Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

потерями на намагничивание, потоки Ф

и Ф

показаны на

диаграмме совпадающими с токами 1

и 1

. Магнитный поток

пронизывая подвижную систему 3, наводит в диске ЭДС

д1

= ———, поток Ф

- ЭДС Е

д2

= ——. Наведенные ЭДС

отстают по фазе на 90° от вызывающих их магнитных потоков.

Под действием ЭДС Е

д1

и Е

д2

в подвижной системе возникают

вихревые токи /

д1

и /

д2

, замыкающиеся вокруг оси индукти-

рующего их магнитного потока. Положительные направления

1д1

1д2>

определенные по правилу буравчика по положитель-

ному направлению потоков Ф

и Ф

, показаны на рис. 2.27.

Вследствие малой индуктивности контура вихревых токов их

векторы /

д1

и _/

д2

принимаются совпадающими по фазе с выз-

вавшими их ЭДС (Е

д1

и Е

д2

В рассматриваемой конструкции возникают две силы: Р

э1

= ^1*^1^2 - обусловленная взаимодействием магнитного по-

тока *! и тока /

д2

, наведенного другим потоком Ф

, и Е"

э2

= /с

д1

, вызванная воздействием потока Ф

на ток 7

д1

наведенный потоком Ф

Силы взаимодействия потока Ф

со "своим" током 1

п1

и Ф

с вихревым током /

д2

равны нулю.

Направление сил Г

з1

и Е

э2

и создаваемые ими моменты вра-

щения М

1 и М

э2

определяются их средними значениями за

период, которые зависят от угла сдвига фаз между взаимодей-

ствующими потоками и токами в диске. Силы Р

э1

и Е

э2

опреде-

ляются по правилу "левой руки" и показаны на рис. 2.26. Ре-

зультирующая электромагнитная сила Р

= Р

э1

+ Е

э2

. Резуль-

тирующий электромагнитный момент М

= Р

д, где й - плечо

силы Р

относительно оси вращения. Момент М

приводит в

движение подвижную систему 3, которая в зависимости от зна-

ка (направления) М

действует в сторону замыкания или раз-

мыкания контактов реле 5.

Электромагнитная сила Р

и ее момент М

. Значение резуль-

тирующей электромагнитной силы Р

выражается через магнит-

ные потоки Ф

и Ф

, создаваемые токами, питающими обмотки

электромагнитов реле, угол сдвига фаз между ними ф и частоту

входных токов /:

^э = Л'/ФцФавтф. (2.12)

Соответственно электромагнитный момент

=Е

й = *е"/

)

= /сФ^зтф, (2.13)

где Ф

и Ф

- действующие значения магнитных потоков;

к, к', к" - постоянные величины.

Анализируя выражение (2.13), можно сделать следующие

выводы:

1) результирующий момент пропорционален действующим

(или амплитудным) значениям магнитных потоков и зависит

от сдвига фаз ф между токами, подведенными к реле. Это

означает, что индукционные реле могут служить для сравне-

ния фаз входных токов. Реле имеет максимальный момент

при ф = 90° и не действует при ф = 0;

2) знак момента зависит от зтф. Результирующая сила Р

направлена от оси опережающего к оси отстающего магнит-

ного потока;

3) конструкция реле должна обеспечить создание не менее

двух переменных магнитных потоков (Ф

и Ф

), пронизывающих

подвижную систему в разных точках и сдвинутых по фазе на

угол ф

4) поскольку действующие значения магнитных потоков

и Ф

являются постоянными величинами, то мгновенное

значение моментов индукционных реле в отличие от электро-

магнитных не изменяется во времени. Поэтому у индукцион-

ных реле отсутствует вибрация контактов, если токи и напря-

жения, создающие соответствующие потоки, синусоидальны;

5) на индукционном принципе могут выполняться только

реле переменного тока: реле тока, направления мощности,

сопротивления и др.

2.9. РЕЛЕ ТОКА НА ИНДУКЦИОННОМ ПРИНЦИПЕ

Реле с короткозамкнутыми витками (экранами). Реле,

реагирующее на один синусоидальный ток, выполняется

(рис.

2.28) с помощью электромагнита 1, охватывающего своими

полюсами диск 2 с контактом 4. Для получения двух магнит-

ных потоков, сдвинутых по фазе в пространстве, на верхнем и

нижнем полюсах электромагнита насажены короткозамкнутые

медные витки 3, охватывающие часть (около половины) сече-

ния полюсов. Ток в обмотке реле 7

и индуктированный в ко-

роткозамкнутых витках ток 1

создают магнитные потоки Ф

Фк (рис. 2.28). Из-под сечения полюса I, охваченного коротко-

замкнутым витком, выходит результирующий магнитный

поток Ф

= Ф

р1

+ Ф

К1

, из-под сечения II - Ф

= Ф

р2

-Ф

К2

. Оба

' 1л

а) в)

Рис.

