальных моментов будет совпадать с UР (рис. 7-10). Из диаграммы на рис. 7-10 видно, что при φк = 0 момент реле равен нулю, поэтому косинусные реле не следует включать по 90-градусной схеме.

Исследования показывают, что 90-градусная схема оказыва­ется наиболее выгодной для реле направления мощности с углом α от 30 до 60°. Оптимальные условия имеют место при α = 45°.

Теоретический анализ и практический опыт позволяют сделать следующие общие выводы о включении реле смешанного типа φм.ч = —30° и —45° по 90-градусной схеме:

1) Знак момента реле при всех видах к. з. в зоне положителен, а при повреждениях вне зоны — отрицателен.

2) Величина момента Мэ в диапазоне возможных изменений угла φр остается значительной и достаточной для действия реле.

3) Напряжение UР при симметричных к. з. имеет максимально возможное значение, обеспечивающее минимальную величину мертвой зоны.

Недостатком 90-градусной схемы является возможность не­правильной работы однофазных реле мощности при к. з. за сило­вым трансформатором с соединением обмоток звезда — треуголь­ник [Л. 23]. В случае двухфазного к. з. на стороне звезды через электрическую дугу с большим сопротивлением может непра­вильно выбрать направление мощности одно из реле, установлен­ных со стороны треугольника. Трехфазные реле мощности в по­добных случаях действуют правильно. Однако сочетания опасных условий настолько редки, что в практике эксплуатации указан­ный недостаток не проявляется. Поэтому 90-градусная схема в настоящее время считается лучшей и рекомендуется как типо­вая для реле направления мощности смешанного типа.

Тридцатиградусная схема включения может использоваться ля реле ко синусного типа. Реле, включенные по этой схеме, дедут себя правильно при всех видах к. з. Недостатком 30-гра­дусной двухфазной схемы является возможность отказа в дейст­вии реле при двухфазных к. з. из-за недостаточной величины напряжения. Ввиду этого для двухфазных защит 30-градусная схема не применяется. Включенные по 30-градусной схеме реле направления мощности могут работать неправильно в случае к. з. за трансформатором с соединением обмоток звезда — треугольник с той же степенью вероятности, что и при 90-градусной схеме включения.

7-4. ПОВЕДЕНИЕ РЕЛЕ МОЩНОСТИ, ВКЛЮЧЕННЫХ НА ТОК НЕ­ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ

а) Токи в неповрежденных фазах

При двухфазных к. з. на линии, питающей нагрузку, в не­поврежденной фазе проходит ток нагрузки Iн.

В сетях с глухозаземленной нейтралью при замыканиях на землю (двухфазных и однофазных) в неповрежденных фазах по­является, кроме тока нагрузки Iн, еще некоторая доля тока к. з. Iк.

б) Влияние тока в неповрежденных фазах на реле

Анализ и опыт показывают, что ток нагрузки Iн и составляю­щая тока повреждения kIк = к3I, ответвляющаяся в неповреж­денные фазы, могут создать момент на реле, противоположный по знаку моменту реле поврежденных фаз.

Поэтому реле направления мощности, включенные на ток неповрежденных фаз, могут действовать неправильно. Например, если при к. з. на линии Л2 (рис. 7-13) направление мощности в фазах линии Л1 будет соответствовать показан­ному на рисунке, то реле направления мощности, установленные на неповреж­денных фазах В и С линии Л1, замкнут свои контакты и разрешат защите отключить неповрежденную линию.

Трехфазное реле мощности под действием элементов, питаю­щихся током неповрежденных фаз, может также работать неправильно. Результирующий момент этого реле:

Если при повреждении на одной фазе А (рис. 7-13) моменты Мв и Мс от токов неповрежденных фаз будут противоположны моменту Ма и превзойдут его в сумме в + Мс) > Ма, то реле на линии Л1 подействуют неправильно.

в) Пофазный пуск

Неправильное действие реле мощности неповрежденных фаз предотвращается применением пофазного пуска. Принцип пофаз­ного пуска состоит в том, что пусковые реле разрешают замыкать цепь на отключение только реле мощности, включенным на токи поврежденных фаз.

В схемах с однофазными реле мощности пофазный пуск при­нято выполнять подачей оперативного тока к реле мощности от пускового реле, включенного на тот же ток (рис. 7-14).

