Принцип действия индукционного 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) .

Индукционное реле направления мощности [2, 3] имеет две обмотки, размещенные на полюсах замкнутого стального магнитопровода 1 (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 × sinΨ. 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 18 показана векторная диаграмма, поясняющая принцип действия реле. Приняты следующие обозначения: Í_pи Ú_H — векторы тока и напряжения, подведенных к реле; φ_р — угол между векторами Í_p и Ú_H, определяемый параметрами силовой электрической сети и схемой включения реле; Í_H — вектор тока в потенциальной катушке реле; α — угол между векторами Í_H и Ú_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 Ψ = α — φ_р, можно получить:

M _BP = k_p × U_H × I_P × sin (α — φ_р).

В этом выражении k_p — постоянный коэффициент, определяемый параметрами реле, а U_H × I_p × sin (α − φ_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 (α — φ_р) = 0. Отсюда следует, что M_BP = 0, если φ_р = α при отставании и если φ_р = (α + 180°) при опережении вектором Í_p вектора Ú_H. Линия, расположенная под этим углом к вектору Ú_H, называется линией нулевых моментов или линией изменения знака момента [2, 3].

Угол φ_р между векторами Í_P и Ú_H, при котором вращающий момент имеет максимальное значение, принято называть углом максимальной чувствительности φ_МЧ. Линия, расположенная к вектору Ú_H под углом φ_МЧ, называется линией максимального момента.

Если внутренний угол α = 0 (19, а), то вращающий момент M_BP = k_p × U_H × I_p × sin (−φ_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 φ_р < 0 (то есть M_BP = k_p × U_H × I_p × sinφ_р). Угол максимальной чувствительности для синусного реле φ_МЧ = 90°.

Если внутренний угол α = 90° (19, б), то вращающий момент

M _BP = k_p × U_H × I_P × sin (90 − φ_р) = k_p × U_H × I_P × cosφ_р

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

В реле смешанного типа (см. 18) угол а может иметь значения от 0° до 90°. У отечественных реле смешанного типа (РБМ-171, РБМ-271) угол а изменяется дискретно: α = 45° (φ_МЧ = 45°) или α = 60° (φмч = 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 (20, а), при неизменном угле между векторами Ú_H и Í_pравном углу максимальной чувствительности .

Зависимость мощности срабатывания реле от угла между векторами Ú_H и Í_p при неизменном токе принято называть угловой характеристикой реле (20, б) . Она определяет зоны срабатывания и несрабатывания реле. Как видно, при углах, соответствующих изменению направления вращающего момента, мощность срабатывания возрастает и стремится к бесконечности. При φ_р = φ_МЧ мощность срабатывания реле имеет минимальное значение.