2.28. Принцип устройства индукционного реле тока или напряжения с ко-

роткозамкнутыми витками:

а, б

—

принцип устройства; в

—

векторная диаграмма

магнитных потока пронизывают диск в двух разных точках,

индуцируя в нем вихревые токи/

Д1

и]

Д2

. Векторная диаграмма

потоков показана на рис. 2.28, е. Взаимодействие магнитных

потоков Ф

и Ф

с индуцированными в диске токами создает

электромагнитную силу .Г

и действующий на диск момент:

= Р

а = кФ^зтф. (2.14)

Поскольку оба магнитных потока пропорциональны току

и угол ф при изменении тока /

остается неизменным, вы-

ражение (2.14) можно представить в виде

= к'II. (2.15)

Время действия индукционных реле. Конструкция индук-

ционных реле позволяет выполнять их с выдержкой времени

без применения специальных часовых механизмов. Время

действия индукционного реле зависит от угла ос, на который

должен повернуться диск для замыкания контактов К реле,

и угловой скорости движения диска реле со

(рис. 2.29, а). Если

допустить, что скорость постоянная, то (

= а/сОр.

Движение диска происходит под влиянием избыточного

момента М

вр

= М

- М

, представляющего собой разность

электромагнитного момента и противодействующего ему мо-

мента сопротивления М

. Составляющие момента сопротив-

ления М

показаны на рис. 2.29, а. Момент вращения преодоле-

вает момент инерции подвижной системы 3 , сообщая ей

сН

ускорение йы/М:

вр

= 7-^. (2.15а)

Время действия индукционного реле является функцией

тока: с увеличением тока времени Ц уменьшается. Такая ха-

рактеристика времени действия реле называется зави-

симой и изображена кривой 1 на рис. 2.29, б. Часто применя-

ются токовые реле с ограниченно зависимой характеристикой

выдержки времени, имеющей вид кривой 2 на рис. 2.29, 6. На-

чиная с некоторого значения тока в реле время действия реле

остается неизменным, т. е. не зависящим от тока. Эта часть

характеристики называется независимой.

Чтобы повысить выдержку времени индукционных реле,

устанавливается постоянный магнит М, охватывающий сво-

ими полюсами диск (рис. 2.29, а). При вращении диск пересе-

кает силовые линии магнитного потока Ф

постоянного маг-

нита, в результате этого в нем наводятся вихревые токи, на-

зываемые токами "резания". От их взаимодействия с магнит-

ным потоком Ф

возникает момент

= /сФ

, (2.16)

противодействующий движению диска. Момент М

уменьша-

Рис.

2.29. Моменты, действующие на диск индукционного реле при его вра-

щении (а), и характеристика реле I =/(/

) (б):

—

момент пружины; М

—

момент трения; М

—

момент от токов "реза-

ния", наведенных потоком Ф

постоянного магнита; М

тэ

—

момент от токов

'резания", наведенных потоками Ф

и Ф

ет избыточный момент, за счет чего уменьшается скорость

и возрастает выдержка времени (

Время действия индукционных реле регулируется измене-

нием расстояния между подвижным и неподвижным контак-

тами К.

Индукционные реле мгновенного действия выполняются

без постоянных магнитов и с минимальным ходом подвижной

системы. Кроме того, для повышения быстродействия реле при-

нимаются меры к увеличению скорости движения подвижной

системы. Поэтому вместо систем с диском, имеющих большой

момент инерции за счет значительного диаметра, использу-

ются системы с цилиндрическим ротором, который имеет ма-

лый диаметр и момент инерции. Реле с цилиндрическим ро-

тором могут действовать с временем около 0,02-0,04 с, а ми-

нимальное время действия реле с диском примерно 0,1 с.

Инерционный выбег. Вращающийся диск индукционного

реле после прекращения действия электромагнитной силы

продолжает свое движение по инерции за счет накопленной

кинетической энергии. Инерционный выбег диска может при-

вести к замыканию по инерции контактов реле после отклю-

чения КЗ в сети. Поэтому во избежание ложного действия

РЗ с такими реле ступень селективности при выборе выдерж-

ки времени увеличивается на величину инерционной ошибки.

2.10. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ ТОКА СЕРИЙ РТ-*0 И РТ-90

Отечественная промышленность выпускает токовые реле

серий РТ-80 и РТ-90 (рис. 2.30). Реле состоит из двух элементов:

индукционного с ограниченно зависимой характеристикой

времени действия и электромагнитного, действующего мгно-

венно и называемого отсечкой. Совместная работа обоих

элементов позволяет получить характеристику выдержки

времени, показанную на рис. 2.31. При токах больше тока сра-

батывания электромагнитного элемента 7

реле работает

без выдержки времени, отсекая характеристику индукцион-

ного элемента. При токах, меньших /

.с.р> работает индукцион-

ный элемент реле с ограниченно зависимой выдержкой вре-

мени.