В защитах с трехфазными реле мощности пофазный пуск осуществляется подводом напряжения к элементам реле мощно­сти через контакты пусковых реле (рис. 7-15). В момент к. з. пусковое реле, включенное на ток неповрежденной фазы, не дей­ствует, поэтому включенный на этот же ток элемент мощности не получает напряжения и не участвует в создании момента на оси реле. Такой способ пофазного пуска может применяться и в схемах с однофазными реле. При пофазном пуске пусковые реле неповрежденных фаз не должны действовать; для этого их ток срабатывания отстраивается от токов, возникающих в не­поврежденных фазах при к. з., т. е. Iс.р. >Iн.ф.

Читайте также:  Самый лучший сварочный аппарат для дома

В сети с глухозаземленной нулевой точкой при к. з. на землю ток Iн.ф.может оказаться значительным за счет большой величины тока повреждения kIк. Это приводит к необходимости загрубления защиты.

Дата добавления: 2014-12-23 ; Просмотров: 3648 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Реле направления мощности. Назначение, конструкция, принцип действия.

РЕЛЕ НАПРВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ

Цель работы:изучить принцип действия реле направления мощности, его основные параметры и характеристики.

Теоретическая часть

Реле направления мощности. Назначение, конструкция, принцип действия.

Реле направления мощности применяются в различных устройствах релейной защиты для определения знака мощности при коротких замыканиях. Внешний вид реле направления мощности приведен на рисунке 1.1.

Реле имеет две обмотки. Одна из них подключается к трансформатору тока и обтекается вторичным током Iр, а вторая- к трансформатору напряжения и обтекается током, пропорциональным напряжению Uр на зажимах обмотки.

Каждый из токов создает магнитный поток. Поскольку один из магнитных потоков пропорционален току Iр, а второй напряжению Uр, то вращающий момент возникающий на подвижной части реле оказывается пропорциональным величине мощности на зажимах реле, а его направление (знак) зависит от направления этой мощности.

Рисунок 1.1-Внешний вид реле направления мощности марки

Рисунок 1.2-Реле направления мощности

В схемах релейной защиты используется главным образом однофазные индукционные реле направления мощности с цилиндрическим ротором типов РБМ-170 и РБМ-270.

Рисунок 1.3-Токовая обмотка реле направления мощности

Токовая обмотка расположенная на полюсах и создает через них проходящий магнитный поток Фт. Обмотка напряжения расположенная на ярме и состоит из четырех секций, который соединены между собой так, что магнитный поток Фн создаваемый ими проходил через другую пару полюсов. При таком выполнении обмоток магнитный потоки Фт и Фн оказываются сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на угол 90 0 . Магнитные потоки Фт и Фн создают токи в стенках алюминиевого сердечника пропорциональные им на угол y токи I и I. В результате взаимодействия магнитного потока Фт с током I и Фн с током I на цилиндр действуют силы:

(1.1)

Суммарная сила создает на цилиндре вращающий момент Мвр, под действием которого цилиндр поворачивается и с помощью подвижных контактов замыкает неподвижные. Общее выражение для вращающего момента индукционного реле имеет вид:

(1.2)

Из выражения (1.2) следует, что когда магнитные потоки совпадают по фазе, т.е. y=0, siny=0, то Мвр=0, и наоборот когда y=90 0 , siny=1, то Мвр=max.

Рисунок 1.4-Векторная диаграмма

На векторной диаграмме :

φр– угол сдвига между Uр и Iр определяемый параметрами сети и схемой включения реле;

Iн – вектор тока в обмотке напряжения реле;

γн – угол между Uр и Iн (внутренний угол реле) определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи напряжения, которая включает в себя как обмотку, так и дополнительно включаемые внешние сопротивления и конденсаторы.

Заменяя в выражении (1.2) магнитные потоки Фт и Фн на соответствующие им ток Iр и напряжение Uр и угол y равным ему углом γнр получим общее выражение для вращающего момента на подвижной части индукционного реле с цилиндрическим ротором:

, (1.3)

Но в этом выражении:

(1.4)

Следовательно, вращающий момент рассматриваемого реле пропорционален мощности: Мвр=кSр, т.е. реле реагирует на мощность.

РБМ 171 и 271 – Реле направления мощности

4. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ТИПОВ ИМБ И РБМ

Реле типов ИМБ и РБМ являются индукционными однофазными реле с цилиндрическим ротором (барабанчиком).
Отдельные типы реле отличаются друг от друга контактной системой (односторонняя или двусторонняя), зазором между полюсами и стальными сердечниками (тип ИМБ — зазор порядка 2 мм, тип РБМ — зазор порядка 1мм), обмоточными данными катушек и величинами добавочных активных сопротивлений и емкостей конденсаторов.
Принципиальная конструктивная схема реле одинакова для всех типов реле и показана на рис. 7.

