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.

Учитывая, что Ф_I ~ I_p, Ф_U ~ I_H ~ U_H, а ? = ? — ?_р, можно получить:

M_BP = k_p ? U_H ? I_P ? sin (? — ?_р).

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 < 0 (то есть M_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

M_BP = k_p ? U_H ? I_P ? sin (90 ? ?_р) = k_p ? U_H ? I_P ? cos ?_р

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:

M_BP ? М_ПР,

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].