Индукционный элемент реле выполняется на элект-

ромагнитной системе, рассмотренной в § 2.9. Элемент имеет

электромагнит 1 с короткозамкнутыми витками 2 (рис. 2.30, а)

Рис.

2.30. Токовое реле типа РТ-80:

—

конструкция реле; б

—

силы, действующие на диск подвижной рамки

0 2 4 6

(р

\1^)

Прив

10 12 14-

Кратность тока 1-^— )

' I

уст!

Рис. 2.31. Характеристика реле типа

РТ-80

и подвижный диск 3. При появлении тока в обмотке 19 возни-

кает электромагнитная сила, действующая на диск 3, кото-

рый вращается на оси в подшипниках, установленных на по-

движной рамке 4. Рамка 4 имеет ось вращения 18, укреплен-

ную на корпусе реле. Пружина 5 притягивает рамку к упору 11.

На оси диска насажен червяк 7, вращающийся вместе с осью

и диском. Червяк 7 и зубчатый сегмент 8, управляющий

работой контактов реле 12, нормально расцеплены. Для дей-

ствия реле необходимо, чтобы червяк сцепился с зубчатым

сегментом и поднял его до замыкания контактов реле. На по-

движную систему (рамку и диск) действует электромагнитная

сила Г

, стремящаяся переместить рамку, и противодейству-

ющие ей силы: сила пружины 5, прижимающая рамку 4 к упо-

ру 17, а при движении диска дополнительные силы, обуслов-

ленные взаимодействием магнитного потока постоянного

магнита 6 и потоками Ф

и Ф

электромагнита 1. Действие

этих сил показано на рис. 2.30, б. Диск начинает вращаться при

I = (0,2 - 0,3)7 , когда момент силы Р

становится больше мо-

мента трения и инерции диска. Срабатывание индукционного

элемента реле происходит при /

> 1

ср

. При этом рамка 4 пере-

мещается, сцепляя червяк 7 с зубчаткой сегмента 8. После

этого движение рамки прекращается, но диск продолжает вра-

щаться и посредством червяка 7 поднимает сегмент 8. Рычаг

сегмента 8 поднимает коромысло 9, замыкая при этом контак-

ты реле 12. Вследствие уменьшения зазора якорь 10 притяги-

вается к электромагниту 1, обеспечивая плотное замыкание

контактов 12. При токе в реле, меньшем тока возврата, момент

пружины 5 преодолевает М

, и рамка возвращается в началь-

ное положение, расцепляя червяк с сегментом. Сегмент па-

дает на упор 20, размыкая контакты реле. Для обеспечения

надежного сцепления рамки с сегментом служит стальная

скоба 11, которая притягивается к электромагниту 1 под дей-

ствием силы ГТ, возникающей под влиянием потока рассея-

ния электромагнита (рис. 2.30, б).

Ток срабатывания регулируется изменением числа витков

обмотки реле 19 при помощи штепселя 14, переставляемого

в гнездах планки 15. Время действия реле регулируется изме-

нением начального положения сегмента 8 винтом 13.

Электромагнитный элемент (отсечка) имеет якорь в виде

стального коромысла, находящегося в поле потока рассеяния

электромагнита 1. При токе 7

> (4 -

8)7

индукционного эле-

мента правая часть коромысла под действием силы ,Р

притя-

гивается к электромагниту и мгновенно замыкает контакт

реле 12. Ток срабатывания элемента регулируется винтом 16,

меняющим воздушные зазоры между коромыслом и электро-

магнитом. Для устранения вибрации якоря при срабатывании

элемента установлен короткозамкнутый виток. Реле РТ-80

имеет 12 исполнений, различающихся уставками по току и

времени, реле РТ-85 и РТ-86 имеют усиленные контакты, рас+

считанные на переключение тока до 150 А в цепях перемен-

ного тока. Реле РТ-90 имеет аналогичную конструкцию, но не-

зависимая часть характеристики у его реле начинается при

меньших кратностях тока 7

, чем у реле РТ-80.

2.11.

ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

Назначение и требования к реле. Реле направления мощ-

ности (РНМ) реагируют на значение и знак мощности 5, подве-

денной к их зажимам. Они используются в схемах как орган,

определяющий по направлению (знаку) мощности (протека-

ющей по защищенной ЛЭП);. где произошло повреждение -

на защищаемой ЛЭП или на других присоединениях, отходя-

щих от шин подстанции (рис. 2.32, а). В первом случае при КЗ

в К1 мощность КЗ 5

К1

направлена от шин в ЛЭП, и РНМ должно

срабатывать и замыкать свои контакты, во втором - при КЗ в

К2 - мощность КЗ 5

К2

направлена к шинам, в этом случае ре-

ле не должно замыкать контакты.