Рис. 7. Конструктивная схема реле типов ИМБ и РБМ.

На оси 1, закрепленной в нижнем (2) и верхнем (3) подпятниках, укреплены алюминиевый ротор (барабанчик) 4, упоры 5, планка 6 с подвижным контактом 7 и один конец моментной пружины 8. У реле двустороннего действия противодействующий момент создается двумя пружинами, и планка несет на себе не один, а два подвижных контакта. Более подробно конструктивное выполнение отдельных узлов реле будет рассмотрено ниже.
Магнитная система реле состоит из замкнутого квадратного магнитопровода9 с четырьмя выступающими внутрь полюсами.
Для уменьшения магнитного сопротивления междуполюсного пространства в центре между полюсами расположен стальной цилиндрический сердечник 10. Между полюсами и стальным сердечником образуется равномерный зазор 1—2 мм. В зазоре расположен цилиндрический алюминиевый ротор (барабанчик), укрепленный на оси.
Магнитные потоки создаются двумя обмотками — обмоткой тока и обмоткой напряжения. Обмотка напряжения состоит из четырех последовательно соединенных катушек 11, расположенных на внешнеммагнитопроводе. Соединение этих катушек между собой выполнено таким образом, что магнитные потоки от них проходят через одну пару полюсов (на рис. 7 через вертикальные полюсы) и создают общий поток ФН.
Последовательно с обмоткой напряжения включается сопротивление 13. В зависимости от вида и величины этого сопротивления меняется угловая характеристика реле направления мощности (меняется угол максимальной чувствительности реле φМ.Ч).
Токовая обмотка состоит из двух последовательно соединенных катушек 12, надетых на два полюса. Эти катушки соединены таким образом, что магнитный поток, ФТ, создаваемый током, проходит по двум другим полюсам (на рис. 7 через горизонтальные полюсы).
Таким образом, токи, проходящие по обмоткам тока и напряжения, создают два взаимно перпендикулярных в пространстве магнитных потока ФН и ФТ, пронизывающих цилиндрический алюминиевый барабанчик и создающих в нем вихревые токи.
Для приведенного на рис. 7 реле индукционной системы величина вращающего момента, создаваемого за счет взаимодействия потока ФН с током, индуктированным в барабанчике потоком ФТ, и потоком ФТ с током, индуктированным в барабанчике потоком ФН, определяется выражением

где К — постоянный коэффициент для данной конструкции реле;
ФП и ФТ — действующие значения магнитных потоков, создаваемых токами, проходящими по обмоткам напряжения и тока;
ψ — фазовый угол между векторами потоков ФП иФТ.
Вывод формулы (1) производится с применением дифференциального исчисления.


Рис. 8. Реле направления мощности.
а — цепь напряжения; б — цепь тока; в — векторная диаграмма.
Точками обозначены однополярные зажимы.

Формулой (1) пользоваться трудно, так как магнитные потоки обычно нелегко замерить, поэтому ее преобразуют в более удобный вид. Для этого необходимо рассмотреть электрические схемы цепей напряжения и тока реле направления мощности и соответствующую им векторную диаграмму.
На рис. 8 представлена электрическая схема реле направления мощности. Стрелками указаны принятые положительные направления для токов, напряжений и магнитных потоков. На рис. 8,впредставлена векторная диаграмма, когда добавочное сопротивление (13 на рис. 7) равно нулю.
Построение векторной диаграммы реле направления мощности следует начинать с вектора напряжения UP, подведенного к реле. Его положение может быть взято произвольно, и мы расположим его вертикально.
Сопротивление цепи напряжения (рис. 8,а) смешанное, индуктивно-активное. Поэтому ток, проходящий по цепи напряжения iН, изобразится вектором IН, отстающим от вектора напряжения UPна угол δ, определяемый соотношением активного и индуктивного сопротивлений цепи.
Вектор магнитного потока ФН, создаваемого током iН, мы считаем совпадающим с вектором тока IН, не учитывая при этом потерь в железе магнитопровода. Аналогично принято, что вектор магнитного потока ФТ совпадает с вектором тока, подведенного к реле iP.
Согласно формуле (1), если ток, подведенный к реле направления мощности iP(рис. 8,б), и создаваемый им магнитный поток ФТ будут в векторном изображении совпадать с вектором магнитного потока ФН, то вращающий момент на реле направления будет равен нулю, так как ψ = 0.
Вращающий момент будет равен нулю и при угле ψ= 180°, так как sin 180° равен нулю. Следовательно, на векторной диаграмме реле линия нулевых моментов 1—1, разделяющая зону срабатывания и зону заклинивания проходит по вектору магнитного потока ФН и тока IН под углом δ к вектору напряжения UP.
Согласно той же формуле (1) вращающий момент на реле направления мощности будет максимальным, когда угол ψ будет равен плюс 90 и минус 90°. Проведем в этом направлении линию максимальных моментов 2-2. Когда ток iP будет изображаться вектором, совпадающим с линией 2-2, момент на реле будет максимальным. Расположение контактов и полярность обмоток тока и напряжения подобраны в реле таким образом, что реле замыкает свои контакты и имеет максимальный момент на замыкание контактов, когда ток iPи совпадающий с ним магнитный поток ФТопережают ток iН и совпадающий с ним магнитный поток ФН на угол 90°. Согласно векторной диаграмме это соответствует положению вектора iP, опережающему вектор UP на угол φМ.Ч.- Как указано выше, угол φМ.Чносит название угла максимальной чувствительности и определяет положение вектора тока iPотносительно вектора напряжения UP, при котором реле имеет максимальный момент на замыкание контактов.
Произведем преобразование формулы (1).