Реле мощности имеет две обмотки: одна питается напря-

жением Цр, а другая - током сети 7

(рис. 2.32, б). Взаимодей-

ствие токов, проходящих по обмоткам, создает электромагнит-

'кг

А/

а)

Рис. 2.32. Реле направления мощности:

—

принцип действия; б

—

схема включения

/,•

/Л

Я*

а)

Рис.

2.33.

Реле мощности:

—

цилиндрическим ротором;

б —

ротор реле

направление положитель-

ного момента

М,

ный момент, значение

знак которого зависят

от

напряжения

, тока

угла сдвига

<р

между ними.

Чувствительность

РНМ

оценивается минимальной мощ-

ностью,

при

которой реле замыкает свои контакты.

Эта

мощ-

ность называется мощностью срабатывания

обозна-

чается

ср

Реле направления мощности выполняются мгновенными.

Время срабатывания РНМ должно быть минимальным.

Конструкция

принципы действия индукционных реле

мощности. Индукционные реле мощности выполняются

с по-

движной системой

виде цилиндрического ротора (рис. 2.33,

а).

Реле имеет замкнутый четырехполюсный магнитопровод

1 с

выступающими внутрь полюсами. Между полюсами установлен

стальной цилиндр (сердечник)

повышающий магнитную

проницаемость междуполюсного пространства. Алюминиевый

цилиндр (ротор)

может поворачиваться

зазоре между сталь-

ным сердечником

полюсами.

При

повороте ротора

проис-

ходит замыкание контактов реле

Для возврата ротора

контактов

исходное положение

предусматривается противодействующая пружина

(рис.

2.33,

б).

Обмотка

питается напряжением

= [/

/К^, а

обмотка

5 -

током

= 1

/К

где У

и /

напряжение

и ток

сети (защи-

щаемого элемента).

Ток

= [/

обмотке

создает магнит-

ный поток

(поляризующий).

Ток

проходящий

по

обмотке

создает магнитный поток

(рабочий).

На

рис. 2.34

изображена векторная диаграмма магнитных

потоков

и Ф

. За

исходный

для ее

построения принимается

вектор напряжения [/

. Ток /

сдвинут по фазе относительно

напряжения у_ на угол а, а ток

- на угол ф

Угол а определяется индуктивным и активным сопротив-

лением обмотки 4, питаемой напряжением, и называется

углом внутреннего сдвига реле. Угол <р

зависит от

параметров сети и фаз подведенных к реле 1/

и /

Магнитные потоки Ф

и Ф

изображены на диаграмме со-

впадающими с создающими их токами /

и /

Из векторной диаграммы следует, что потоки Ф

и Ф

, а

также токи ^ и/

сдвинуты по фазе на угол ф = а - <р

, элект-

ромагнитный момент М

согласно формуле (2.13):

= *сФ

8шф; (2.17)

выражая Ф

и Ф

через создающие их токи, получим

= к^р/рЗшСа-Фр) = ^Зр, (2.18)

где 5

= (/рГ

5т(а - ф

) - мощность, подведенная к реле.

Анализируя выражение (2.18), можно сделать следующие

выводы: электромагнитный момент ре^е пропорционален

мощности на его зажимах; знак электромагнитного момента

реле определяется знаком зт(ос - ф

) и зависит от значения ф

.и угла внутреннего сдвига а. Это иллюстрируется рис. 2.34, где

зона отрицательных моментов заштрихована. Незаштрихован-

ная часть диаграммы соответствует области положительных мо-

ментов, где Ф

опережает Ф

, а ф

и его синус имеют положи-

тельный знак. Линия АВ, проходящая через углы а - ф

= 0 и

180°,

называется линией изменения знака мо-

мента. Она всегда расположена под углом а к вектору [/

, т. е.

совпадает с направлением векторов /

и Ф

Линия СЮ (перпендикулярная АВ) называется линией

максимальных моментов. Момент М

достигает мак-

симума при а - ф

= 90°, т. е. когда /

опережает

на 90°. Угол

, при котором М

достигает максимального значения, назы-

вается углом максимальной чувствительности,

значение которого зависит от угла а, который определяется

отношением Х/К в цепи напряжения.

Реле не действует, если отсутствует напряжение или ток

в реле или если зт(« - ф

) = 0. Последнее условие имеет место

при

= а и Ф

= а + 180°.

Таким образом, выражение (2.18) и рис. 2.34 показывают, что

рассмотренная конструкция есть реле, реагирующее на знак