Заменим действующие значения магнитных потоков ФН и ФТ на пропорциональные им действующие значения напряжения и тока, подводимых к реле
М = K1UPiPsin ψ.
Как уже известно, угол ψ— это угол между магнитными потоками, и он отсчитывался от вектора ФН. Для облегчения операций необходимо не только заменить потоки током и напряжением, подводимым к реле, но и производить отсчет угла от вектора напряжения UP.
Для перехода от угла ψ к углу между током iP и напряжением UP па векторную диаграмму реле нанесем в произвольном направлении вектор тока iPiPи обозначим угол между векторами UP и iP значением φP.
Тогда формула моментов может быть преобразована следующим образом:

Сумма углов δ и φМ.Чравна 90°. Однако учитывая знаки углов (угол δ отложен от UP в положительном направлении, а угол φМ.Чв отрицательном), это соотношение можно записать как

После преобразования окончательно получаем:

В формулу (2) φМ.Чподставляется со своим знаком, указываемым в каталогах и справочниках.
Приведенная формула вращающего момента является основной для всех реле ИМБ и РБМ.
В различной литературе при выводе формулы вращающего момента реле направления мощности (2) вместо угла φМ.Чиспользуется равной ему по величине угол —α. Тогда формула вращающего момента принимает вид:

Встречаются и другие выражения для определения момента на реле направления мощности. Однако все они легко приводятся к формуле (2). В данной брошюре в качестве основного приведено выражение (2), так как обозначение φМ.Чточнее отражает сущность этого угла.
Ниже рассматриваются конструкции отдельных узлов реле направления мощности.

Рис. 9. Устройство подпятников.
а — нижний подпятник реле типа ИМБ; б — верхний подпятник; в — нижний подпятник реле типа РБМ

Нижний подпятник реле типа ИМБ (рис. 9,а) представляет из себя полый винт 1, во внутренней полости которого размещена опорная пружина 2, и опирающийся на эту пружину направляющий футор 3снаправляющим4 и плоским 5 камнями. Со стороны наружного отверстия футор завальцован.
Для фиксации положения и закрепления нижнего подпятника на несущей планке предусмотрена контргайка 6, перемещающаяся по внешней резьбе подпятника.
На рис. 9,вприведена конструкция нижнего подпятника реле типа РБМ. Отличие его от нижнего подпятникареле типа ИМБ состоит в конструкции футора. Нижний подпятник реле типа РБМ может перемещаться не только по вертикальной оси, но и в горизонтальной плоскости за счет небольших качаний футора, что облегчает центровку подвижной системы реле.
Верхний подпятник одинаков для реле типов ИМБ и РБМ. Он показан на рис. 9,б и представляет из себя массивный цилиндр со вставленными в него направляющим и плоским камнями.
На рис. 10 показана конструкция барабанчика 1, укрепленного на оси 2.

Рис. 10. Барабанчик реле с осью.

Рис. 11. Сердечник реле.

На рис. 11 приведены конструкция и крепление стального сердечника и нижнего подпятника к несущей планке.
В несущей планке 1 имеется отверстие, через которое вставляется и закрепляется большой гайкой 2 цилиндрической конец с резьбой стального сердечника 3 (см. также рис. 7).
Стальной сердечник имеет форму цилиндра с небольшим срезом по образующей для регулировки самохода.
Внутри стального сердечника имеется сквозное отверстие, по которому проходит ось, опирающаяся на нижний подпятник 4. Винт нижнего подпятника ввертывается в нижнюю часть внутреннего отверстия стального сердечника и контрится гайкой 5.
На рис. 12,а представлена конструкция контактной системы реле типа ИМБ одностороннего действия.

Рис. 12. Конструкция контактной системы.а — реле типа ИМБ; б — реле типа РБМ.

Реле имеет один замыкающий контакт. Подвижной контакт 1 укреплен на планке 2 и изолирован от оси 3 пластмассовой втулкой 4.Токоподводом является спиральная возвратная пружина, изолированная от металлических деталей реле. Неподвижный контакт 5 прикреплен к плоской пружине 6 из фосфористой гибкой бронзы, укрепленной в пластмассовой колодке 7. Контакты имеют форму цилиндрических штифтов, оси ихвзаимно перпендикулярны. Колодка неподвижного контакта перемещается в овальных отверстиях плато 11, к которому она прикрепляется с помощью стяжных болтиков. Перемещением колодки производится регулировка зазора между контактами и угла встречи контактов. Регулировка зазора может также производиться регулировочным винтом 8. Жесткая задняя упорная пластинка 9 (ограничитель) гасит вибрацию пружины 6 при ударе подвижного контакта 1 по неподвижному контакту 5. Передняя упорная пластина 10 создает предварительное нажатие на пружину 6.
На рис. 12,б приведена конструкция контактной системы реле типа РБМ одностороннего действия.
Реле имеет один замыкающий контакт. Штифт подвижного контакта 1 установлен на пластмассовой траверсе 2, укрепленной на оси 3. Подвижной контакт предназначен для замыкания цепи между двумя неподвижными контактами 4, укрепленными на колодке 5. Для улучшения работы контактов предусмотрены передние 6 и задние 7 упорные пластины. Для регулировки положения неподвижных контактов предусмотрены отверстия в плато 9, по которым может перемещаться колодка, и регулировочные винты 8.

Рис. 13. Конструкция контактной системы реле типа РБМ-270.

На рис. 13 дана конструкция контактной системы реле типа РБМ двустороннего действия с одним замыкающим контактом в каждую сторону. На пластмассовой траверсе 1, укрепленной на оси реле 9, размещены два серебряных подвижных контакта 2, каждый из которых может замкнуть свой неподвижный контакт 3. При отсутствии момента на реле подвижные контакты устанавливаются в среднем нейтральном положении и тогда оба контакта разомкнуты. Такое положение траверсы задается двумя спиральными возвратными пружинами 7, действующими через рычаги 4 на штифт 5, укрепленный на траверсе подвижного контакта 1. Действие каждой пружины ограничено упором 6. Поскольку рычаги 4 механически не связаны со штифтом 5, то каждая пружина противодействует замыканию только «своего» контакта. Натяжение каждой возвратной пружины 7 регулируется своим регулировочным колесиком 8, закрепленным двумя стопорными винтами.

Конструкция неподвижных контактов аналогична конструкции реле РБМ (рис. 12,б).

2.5.2. Реле направления мощности

2.5.2. Реле направления мощности

Для того чтобы определить направление мощности, передаваемой по контролируемой электрической сети, в месте установки защиты используют специальное реле — реле направления мощности. Отечественная промышленность выпускает реле направления мощности двух видов: индукционные (серий РБМ-170 и РБМ-270) и микроэлектронные (типа РМ-11 и РМ-12) [3].

Индукционное реле направления мощности [2, 3] имеет две обмотки, размещенные на полюсах замкнутого стального магнитопровода 1 (рис. 2.17). Одна из них, токовая (4) включается во вторичные цепи ТТ, и ток в ней (I p) определяется вторичным током ТТ. Вторая — потенциальная (5) — подключается ко вторичной обмотке трансформатора напряжения (ТН), и ток в ней (I H) пропорционален подведенному напряжению (U H). Между полюсами расположен внутренний стальной сердечник 2 цилиндрической формы и алюминиевый ротор 3, имеющий форму стакана. На роторе укреплен контактный мостик 6. При направлении мощности КЗ от шин в линию этот мостик замыкает неподвижные выходные контакты 7 (реле срабатывает). Возврат реле происходит под воздействием противодействующей пружины 8.

Магнитные потоки, создаваемые катушками с соответствующими токами, сдвинуты в пространстве на угол 90°. Взаимодействие потоков с токами, индуктированными ими в роторе, создает вращающий момент, который заставляет ротор поворачиваться. Если магнитные потоки имеют синусоидальную форму, то вращающий момент М ВР

Ф I ? Ф U ? sin?. Здесь Ф I и Ф U — магнитные потоки, создаваемые токовой и потенциальной катушками соответственно; T — электрический угол между магнитными потоками Ф I и Ф U.

На рис. 2.18 показана векторная диаграмма, поясняющая принцип действия реле. Приняты следующие обозначения: ? p и ? H — векторы тока и напряжения, подведенных к реле; ? р — угол между векторами ? p и ? H, определяемый параметрами силовой электрической сети и схемой включения реле; ? H — вектор тока в потенциальной катушке реле; ? — угол между векторами ? H и ? H (угол внутреннего сдвига), определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи потенциальной катушки.

U H, а ? = ? — ? р, можно получить:

В этом выражении k p — постоянный коэффициент, определяемый параметрами реле, а U H ? I p ? sin (? ? ? р) = S p — мощность на зажимах реле. Следовательно, вращающий момент реле пропорционален мощности: M BP = k p ? S p, то есть реле реагирует на мощность.

Вращающий момент реле равен нулю, когда sin (? — ? р) = 0. Отсюда следует, что M BP = 0, если ? р = ? при отставании и если ? р = (? + 180°) при опережении вектором ? p вектора ? H. Линия, расположенная под этим углом к вектору ? H, называется линией нулевых моментов или линией изменения знака момента [2, 3].

Угол ? р между векторами ? P и ? H, при котором вращающий момент имеет максимальное значение, принято называть углом максимальной чувствительности ? МЧ. Линия, расположенная к вектору ? H под углом ? МЧ, называется линией максимального момента.

Если внутренний угол ? = 0 (рис. 2.19, а), то вращающий момент M BP = k p ? U H ? I p ? sin (?? р) в реле пропорционален реактивной мощности, подведенной к реле (синусное реле или реле реактивной мощности). Эти реле выполняют так, что M BP положителен, если угол ? р BP = k p ? U H ? I p ? sin ? р). Угол максимальной чувствительности для синусного реле ? МЧ = 90°.

Если внутренний угол ? = 90° (рис. 2.19, б), то вращающий момент

пропорционален активной мощности, подведенной к реле (косинусное реле или реле активной мощности). Для косинусного реле ? МЧ = 0°.

В реле смешанного типа (см. рис. 2.18) угол а может иметь значения от 0° до 90°. У отечественных реле смешанного типа (РБМ-171, РБМ-271) угол а изменяется дискретно: ? = 45° (? МЧ = 45°) или ? = 60° (?мч = 30°).

Срабатывание реле направления мощности происходит при выполнении условия:

где М ПР — противодействующий момент, который определяется силой противодействия возвратной пружины, трением в подшипниках реле и силой нажатия контактов при срабатывании реле.

Поскольку вращающий момент реле пропорционален подведенной к нему мощности, то реле срабатывает при определенном произведении U H ? I p. Минимальное значение мощности на зажимах реле, при котором оно срабатывает, принято называть мощностью срабатывания реле S CP. Для большинства индукционных реле S CP = (0,2 ? 4) B ? A.

Чувствительность реле оценивается по вольт-амперной характеристике, которая представляет собой зависимость напряжения срабатывания реле от тока (рис. 2.20, а), при неизменном угле между векторами ? H и ? p равном углу максимальной чувствительности [3].

Зависимость мощности срабатывания реле от угла между векторами ? H и ? p при неизменном токе принято называть угловой характеристикой реле (рис. 2.20, б) [2]. Она определяет зоны срабатывания и несрабатывания реле. Как видно, при углах, соответствующих изменению направления вращающего момента, мощность срабатывания возрастает и стремится к бесконечности. При ? р = ? МЧ мощность срабатывания реле имеет минимальное значение.

Принцип действия микроэлектронных статических реле направления мощности РМ-11 и РМ-12 основан на измерении длительности интервалов времени, при котором напряжение и ток, подведенные к реле, имеют одинаковый знак. Время совпадения знака сигналов измеряется в течение каждого полупериода и сравнивается с уставкой. При определенной продолжительности времени совпадения знаков сигналов реле срабатывает. Эти реле превосходят индукционные по многим основным характеристикам и широко используются в системах релейной защиты [3].

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читайте далее:Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector