Constructia Si Function Area Releelor De Protectie Elect Rome Can

Constructia si functionarea releelor de protectie electromecanice Definirea si clasificarea releelor de protectie electromecanice (cu contacte) 1.Generalitati • Releele reprezinta categoria cea mai importanta de aparate din cuprinsul unei instalatii de protectie si comanda automata. In general, prin releu se intelege un aparat care fiind supus unei actiuni exterioare, realizeaza automat o operatie, pentru o gama data de valori ale marimii aplicate la intrare care provoca actionare acestuia. In functionarea oricarui releu este caracteristica variatia brusca(in salt) a marimii de iesire cand marimea de intrare, de regula, atinge sau depaseste o valoare prescrisa, numita valoare de actionare (excitare).La scaderea marimii de intrare sub o anumita valoare, numita valoare de revenire are loc saltul invers al marimii de iesire. Raportul intre valoarea de revenire si cea de actionare se numeste factor de revenire Krev. • Marimile care caracterizeaza un anumit releu sunt urmatoarele: -natura marimii de intrare (sau actionare ) -puterea ce trebuie absorbita la intrarea pentru ca releul sa actioneze (cu valori cuprinse intresub 1W si circa 40W); -curentul (puterea) rezultat in circuitul de iesire, in conditile unei tensiuni admisibile date si in functie de natura sarcinii (de exemplu, se spune ca un contact rupe 2A la 110V si sarcina rezistiva, sau 0,5A la 220V si sarcina inductive) -numarul si pozitia contactelor releului : Un releu poate avea un numar de contacte normal deschise si (sau) un numar de contacte normal inchise. Prin pozitia normala a unui contact se itelege pozitia acestuia cand releul este neexcitat (sau pozitia in stare de magazie a releului ); -domeniul de actionare sau gama de reglaj pentru marimea de intrare ; -timpul propriu de actionare, care masoara timpul scurs intre momentul aplicarii marimii de actionare, pana la inchiderea contactelor (de la valoari de circa 10-50ms, la relee instantanee, la valorii de 0,1….10s si mai mult, in cazul releelor cu actionare temporizata prin constructia lor). 2.Clasificare Rleele elecromecanice (cu contacte ) se pot clasifica in mai multe categorii. • Dupa principiul de constructie si functionare a elementului sensibil al releului se deosebesc: -relee electromagnetice (nepolarizate sau polarizate) -relee electrodinamice (fara fier sau cu fier) -relee magnetoelectrice -relee magnetice (cu circuite magnetice saturabile sau cu amplificatoare magnetice) -relee electronice (cu tuburi cu vid sau cu gaz si element de executie electromecanic) • Dupa natura marimilor aplicate la intrare se deosebesc: -relee de curent (pt curent continu sau alternativ) -relee de tensiune (pt tensiune continua sau alternativa) -relee de putere (activa, reactiva, aparenta) -relee de impedanta (de rezistenta, reactanta, impedanta) -relee de frecventa (sau de alunecare) -relee de defazaj (de succesiune a fazelor )

1

• Dupa felul variatie marimii de actionare, adica a marimii de la intrarea releului, se deosebesc: -relee maximale, a caror actionare se produce atunci cand marimea de intrare depaseste o anumita valoare maxima, dinainte stabilita; -relee minimale, a caror actionare se produce atunci cand marimea de intrare scade sub o anumita valoare minima, dinainte satabilita; -relee directionale, a caror actionare se produce numai la schimbarea sensului marimii de intrare (de exemplu, schimbare sensului unei puteri electrice, in cazul releelor directionale; -relee diferentiale, a caror actionare se produce atunci cand diferenta valorilor sunt doua marimi aplicate la intrare devine, in valoare absoluta, mai mare decat o valoare dinainte stabilita.

Definirea releelor de protecţie. Funcţii. Cerinţe.

Un sistem de protecţie prin relee este alcătuit din totalitatea dispozitivelor şi aparatelor destinate să asigure, în mod automat, deconectarea unei instalaţii la apariţia unui defect sau regim anormal de funcţionare periculos pentru instalaţie, sau cel puţin să semnaleze aceasta.

2

Dezvoltarea tehnicii de protecţie prin relee şi etapele parcurse

3

Prin separarea automată a unei instalaţii defecte se urmăresc trei obiective: -

să împiedice dezvoltarea defectului şi extinderea acestuia asupra altor instalaţii; să preîntâmpine distrugerea izolaţiei şi aparatelor ca urmare a şocului electrodinamic şi electrotermic, întrerupând rapid toate posibilităţile de alimentare a locului de defectare; să contribuie la restabilirea funcţionării normale pentru continuitatea alimentarii consumatorilor de energie electrică.

Releul electric de protecţie este, deci, un aparat electric care execută închiderea, deschiderea sau comutarea unuia sau mai multor contacte la variaţii ale unor marimi electrice aplicate la intrarea acestuia. În cazul releelor fără elemente mobile , respectiv fără contacte, are loc o basculare a valorii de ieşire la producerea unei variaţii în salt la intrare. Releul transmite comanda de declanşare la mecanismul (dispozitivul) de declanşare al întreruptorului. In figura 1.1 este reprezentată sintetic dezvoltarea tehnicii de protecţie prin relee şi etapele parcurse. Structura releului de protecţie: În figura 1.2, a, b şi c sunt reprezentate: schema bloc, schema desfăsurată şi simbolul general pentru releul de protecţie.

Scheme ale releelor şi simbolizarea lor: a.)schema bloc; b.)schema desfăşurată; c)simbol pentru releul de protecţie ES - Element Sensibil (de intrare); EC - Element de Comparaţie sau prelucrare logică a informaţiei şi de Decizie; EE - Element de Execuţie.

4

Caracteristica intrare – ieşire (statică) a unui releu de protecţie

Schema bloc de elemente a unui circuit de protecţie prin relee Parametrii principali ai releelor: 1) Parametrii nominali ( Un, In, fn, Zn , etc.) - mărimi ce pot fi suportate timp îndelungat de aparat; 2) Valori de pornire (acţionare) - valori la care acţionează releul; 3) Valoarea de revenire - valoarea mărimii controlate la care elementele de execuţie ale aparatului acţionează invers decât la acţionare; 4) Factorul de revenire :

K rev =

valoarea de revenire ≠1 valoarea de pornire

(1.1)

La releele maximale care acţionează la depăşirea unei mărimi Krev<1; la releele minimale, care acţionează la scăderea mărimii de acţionare sub valoarea reglată, Krev > 1.

5

Se consideră ca un releu este cu atât mai bun cu cât Krev este mai aproape de 1. 5) Timpul propriu de acţionare al releului care este timpul măsurat din momentul atingerii valorii de acţionare până la emiterea mărimii de execuţie (la ieşire). La acest timp se adaugă inerţia proprie a aparatului, la care se adună timpul reglat al aparatului. 6) Puterea consumată de releu - este în raport invers cu sensibilitatea releului. Această mărime intervine la încărcarea circuitelor secundare şi la calculul şi alegerea transformatoarelor de măsură care alimentează schema (TC,TT) 7) Puterea de rupere (capacitatea de comutare) este puterea maximă din circuitul comandat prin contactele releului fără ca acesta să se deterioreze. 8) Poziţia normală a contactelor (normal deschise sau normal închise). Se consideră poziţie normală a contactelor starea lor iniţială,cu aparatul nealimentat. 9) Stabilitatea termică şi electrodinamică care este capacitatea aparatului de a suporta un timp limitat efectele curenţilor de scurtcircuit, fară consecinţe negative. 10) Eroarea releului este diferenţa dintre valoarea reală de acţionare şi valoarea reglată pentru acţionare. În concluzie: Se poate spune că releele electrice sunt aparate automate care, sub acţiunea unui parametru electric aplicat la intrare, produc variaţia în salt (brusc) a mărimii de ieşire la o anumită valoare a parametrului de intrare. Ele funcţionează pe baza codului DA/NU şi fac parte din categoria aparatelor pentru comenzi discontinue. În figura 1.3, caracteristica statică intrare - ieşire pentru un releu de protecţie, în general. În cazul unei variaţii a parametrului x de la intrare între 0 şi x, acestuia îi corespunde o valoare constantă a parametrului de ieşire y=ymin, şi cel mai des ymin=0. Când x atinge valoarea xpornire, y variază în salt de la ymin la ymax, iar timpul în care se produce această variaţie este determinat de durata procesului tranzitoriu în circuitul comandat. La o creştere ulterioară a parametrului x de la intrare (de exemplu x=xmax) valoarea lui y rămâne neschimbată. La descreşterea parametrului x (xmax→xmin), valoarea y=ymax rămâne neschimbată dar pentru x=xrev se produce micşorarea prin salt în jos până la valoarea y=ymin. Funcţia releului de protecţie realizează o comandă automată de tip releu cu o caracteristică unidirecţională. Schema bloc de elemente a unei instalaţii de protecţie prin relee este ilustrată în figura 1.4, unde s-a considerat o protecţie maximală de curent pentru o linie electrică aeriană conectată prin întreruptorul I1 la barele SEE. Elementele din schemă sunt: transformatorul de curent TC, transformatorul de tensiune TT, blocul de intrare BI care poate fi realizat cu relee cu contacte, sau printr-o interfaţă formată din traductoare şi/sau filtre la instalaţii realizate cu µ P sau automate programabile. Mărimile M1 şi M2 se aplică blocului de prelucrare logică a informaţiei BPL care este şi un bloc de decizie. Acesta stabileşte dacă există regim anormal de funcţionare, iar în caz afirmativ eliberează un semnal de execuţie la blocul de ieşire BE. De la aceasta pleacă comanda de declanşare la întreruptor, respectiv semnalizarea execuţiei acestei comenzi. BTP - blocul de temporizare care asigură dacă este necesar o anumită temporizare; BA - blocul de alimentare al schemei care asigură tensiunile operative de CC pentru funcţionarea întregii scheme de protecţie. Instalaţia de protecţie - are un caracter mai larg, putând fi examinată în mai multe ipoteze: 1. protecţia de tip sau funcţie elementară independentă de obiectivul protejat (de exemplu:protecţia maximală de curent sau protecţie diferenţială sau protecţie minimală de impedanţă etc); 2.

protecţia ca instalaţie de comandă automată pentru un anumit tip de defect (protecţie împotriva scurtcircuitelor polifazate, protecţie împotriva suprasarcinilor, protecţie împotriva punerilor la pământ); 3. protecţia ca instalaţie complexă cu funcţiuni corelate în cadrul unui ansamblu de elemente de protejat (protecţia părţii electrice a unei centrale sau protecţia unei reţele electrice). Scheme folosite in reprezentarea instalatiei de protectie prin relee: Acestea pot fi: - scheme functionale; - scheme bloc;

6

-

scheme logice - în care apar elementele din sistem în succesiunea logică a funcţiunilor îndeplinite.

Schemele de principiu (sau principiale) ale instalaţiilor de protecţie pot fi:

-

scheme de principiu restrânse, monofilare sau trifilare; scheme de principiu desfăşurate; scheme de amplasare; scheme de montaj; scheme de execuţie.

Relee electromagnetice Releele construite pe principiul electromagnetic sunt cele mai raspandite relee electrice cu contacte.Aceste relee sunt utilizate in curent continuu si alternativ; functionarea lor se bazeaza pe atragerea unei armaturi de otel de catre o bobina cu miez de fier (electromagnet). 1.RELEE ELECTROMAGNETICE DE CURENT SI TENSIUNE Releele electromagnetice de curent si tensiune sunt relee de curent maxim, si tensiune maxima si de tensiune minima. Din aceasta categorie fac parte releele de tip RC (relee de curent) si de tip RT (relee de tensiune ), fabricate in tara. • Releul maximal de curent tip RC (fig. 1.1) este un aparat electromagnetic cu armatura mobila rotitoare, alimentat cu curent alternativ de 50Hz. –Releul se compune dintr-un miez de fier 1, pe care sunt atasate bobinele 2.

In intrefierul electromagnetului se poate roti o armatura de otel 3 (paleta mobila), solidara cu axul releului .Pe acelasi ax este fixat un capat al resortuli 4.celalalt capat al resortului 4 este solidar cu levierul indicatorului de regalaj 7, care se poate deplasa intre limitele fixate pe scara de reglaj 8.O piesa izolata poarta “calaretul” metallic 5 care asigura ichiderea contacelor fixe 6 se leaga la cele doua borne ineterioare ale rleului. Cand bobinele electromagnetuli sunt parcurse de curent, armatura 3 tinde sa se roteasca in intrefier spre polii miezului 1. sub actiunea proportionala cu patratul fluxului magnetic Φ , ocupand pozitia cea mai favorabila unui flux maxim. Cuplul activ care produce deplasarea armaturii se poate exprima prin relatia; Ma=KtΦ 2=K2I2r Ir fiind curentul prin bobina releului, iar K1 si K2 constante care depind de caractersticile constructive ale releului .

7

Deplasarii armaturii 3 in sensul direct indicat de sageata in fig. 1.1 (sensul actionarii contactelor mobile ale releului) I se opune cuplul antagonist dat de resortul 4 si cuplul antagonist produs de frecari in lagare. Se poate scrie deci relatia cuplului antagonist rezultat; Mr=Mro+K3(δ -δ o)+Mfr, In care, Mroeste cuplul antagonist initial, δ -δ o deplasarea unghiulara a armaturii, Mfr cuplul antagonist produs de frecari (practi constant); In cazul cresterii curentului in infasurarile releului pina la valoarea pentru care Ma>Mr, pe tot parcursul deplasarii armaturii mobile, in urma atragerii acestei armaturi spre polii electromagnetului , contactele 5 si 6 (normal deschise) se inchid si releul actioneaza . Valoarea minima a curentului Ir la care releul actioneaza, inchizandu-si contactele se numeste curent de actionare al releului Iar. Raportul dintre curentul de revenire si curentul de actionare a releului reprezinta factorul de revenire a releului :

K rev =

I rev r I ar

Factorul de revenire este intodeauna subunitar pentru releele maximale si supraunitar penutru cele minimale. Releul de curent tip RC este un releu de maximal, actionand numai in cazul cresterii curentului I r, peste valoarea reglata.Coeficientul de revenire a releului RC este : Rrev=0,85. Releul are infasurari cu spire putine, de sectiune mare, care sunt parcurse de curenti mari; Irn=0,2….200A. Curenrul de actionare a releului maximal de curent RC poate fi reglat prin variatia tensiuni initiale a resortului antagonist (reglare continua) si prin schimbarea conixiunii (serie sau paralel) la cele doua sectii ale bobinei releului (reglare in trepte). Alte relee electromagnetice de curent si de tensiune fabricate in tara sunt prevazute cu o singura bobina, avand o priza mediana, pentru modificarea domeniului de reglaj de la simplu la dublu. Tensiunea resortului se modifica, rotind indicatorul de reglaj 7. Punerea la punct a releului se modifica (aducerea in scara) se poate face cu doua suruburi care limiteaza pozitia de repaus (corespunzatoare curentului Ir) si pozitia de actionare (corespunzatoare curentului Irev r) a paletei mobile 3 in campul magnetic al electromagnetului 1. Timpul propriu de actionare al releului RC este practic nul (de ordinul 0,05s).Releul poate fi folosit atat in curent continuu cat si in curent alternativ , are o constructie simpla si prezinta mare stabilitate in functionare. • Releul de tensiune RV maximal sau minimal de tip electromagnetic.

Se deosebeste de releul de curent RC, numai prin faptul ca bobinele releului de tensiune au spire multe si subtiri, fiind construite astfel incat sa reziste la o tensiune nominala de alimentare. Releul maximal de tensiune actioneaza la cresterea tensiuni peste valoarea reglata, inchizandu-si contactele normal deschise; cel de tensiune minima (sau minimal) actioneaza la scaderea tensiunii sub valoarea reglata. Tensiunea de actionare al releului se regleaza prin modificarea tensiunii iniţiale a resortului antagonist si prin schimbarea (serie sau paralel) la cele doua sectii ale bobinelor de tensiune. Factorul de revenire al releului maximal de tensiune este 0,85, iar minimal are valoarea :

1 ≈ 1,2 0,85

8

RELEE ELECTROMAGNETICE DE TIMP Releele electromagnetice de timp se folosesc in schemele de protectie in scopul introducerii temporizatorilor necesare pentru functionarea selective a protectiei prin relee. Releul electromagnetic de timp RT, cel mai frecvent intalnit, este compus dintr-un system electromagnetic de tip solenoidal si un mecanism de ceasornic care este armat de sistemul electromagnetic (fig. 1.2).

La trecerea curentului prin bobina electromagnetului 1, miezul acestuia este atras si, prin intermediul surubului fara sfarsit 2 si al rotii dintate 3, determina rotatia piesei intermediare 4. Aceasta produce tensionarea resortului 5, care antreneaza in rotetie axul echipajului mobil 6 (de retinut ca axu rotii dintate 3 nu este cuplat mecanic cu axul echipajului mobil). Roata dintata 7, fixata pe axul 6, se angreneaza cu roata dintata de pe axul unui mecanism de ceasornic 8, care determina o anumita viteza de rotatie a echipajului mobil al releului de timp. Tot pe axul 6 este fixat contactul mobil 9, care se roteste odata cu cu axul echipajului mobil, pana ajunge la contactul fix 10, inchizand circuitul AB (releu actioneaza).

Dupa intrerupere curentului din bobina electromagnetului 1, miezul acestuia este impins de resortul de revenire 11 spre stanga .

9

Axul echipajului mobil impreuna cu toate elementele solidare cu axul revine brusc in pozitia initiala (releu dezeexcitat). Un opritor 12 limiteaza cursa contactuluimobil 9 la revenire. Timpus de actionare a releului RT se regleaza prin variatia distantei dintre pozitia initiala a contactului mobil 9 si a contactului fix 10 care limiteaza cursa. Pentru fixarea unui anumit reglaj de timp (timpul de actionare al releului Iar) contactul 10 se deplaseaza pe sacara de reglaj 13 pana la o anumita diniziune a acestuia . Scara de reglaj a releului este etalonata in secunde si are o foarma semicirculara. Bobina electromagnetului 1 este calculata pentru un curent de scurta durata (de maxim 20-30s) la tensiunea nominala Temporizarea releului RT este independente de valoarea tensiunii amplificate bobinei, cu conditia asigurarii unei tensiuni de actionare Uar ≥ 0,7Unr.

RELEE ELECTROMAGNETICE INTERMEDIARE In cazurile in care capacitatea de rupere a contactelor sau numarul de contacte de lucru ale releelor principale electromagnetice (de exemplu de tensiune, de timp etc.) sunt insuficiente se folosesc relee inermediare . Releele inermediare de tip RI, se construiesc in tara noastra. Sunt aparate electromagnetice cu armatura basculanta, de curent continuu sau alternativ;in fig. 1.3 este reprezentat schematic un astfel de releu. Circuitul magnetic este construit din tole magnetice. Cand curentul circula prin infasurarea bobinei 1, miezul ei atrage armatura basculanta 2, impruna cu puntea de contacte mobile 3, care deschid contactele fixe , normal inchise 5 si inched contactele, fixe, normal deschise 4 si, in consecinta, releul actioneaza. Dupa intreruperea curentului din bobina 1, sub actiunea resortului 6, armatura basculanta 2, revine imediat in pozitia initiala si contactele releului revin la pozitia normala (releu dezexcitat). Timpul de actionare a releelor inermediareeste de numai cateva sutimi de secunda si din aceasta cauza, ele influientiaza putin aspra timpului de actionare a protectiei Releele intermediare se utilizeaza fie pentru a “amplifica” un semnal mai slab, de la un traductor sau un alt releu , fie pentru multiplicarea numarului de circuite. Releele intermediare se executa pentru tensiuni nominale de 24, 48, 110 si 220 V, avand tensiunea minima de actionare 0,5Un (la aceasta tensiune este invinsa forta antagonista a resortului 6). Contactele releului suporta , fara sa se deformeze, un curent de 5A timp de 20 min. In fig 1.4 este reprezentat un astfel de releu intermediar

10

RELEE ELECTROMAGNETICE DE SEMNALIZARE Releul de semnalizare tip Rds, fabricat de asemenea in tara, este un releu electromagnetic care semnalizeaza optic si isi inchide contactele, in functie de marimea de actionare (curentul continuu sau tensiunea continua) ce se aplica bobinei. In fig. 1.5 este reprezentata schema constructiva a unui asemenea releu . In momentul in care infasurarea 2 a electromagnetului 1 este parcursa de current (bobina se alimenteaza la bornele A, B), armatura mobila 3 este atrasa spre electromagnet. Cand armatura 3 se deplaseaza , clapeta de semnalizare (steguletul) 6 nu mai este sustinuta si cade sub actiunea greutatii proprii, efectuand o rotatie de 900pana in dreptul ferastruici 7 . Clapeta 6 este readusa manual in pozitia normala (corespunzatoare starii dezexcitate a releului) cu ajutorul butonului 8. Intregul mecanism al releului este inchis intr-o carcasa , avand o ferastruica in dreptul pozitie clapetei cazute . Daca steguletul (clapeta ) este in dreptul vizorului , inseamna ca releul a lucrat . Readucerea clapetei se face manual pentru ca personalul de serviciu sa fie obligat sa inregistreze protectia care a lucrat .

Deoarece actionarea unor tipuri de protectii este insotita de o semnalizare luminoasa s-a prevazut o lama de contact 4, care, la rotirea clapetei , inchide contactele 5 ale circuitului de semnalizare . Releele de semnalizare din seria Rds se construiesc in doua variante ; -releu tensiune, avand bobina cu un numar mai mare de spire (se conecteaza in derivatie cu infasurarea releului de timp, sau cu infasurarea releului intermediary.

11

-releu de current, avand bobina cu spire mai groase si mai putine (se leaga in serie cu bobina de declansare a dispozitivului de actionare a intreruptorului, sau infasurarea releului intermediar).

Relee magnetoelectrice Functioanare releelor magnetoelectrice se bazeaza pe cuplul care se exercita aspura unei bobine parcurse de curent continuu de catre campul magnetic al unui magnet permanet. In figura 1.6 este prezentat schematic un releu magnetoelectric.In intrefierul magnetului permanet 1 se gaseste un miez cilindric 2, de fier moale, in jurul caruia se poate roti un cadru mobil 3, care poarta bobina 4 a releului.Curentul continuu I este adus la bobina releului prin intermediul unor antagoniste. O data cu rotirea intr-un sens sau altul a cadrului mobil se deplaseaza contactul fix 6, solidar cu cadrul, ceea ce provoaca inchiderea sau deschiderea contactelor fixe 7. Cuplul aplicat bobinei releului este proportional cu, curentul care o parcurge conform relatiei : M=KI Releele magnetoelectrice sunt foarte sensibile, putand fi construite pentru puteri de actionare de ordinul 10-10 W. Ele prezinta insa dezavantajul ca nu pot funciona in curent alternativ, deoarece atunci cuplul midiu de actionare este nul.

Relee de inductie Releele de iductie sunt relee electrice cu contacte a caror functionare se bazeaza pe cuplurile si fortile electromagnetice care se exercita asupra unor conductoare masive sau filiforme (situate intr-un camp magnetic variabil in timp), in care se induc curenti prin inducti electromagnetica. Relee de inductie sunt de mai multe feluri : de curent, directionale, de impedanta,diferentiale si releele-balanta (ele lucreaza numai in curent alternativ).

12

Releu de inductie directional de putere In cele ce urmeaza se prezinta, spre exemplificarea, releul de inductie directional de putere. Releul de putere directional (tip IMB 171/1), cu doua bobine cu rotor cilindric, actionand la schimbarea sensului puterii electrice este reprezentat schematic in figura 1.7.

In principiu, releul este format dintr-un circuit magnetic m cu poli aparenti, un rotor cilindric de aluminiu r, infasurarile de curent si tensiune plasate pe jugul m, un contact normal deschis c si un contact mobil actionat de paleta p, fixata pe axul rotorului cilindric. Cilindrul de otel f, plasat in interiorul cilindrului de aluminiu r, serveste la reducerea reluctantei circuitului magnetic total. In intrefierul electromagnetului M se roteste cilindrul de aluminiu ( polii sunt notati cu M in figura 1.8.), avand rolul de a amortiza oscilatiile rotorului, si un resort antagonist RA, care mentine contactele releului dezexcitat in pozitia „normal deschis”. Infasurarea este formata de doua bobine legate in serie, aşezate pe doi poli, iar Infasurarea de tensiune din patru bobine legate in serie, aşezate pe toate laturile circuitului magnetic exterior. In figura 1.9 este reprezentata diagrama fazoriala a tensiunilor si a curenţilor. Funcţionarea releului de putere se bazează pe acţiunea reciproca dintre fluxurile magnetice variabile in timp si curenţii indus de acestea in elementul mobil al releului ( rotorul cilindric r ). Cuplul de rotaţie al releului este dat de relaţia : M rot = K Ф I Ф U cos ( φ r + α ).

( 1. 5. )

Pana la saturaţia miezului magnetic, fluxurile sunt proporţionale cu curenţii, adică :

13

Ur Z Ф I = K1 I r ; Ф U = K 2 I t = K 3 U = K 4 U r

( 1. 6. )

Unde Z U este impendanta bobinei de tensiune a releului, iar K 1, K 2, K 3, K proporţionalitate. La funcţionarea in regim nesaturat, in relaţia 1. 5. devine : M rot = K’ U r I r cos ( φ r + α ).

4

sunt coeficienţii de

( 1. 7. )

Expresia U r I r cos ( φ r + α ) are aspectul unei puteri. După cum aceasta expresie este pozitiva sau negativa, releul acţionează sau nu acţionează ( rotorul se roteşte intr-un sens sau altul ). De aceea, releele de putere se mai numesc si relee direcţionale. Pentru α = 0, cuplul de rotaţie maxim se obţine la valoarea : φ r = 0. In acest caz, releul are o caracteristica de acţionare cosinusoidala si se numeşte releu Wattmetrie ( acţionează numai pentru U r Ir cos φ r > 0 ). Daca in serie cu bobina de tensiune se leagă un condensator de capacitate C, care defazează curentul I t, compensând complet reactanţa inductiva a bobinei ( ceea ce echivalează cu α = 90 0 ), expresia cuplului M rot devine ( in modul ) : M rot = K’ U r I r sin φ r, iar condiţia de acţionare al releului este : U r I r sin φ r > 0. Un asemenea releu are o caracteristica sinusoidala si poarta numele de releu varmetrie. Valorile uzuale pentru unghiul α sunt cuprinse intre 30 0 si 45 0. Releul direcţional intra in funcţiune atunci când cuplul de rotaţie M rot întrece cuplul antagonist, dat de resortul RA ( fig. 1. 8. ) .

Funcţionarea releului direcţional poate fi studiata pe caracteristica unghiulara al releului, care reda dependenta dintre tensiunea de acţionare U act si defazajul φ r pentru I r = ct ( fig. 1. 9. ). Pe aceasta curba, pentru fiecare curent I r dat se poate citi care este valoarea tensiunii de acţionare U r = U act corespunzătoare unui anumit defazaj φ r ↔ 0 . Pentru diferite valori ale lui I r se obţine o familie de astfel de caracteristici cu Ir = ct . Cu ajutorul curbelor U act = f ( φ r )

14

pentru I r = ct, se poate determina unghiul φ r la care releul direcţional are cea mai mare sensibilitate numit si unghiul sensibilităţii maxime ( fig. 1. 10. )

Construcţia si funcţionarea releelor statice Avantajele introducerii releelor statice (electronice) in schemele de protecţie Din punct de vedere al rapidităţii de acţionare, releele electronice statice (fara contacte) sunt superioare celor electromecanice, datorita eliminării inerţiei elementelor in mişcare. In plus, timpul propriu de acţionare a releelor electronice este foarte redus (aproape nul), iar revenirea se produce mai rapid. Protecţiile realizate cu relee electronice permit obţinerea unor caracteristici de acţionare complicate, necesare in cazul protecţiilor complexe (de exemplu, protecţia de distanta), ceea ce conduce la o buna selectivitate si sensibilitate a protecţiei prin relee. In comparaţie cu releele electromecanice, functioanrea releelor electronice este mai puţin influenţata de şocuri mecanice, vibraţii, sau de prezenta prafului in atmosfera. Durata mare de viata, independenta de conditile exploatării, consumul redus de putere si numărul mare de acţionari sigure (practic nelimitat) conferă, de asemenea, însemnate avantaje releelor electronice de protecţii. O data cu apariţia semiconductoarelor si a circuitelor integrate (de data mai recenta), protecţiile cu relee electronice fara contacte au capatat o utilizare din ce in ce mai larga. Sa extins, tot o data , utilizarea releelor cu contacte in gaz (relee „reed” sau relee „fara armatura”). Schemele de protecţie cu relee statice au

15

permis aplicarea unora dintre principiile moderne ale automatici in tehnica protecţiei prin relee (ca de exemplu, principiul adaptrii si cel al optimalităţii).

Exemple de relee statice •

In fig. 2.1 este reprezentata schema unui releu static electrionic, realizat cu tranzistore. Doua tranzistore identice T1 si T2 sunt conectate, in fig. 2.1 in montaj simetric.

Intrucat rezistentele R1=R2 si R’1=R’2 au valori relativ mari (de ordinul zecilor de kiloohmi), iar rezistentele Rc1=Rc2 sunt rezistente de sarcina (de circa 1…2kΩ), rezulta ca valorile curentilor de circulatie I 1 si I2, ca si ale curentilor din baza IB, sunt neglijabile in raport cu curentii de emitor IE sau de colector IC. Sa presupunem ca numai tranzistorul T1 se afla in regim de conductie, adica rezistenta de sarcina (de colector R ct) este strabatuta de un curent mare I ct (plus I 2 neglijabil), in timp ce prin rezistenta de sarcina Rc2 curentul este practic zero (I 1 este neglijabil). Fata de o stare „initiala” in care T1 este blocat, potentialul colectorului C 1 creste (devine „ mai pozitiv”). Acest lucru are ca efect scaderea curentului I2, adica o „pozitivare” a bazei B2, paralel cu o „negativare” a punctului E2, datorita curentului IE1, ceea ce face ca tensiunea baza-emitor a lui T2 sa devina pozitiva, adica T2 sa fie blocat. Pe de alta parte, starea de blocare a tranzistorului T 2, deci negativarea colectorului C2, creează o tensiune negativa baza-emitor a tranzistorului E1 si asigura astfel regimul de conductie al acestuia. Daca se aplica brusc o tensiune pozitive de intrare U 1 pe jonctiunea baza-emitor a lui T1, suficienta pentru ca, pentru moment, UEB1 > 0, tranzistorul T1 se blocheaza, colectorul C1 se negativeaza, I2 creste, deci B2 se negativeaza, ceea ce are ca efect UBE2 < 0, adica T2 incepe sa conduca. Sistemul „basculeaza” , adica acelasi proces descris la inceput are loc invers (T2 conduce, iar T1 este blocat) si curentul prin Rc2 creste brusc de la zero (deoarece IB1 + I1 sunt neglijabile) la o valoare relativ mare Ic2 (curentul de colector a lui T), ceea ce reprezinta o functionare de tip releu. Conditia de functionare a releului static prezentat este: plus U1 ≤ - UBE1, unde UBE1 reprezinta tensiunea baza-emitor a tranzistorului T1 in regim de conductie. Releul prezentat se mai numeste si bistabil (deoarece, in stare deschisa, este stabil in ambele pozitii) sau trigger. • Alte relee statice (fara contacte) sunt realizate cu punti redresoare si amplificatoare cu reactie pozitiva sau cu relee „reed” (cu contacte in gaz).

16

Comparatie intre releele electromecanice si releele electronice 1.

Avantajele releelor electronice Printe avantajele mai importante a releelor electronice se numara urmatoarele: • Releele electronice permit obtinerea unei rapiditati superioare celei atinse de releele electromecanice. • Releele electronice perimt obtinerea unor caracteristici de actionare cu performante superioare celor asigurate de releele electromecanice. • Folosirea componetelor electronice in constructiea releelor a condus la elabolarea unor noi principii de realizare a protectiilor. • Prin utilizarea releelor electronice se asigura o reducere importanta a consumului de la transformatoarele de curent, ceea ce permite evitarea functionarii in saturatie a circuitelor magnetice ale acestor transfoamatoare, deci miscarea erorilor care pot interveni in functionarea protectiileor. • Releele si protectiile electronice au gabarite mai mici de cat cele electromecanice, conducand la reducerea dimensiunilor panourilor si a camerelor in care sunt instalate. 2. Dezavantajele releelor electronice • Releele electronice sunt influentate de factori perturbatori (in special de variatiile temperaturii mediului ambiant) in masura mult mai mare decat releele elctromecanice. Trecerea de la tranzistoarele cu germaniu la tranzistoarele cu siliciu a micsorat acest dezavantaj. • Vecinatatea dintre instalatiile electromagnetice protejate, prin care circula curentii de ordinul kiloamperilor, si schemele electronice de protectie, prin care circula curenti de ordinul microamperilor, constituie o dificultate in utilizarea releelor electronice. Dificultatea este determinata de faptul ca supra tensiunile induse in circuitele electronice (din cauza variiatiei curentilor din instalatiile protejate, in special la efectuarea unor comutari in circuitele primare, de inalata tensiune) pot conduce in deterioararea tranzistoarelor. Pentru micsiorarea valorilor supratensinilor induse este necesar ca echipamentele electronice de protectiie sa fie judicios amplasate in raport cu circuitele primare protejate, sa fie folosite cabluri ecranate, sa se realizeze in bune conditii legaturile la pamant. De asemenea, influenta comutarilor din circuitele operative de curent continuu ale statilor electrice asupra functinarii releelor electronic constituie un dezavantaj al acestei categorii de releele. 2.

Perspective

Una dintre solutiile care se contureaza in prezent consta in folosirea in paralel a noilor protectii electronice cu protectiile clasice, cu relee electromecanice. In acest mod, marea responsabilitate a protectiei unor importante instalatii electroenergetice este impartita intre protectiile electronice si echipamentele indelung verificate cu relee electromecanice, care le dubleaza pe cele electronice. Aceasta dublare este justificata economic, intrucat pentru instalatiile electro energetice importante linia actuala consta nu numai in dublarea protectiilor de baza prin protectii de rezerva, ci chiar in dublarea protectiilor de baza, pentru crestere sigurantei in functioanare. Folosirea circyuitelor integrate permite extinderea utilizarii protectiilor electonice, datorita avantajelor acestor circuite din punct de vedre al fiabilitatii, performantelor si miniatirizarii. Releele directionale IMB 171/1 sunt relee rapide, cu timp de actionare foarte scurt, de cateva sutimi de secunda. Coeficientul de revenire este : Krev=0,7.

17

Semne conventionale pentru relee si sisteme de protectie prin relee Semnele conventionale pentru reprezentarea releelor de protectie, precum si a sistemelor de protectie prin relee sunt stabilite de STAS 1590/8-71. • In schemele de principiu ale protectiilor, releele se reprezinta printr-un patrat, avand deasupra un semicerc (fig. 3. 1.). Patratul simbolizeaza elementul sensibil al releului; in partea inferioara a acestuia se reprezinta legaturile la circuitele care alimenteaza bobina releului respectiv. Semicercul simbolizeaza elementul mobil al releului, cu contactele acestuia. De aceea, in interiorul semicercului se reprezinta toate contactele releului. Contactele se reprezinta in pozitie de repaus, adica in situatia cand bobina (sau bobinele) releului nu sunt alimentate. Astfel spus, pozitia normala a contactelor este pozitia pe care ocupa acestea atunci cand releul se afla in magazin de aparate. In fig. 3. 2. este reprezentat simbolul unui releu intermediar, avand doua contacte normal deschise (contactele 1 si 2) si doua contacte normal inchise (contactele 3 si 4). In tabela 3.1. se prezinta semnele conventionale ale releelor de protectie (conform STAS 1590/871), iar in tabela 3.2. sunt grupate semnele conventionale pentru contactele si bobinele releelor de protectie (conform STAS 1590/6-71 si 1590/8-71). La reprezentarea in schemele detaliate, bornele se deseneaza sub forma unor cercuri in care se noteaza cifrele de numerotate (sau marcarea) a acestora.

Reprezentarea conectarii in circuit a contactelor se face astfel incat parcurgerea circuitului de la comanda la executie se face de la stanga la dreapta (sau de sus in jos) • In tabela 3. 3. sunt prezentate cateva din semnele conventionale pentru sisteme de protectie prin relee, mai des folosite. Prin sistem de protectie se intelege combinatie de relee care au scopul de a asigura protectia completa in potriva unor anumite defecte sau regimuri anormale de functionare.

18

19

20

Relee de protectie Numarul functiilor integrate intr-un releu a fost extins de-a lungul timpului, in paralel cu cresterea capacitatii de procesare si stocare a informatiilor. In tabel este prezentata evolutia catorva parametri care redau aceste modificari.

Dezvoltarea releelor digitale Releele de protectie au devenit dispozitive multifuncionale universale, numite generic IED . Functile care nu au ca scop protectia, cum ar fi masurarea, monitorizarea, controlul si automatizarea ocupa un spatiu din ce in ce mai mare in scopul si functia releului.

Relee moderne de protectie

Protectia completa a unei instalatii din sistemul electroenergetic (transformatoare, linii) poate fi acum realizata prin utilizarea catorva asemenea relee integrate. De exemplu, protectia unui mare grup

21

generator poate fi realizata cu doua sau trei asemenea relee, fiecare realizand aproximativ 15 functii de protectie. Folosind relee traditionale era nevoie de metri cubi de ‘cutii negre’ pentru a realize aceste functii. Protectiile de baza digitale au suferit numeroase teste in laboratoare precum si in situ, astfel ca ele sunt foarte bine stabilite si cunoscute. In ultimii ani ele au fost imbunatatite prin aplicarea algoritmilor inteligenti. Oferta de functii integrate acopera practica internationala. Utilizatorul poate opta intre diverse curbe si caracteristici ale impedantelor. Masurarea si inregistrarea evenimentelor sunt functii standard oferite de releele mici actuale. Erori de doar 1% in cazul masurarii curentilor si tensiunii si 2% pentru puterea activa sau reactiva sunt destul de des intalnite. Timpul de stocare al inregistrarilor erorilor este in general de mai mult de 10s cu o rezolutie de 600 pana la 2400 Hz, depinzand de tipul de releu. Monitorizarea calitatii energiei este in general realizata de releele moderne. Inregistarea fluctuatiilor in tensiune mai mari de 10s si a armonicelor de ordinul 5 pana la 10 este suficienta in cele mai multe cazuri. Monitorizarea regimurilor tranzitorii rapide si armonicilor inalte (pana la ordinul 50) ar necesita spatii de memorie mult mai mari. Dezvoltarea tehnologica continua si reducerea preturilor componentelor hardware vor favoriza probabil integrarea acestor functii in releele de protectie. De-a lungul anilor a aparut o tendinta globala de combinare a functiilor de protectie si control in cadrul IED. Sfera de aplicare este data in special de retelele de distributie si de cele industriale. Aceste dispozitive universale integreaza toate functiile secundare ale unei statii cu exceptia masurarii incasarilor. Bazandu-ne pe capacitatea proprie de monitorizare a IED moderne, intretinerea prin auto-control s-a constituit intr-un important factor de reducere a costurilor. Studiile teoretice arata ca fiabilitatea unei protectii digitale este comparabila cu cea a unei protectii analogice redundante, asigurand in acelasi timp siguranta sporita in ceea ce priveste operarea gresita. Desigur ca nici cel mai bun

concept de

automonitorizare nu poate acoperi in proportie de 100% o schema de protectie. In general se recomanda intertinerea unor astfel de dispozitive o data la 5 ani, nu mai mult insa de 10 ani. Un studiu asupra motivelor penelor de curent si asupra performantelor protectiilor a relevat faptul ca alegerea protectiilor era in general buna. Existau insa, o serie de operatii gresite efectuate asupra protectiilor de linie. Mai multa atentie ar trebui acordata setarii releelor si coordonarii acestora cu capacitatea de incarcare a grupurilor generatoare. Studiul a mai relevat ca eliminarea rapida a defectelor, in special a celor aparute pe bare, este vitala pentru stabilitatea sistemului. Dublarea protectiei si prevederea situatiilor in care intruptoarele refuza sa declanseze sunt cruciale, in special pe barele importante si liniile de inalta tensiune. Pe inalta si foarte inalta tensiune, protectii redundante cu relee singulare au fost pastrate in paralel cu modificarile aparute privind introducerea de relee digitale. Relee cu principii de masurare diferite (de exemplu protectiile diferentiale si de distanta) sau relee de provenienta diferita sunt preferate. Functiile de control sunt efectuate de unitati independente aflate pe linii.

22

Odata cu introducerea comunicatiilor digitale din ce in ce mai multe protectii diferentiale sunt aplicate liniilor electrice aeriene pe distante de pana la 100 km lungime. Acestea garanteaza selectivitatea fazei si a zonei pentru orice tip de scurtcircuit. Folosirea acestora este avantajoasa in special in cazul configuratiilor complexe de linii. Protectiile diferentiale si de distanta sunt considerate o combinatie ideala pentru liniile de inalta tensiune. Transferul datelor prin intermediul unor retele de comunicatii necesita o planificare atenta. In aceste cazuri sincronizarea GPS ar putea fi necesara. In cazul liniilor scurte de pana la 30 km o conexiune directa back to back a releelor de la capetele liniilor este posibila in special datorita utilizarii fibrei optice. Imbunatatirea localizarii defectelor este unul din subiectele preferate ale studiilor si articolelor recente. In cele mai multe cazuri sunt discutate metode noi si imbunatite care propun reducerea influentei factorilor cum sunt rezistenta defectului, cuplarea liniilor paralele. Detectarea defectelor bazate pe masurarea reactantei, ca functie integrata a releelor de distanta are o precizie de aproape 1% in conditii favorabile. Desigur ca vor aparea erori mai mari odata cu cresterea rezistentei defectului. In acest domeniu imbunatatirile vor aparea odata cu introducerea sincronizarii bazate pe GPS a achizitiilor de date si procesarii de informatii la ambele capete ale liniei. O precizie mai mare este obtinuta prin localizarea defectelor cu ajutorul undelor calatoare. In acest caz localizarea defectelor se estimeaza prin masurarea diferentei de timp in propagarea undelor purtatoare la capetele liniei. Folosirea filtrelor digitale si ale algoritmilor inteligenti au imbunatatit sensibil performanta protectiei diferentiale a transformatorului. Functiile integrate variaza de la suprasarcina si curent maximal la defecte de punere la pamant si supraexcitare. Controlul si monitorizarea transformatorului sunt de asemenea integrate in unele dispozitive combinate. Unitatile cu porturi sunt conectate la o unitate centrala prin legaturi de fibra optica. Algoritmii sofisticati garanteaza atingerea independentei in cazul saturarii sistemului. O replica a izolatiei este realizata prin intermediul software-ului si poate fi adaptata la cele mai complexe configuratii de bare prin intermediul programelor de setare. Protectiile digitale cu impedanta scazuta sunt oferite chiar si in regiuni care tranditional aveau o impedanta mare, deoarece in principiu protectile de impedanta mare nu pot fi integrate prin tehnologia digitala. O preocupare recenta o reprezinta schemele de protectie a sistemelor (SPS). Ele opereaza pe baza achizitiei de informatii din sistem si incearca sa evite caderea sistemului care poate aparea in conditiile puterii active sau reactive instabile (ca o consecinta a scaderii tensiunii sau frecventei sau pierderii sincronismului). In mod normal se incearca atingerea stabilitatii partiale a retelei prin divizarea sistemului, previziunea sarcinii si controlarea puterii generate. SPS-urile sunt menite sa functioneze in starea initiala de instabilitate, inainte de aplicarea masurilor de control a sismului. Exista o serie de SPS-uri care functioneaza in prezent in Japonia.

23

Tendinta actuala este de a dezvolta protectii combinate si IED-uri controlate, aceasta deoarece se impune reducerea costurilor. Reducerea conglomeratelor de cutii negre la doar un releu multifunctional economiseste atat spatiul cat si numarul de cabluri utilizate. Panouri cu echipamente de comutatie integrate care utilizeaza transformatoare de curent si tensiune mici castiga din ce in ce mai mult teren. Retelele traditionale urbane utilizeaza protectii diferentiale. Noile relee digitale trebuie sa se potriveasca cu cablurile existente. De aceea principiile compararii analogice de curent sunt pastrate dar upgradate la standardelele releelor digitale. Pentru conexiunile cablurilor scurte pot fi folosite relee cu comunicatii digitale. Dezvoltarea generarii distribuite necesita reconsiderarea protectiei distributiei. In multe cazuri trecerea la relee directionale presupune comunicarea cu generatoarele distribuite. O problema in acest sens este pierderea protectiilor principale datorita faptului ca releele care functioneaza la frecventa si tensiunea traditionale sunt prea lente sau insensibile. Desi au fost propuse un numar de principii noi, aceste probleme nu au fost rezolvate. Detectarea rapida a defectelor si imbunatatirea capacitatilor sistemului de a furniza energie de calitate devin din ce in ce mai importante. In acest scop defectele de puneri la pamant si indicatorii de scrutcircuit sunt evaluati impreuna cu calcularea distantei pana la defect. Managementul modern al defectului include automat achizitia si procesarea acestor date. Rezultatele sunt indicate intr-o forma grafica in camera de comanda. Detectarea defectelor cu rezistenta mare (conductoare puse la pamant) a fost studiata indelung. Algoritmii propusi se bazeaza pe analiza formei de unda si recunoasterea caracteristicilor tipice ale arcului. Un studiu recent a relevat faptul ca un algoritm potrivit pentru aplicatii practice nu a fost descoperit inca in ciuda eforturilor depuse. Controlul si protectia integrate au aprut initial la mijlocul anilor ’80 si s-au dezvoltat de atunci la solutii complete de automatizari ale statiilor. Sisteme simple pentru retelele de distributie sau industriale folosesc protectia combinata de linie, IED-uri pentru control si o unitate centrala de tip PC. Alternativ se pot folosi RTU-uri cu porturi de intrari - iesiri descentralizate. Ethernet este general acceptat ca o retea locala in substatii. Sistemele mari folosesc o unitate centrala speciala si porturi separate pentru control. La aceste porturi sunt in general conectate relee de protectie independente. Functia de control la distanta este emulata in unitatea centrala. Standarul IEC 60870-5-101 a fost intre timp adoptat pentru comunicatiile intre statie si camera de comanda. Comunicatiile directe pin cu pin intre porturi sunt de asemenea oferite. Ele sunt folosite pentru control dar nu si pentru protectie datorita timpului mare de reactie (100ms). In figura urmatoare este redata comunicatia intr-o statie automatizata.

24

Procesul de comunicare intr-o statie automatizata Ultima tendinta este folosirea tehnologiei internet in cadrul retelelor Intranet sau Internet. Mai multi vanzatori ofera sisteme de automatizare cu server internet integrat. In acest mod datele achizitionate pot fi transmise cu costuri foarte mici intr-o retea Intranet si distribuita catre mai multi utilizatori. Lucrarile de mentenanta, de exemplu implementarea de noi functii, poate fi in acest caz efectuata direct in serverul central. Releele si alte dispozitive sunt in acest caz conectate la server printr-un canal de comunicatie Ethernet. Informatiile sunt adunate intr-o baza de date a serverului si pot fi accesate prin proceduri standard ASP. Exista vanzatori americani care au mers mai departe si ofera sisteme de monitorizare in care datele sunt administrate de pe propriul server al vanzatorului. Utilizatorul trebuie doar sa-si instaleze releele si dispozitivele in statii si sa le conecteze la internet prin furnizorul local. Accesul persoanelor neautorizate este restrictionat prin folosirea de parole, proceduri de autentificare si firewalls.

Sisteme de protectie ale generatoarelor Masina sincrona reprezinta elementul electric cel mai important si cel mai costisitor. Un generator sincron trebuie protejat: •

impotriva defectelor interne (in rotor si in stator);

•

improtriva regimurilor anormale de functionare. Defectele interne in statorul masinii sincrone generatoare sunt:

25

•

scurtcircuitele polifazate – reprezentand defectul intern cel mai grav;

•

puneri la pamant monofazate (respectiv la carcasa masinii) – care provoaca topirea prin arc electric a fierului statoric si – in unele cazuri – degenereaza intr-un scurtcircuit polifazat;

•

scurtcircuite intre spirele aceleiasi faze – care determina supraincalzirea bobinajelor si creeaza pericolul unui scurtcircuit intre faze. Defectele interne in rotorul masinii sincrone generatoare sunt:

•

simpla punere la pamant – intr-un punct al circuitului de excitatie; evident un astfel de defect nu reprezinta un pericol imediat si poate fi numai semnalizat la releele protectiei;

•

dubla punere la pamant – in doua puncte ale circuitului de excitatie, care determina deteriorarea masinii sincrone generatoare si scaderea accidentala a curentului de excitatie, provocand, in ultima instanta, pierderea stabilitatii functionarii. Regimuri anormale de functionare ale unui generator sincron sunt:

•

supraintensitatile provocate de scrutcircuitele exterioare generatorului sau de suprasarcini (care provoaca uzura, imbatranirea izolatiei);

•

cresterea curentului de secventa inversa (care determina incalziri suplimentare sau vibratii in masina sincrona);

•

cresterile de tensiune (care provoaca distrugerea treptata a izolatiei);

•

trecerea la functionarea in regim de motor (in cazul unor defectiuni ale turbinei care antreneaza generatorul);

•

supratemperaturi datorita defectelor in sistemul de racire (care conduc, de asemenea, la uzura si imbatranirea izolatiei). In functie de defect sau de regimul anormal impotriva caruia trebuie sa actioneze, sistemele de

protectie prin relee ale generatorului sincron indeplinesc una sau mai multe din urmatoarele functiuni: •

comanda declansarea intreruptoarelor;

•

comanda actionarea automatului de dezexcitare rapida;

•

semnalizeaza regimurile anormale de functionare. Un exemplu de releu digital modern

care

realizeaza

protectia

diferentiala a liniilor electrice este releul DGP

produs

de

General

Electric

Company, ale carui functii de protectie sunt descrise pe scurt in continuare. Functiile de protectie pe care acest releu le realizeaza sunt prezentate in

Releul DGP de protectie a generatoarelor sincrone 26

tabelul 5.1, alaturi de codurile ANSI atribuite fiecarei functii. Reprezentarea diagramei monofilare a acestui releu este prezentata in figura 5.2 Diferentiala statorica este functia care asigura protejarea cu viteza foarte mare a statorului generatorului in timpul defectelor pe doua sau trei faze. Functia nu va opera in conditiile de aparitie unor defecteturn to turnin legaturile masinii. Nu va opera de asemenea daca doar o faza e pusa la pamant si sistemul nu are legatura la pamant sau legaturile au impedanta prea mare. Protejarea in cazul punerii la pamant a unie faze presupune ca neutrul masinii (sau alta masina cae functioneaza in paralel) sa fie pus la pamant. O mica portiune a legaturii langa neutru nu va fi protejata, marimea ei fiind determinata de tensiunea necesara pentru generarea unui curent minim care sa treaca prin impedanta dintre neutru si pamant. Exista dispozitive care limiteaza acest curent prin cresterea impedante. Exista mai multe cauze care duc la dezechilibarea generatorului cum sunt sarcinile dezechilibrate, defectele dezechilibrate si circuitele deschise. Componenta de secventa inversa a curentului statoric I 2 este direct legata de astfel de dezechilibre si genereaza un camp de flux cu o rotatie inversa. Aceasta rotatie in sens invers duce la incalzirea locala in fierul rotoric. Capacitatea generatoarelor de a rezista la incalzirea provocata de curentii dezechilibrati este exprimata sub forma unei constante ( I 22 * T = ct ) si este specificata de producator.

Functia de protectie Diferentiala statorica Dezechilibrarea curentilor Pierderea excitatiei Functionarea in regim de motor Supracurent temporizat cu nivel impus al tensiunii Punerea la pamant a statorului Supracurentul de punere la pamant Supraexcitarea Supratensiune Subtensiune Sub si suprafrecventa Defectarea sigurantei transformatorului de tensiune

Codul ANSI 87G 46 40 32 51V 64G1, 27TN 51GN 24 59 27 81 VTFF

Functiile de protectie ale DGP Functia de protectie are caracteristici de operare-timp exprimate sub forma I 22 * T = k . Este incorporata si o resetare cu caracteristica liniara, care aproximeaza racirea generatorului ca urmare a dezechilibrarii curentilor. Aceasta functie de protectie dispune si de o alarma in cazul aparitie curentilor dezechilibrati, care opereaza pe baza componentei de secventa inversa a curentului, fiind setata cu un anumit timp de intarziere.

27

Functia impotriva pierderii excitatiei are rolul de a detecta pierderea excitatiei la masinile sincrone. Ea include doua caracteristici mho, fiecare cu timpi de intarziere si declansare ajustabili. Aceasta functie este blocata de prezenta tensiunii de secventa inversa (care indica o eroare la siguranta de tensiune a transformatorului). Excitatia se poate pierde datorita declansarii nedorite a intreruptorului, deschiderea sau suntarea circuitului legaturii de camp, defectarea regulatorului sau pierderea sursei legaturii de camp.

Schema monofilara a DGP Pierderea excitatiei poate deteriora masina si, mai mult, poate duce la aparitia unor defecte in sistem. Cand un generator sincron isi pierde excitatia, va tinde sa functioneze ca un generator inductiv. Va functiona la o viteza mai mare decat cea nominala, va genera o putere mai mica si se va excita din sistem. Impedanta observata de un releu legat la generator va depinde de caracteristica masinii, nivelul sarcinii inaintea pierderii excitatiei si cauza pierderii excitatiei. Studiile indica ca prima zona mho a functiei de protectie e bine sa fie setata pentru detectarea cazurilor grave de pierdere a excitatiei cu un timp de intarziere foarte scurt, iar a doua zona pentru celelalte cazuri de pierdere a excitatiei. Pentru aceasta a doua zona, timpul de intarziere este mai mare. Sistemul trebuie protejat de contributia generatoarelor la un defect. Releul are o functie de supracurent temporizata cu tensiunea maxima de 51V integrata, pentru a asigura protectia de rezerva a sistemului. Aceasta functie e supravegheata de un detector de defecte si de siguranta de tensiune a statorului. Un algoritm separat este procesa pentru fiecare faza, cu impunerea tensiunii maxime pe faza. Acest nivel maxim de tensiune este proportional cu amplitudinea tensiunii pe fiecare faza in parte. Functia de protectie impotriva punerii statorului la pamant are rolul de a detecta defectele de punere la pamant a statorului intr-un sistem generator legat la pamant printr-o impedanta foarte mare. Sunt acoperite in intregime toate legaturile statorice prin aceasta functie. In mod normal neutrul statorului generatorului are un potential apropiat de cel al pamantului. Cand apare un defect de punere la pamant, potentialul neutrului va creste (cu exceptia cazului in care defectul e

28

foarte aproape de neutru). Functia 64G de protectie va detecta supratensiuniea din neutru pentru aproximativ 95% dintre legaturile statorice, depinzand de supratensiunea cu franare setata. Functia 27TN detecteaza armonicile de gradul 3 ale supratensiunii neutrului si se foloseste prin legarea la un transformator de tensiune conectate in stea sau triunghi. Procentajul legaturilor statorice acoperite de aceasta functie depinde de nivelul cu franare al supratensiunii ca si de armonicile de ordinul 3 ale tensiunii neutrului (VN3) generate la momentul defectului. Marimea VN3 depinde de mai multi factori ca tipul generat, curentul de sarcina, factorul de putere al sarcinii, starea sistemului, etc. Supraexcitarea poate fi cauzata de defectarea regulatorului, rejectarea sarcinii sau o supraexcitare in cazul in care generatorul nu e conectat. Poate rezulta si din descresterea vitezei atunci cand un operator incearca sa mentina constanta tensiunea statorului. Protectia contra supraexcitare contine functia de declansare si alarma.

Sisteme de protectie ale transformatoarelor Alegerea schemelor de protectie a transformatoarelor electrice depinde de particularitatile schemei de conexiuni a statiei in care acestea sunt instalate. Se prevad: •

protectii impotriva defectelor (scurtcircuitele polifazate sau monofazate) in transformator;

•

protectii impotriva regimurilor anormale de functionare (impotriva supra sarcinilor si a scaderii nivelului de ulei in cuva – actionand la semnalizare si impotriva supraintensitatilor provocate de scurtcircuitele exterioare – actionand la declansare). Prin zona protejata se intelege portiunea cuprinsa intre intreruptoarele care leaga transformatorul

de sistem, incluzand conductoarele de legatura spre barele colectoare. Se prevad urmatoarele tipuri de protectii: •

importiva scurtcircuitelor in interiorul zonei protejate: -

protectie diferentiala longitudinala – in cazul transformatoarelor cu putere aparenta S

≥ 10000 kVA sau cu puteri S < 10000 kVA -

sectionarea de curent – pentru celelalte transformatoare protectia cu relee de gaze – pentru transformatoare cu puteri peste 1000 kVA

•

impotriva supraintensitailor provocate de scurtcircuitele exterioare: -

protectia maximala de curent, cu sau fara bloaj de tensiune minima;

-

protectii de distanta – pentru transformatoare cu puteri superioare lui 200MVA, sau cand protectiile maximale de curent nu sunt suficient de sensibile

•

impotriva suprasarcinilor: protectii maximale de curent.

29

Un exemplu de releu digital modern care realizeaza protectia diferentiala a liniilor electrice este releul 745 produs de General Electric Company, ale carui functii de protectie sunt descrise pe scurt in continuare. In tabelul 6.1 sunt prezentate principalele functii de protectie pe legatura. Reprezentarea grafica a acestor functii este realizata in schema monofilara din figura 6.2 Functia de protectie (legatura 2) Maximala de curent instantanee de secventa negativa Maximala de curent temporizata de secventa negativa Maximala de curent instantanee pe faza 1 Maximala de curent instantanee pe faza 2 Maximala de curent instantanee pe neutru 1 Maximala de curent instantanee pe neutru 2 Maximala de curent instantanee de punere la pamant 1 Releul de 745curent de protectie a transformatoarelor Maximala instantanee de punere la pamant 2 Maximala de curent temporizata pe faza Maximala de curent temporizata pe neutru Maximala de curent temporizata de punere la pamant Diferentiala de punere la pamant Factorul de distorsiune Curentul necesar

Simbolul ANSI 250/46 251/46 250P1 250P2 250N1 250N2 250G1 250G2 251P 251N 251G 287TG 2THD 2AD

Functiile de protectie ale releului 745 pe o legatura Sistemul SR 745 este un Releu pentru Managementul TransformatoarelorTM, trifazat, foarte rapid, bazat pe multiprocesor, proiectat pentru a asigura protectie de baza si management pentru tranformatoare de putere mici, medii cu doua sau trei infasurari. In releul SR 745 se combina elemente de protectie ca diferential procentual, maximal de curent, frecventa si supraexcitatie alaturi de monitorizarea anumitor armonici si THD (distorsiuni armonice totale) intr-un singur ansamblu economic.

30

Schema monofilara a releului 745 Releul dispune de o varietate de caracteristici de protectie adaptive: Frânare la Armonici, care rezolva problema declansarilor false in timpul magnetizarilor, Elemente Maximale de Curent cu Temporizare, care-si modifica propriul reglaj de actionare pe baza puterii calculate a transformatorului când alimenteaza o sarcina cu continut mare de armonici, Seturi Multiple de Reglaje, care permit utilizatorului sa selecteze in mod dinamic pâna la 4 grupe de reglaje adaptand astfel cerintele de protectie la diferite configuratii din sistem, Egalizare Dinamica a Raportului de Transformare a Transformatoarelor de Curent, care monitorizeaza pozitia comutatorului de ploturi si egalizeaza in mod automat raportul de transformare a TC si in fine FlexLogicTM care permite ca ecuatiile logice care folosesc intrari logice si elemente de protectie sa fie asignate la oricare din iesirile releului SR 745. O functie puternica de testare si simulare oferita de SR 745 este Modul Simulare. Acest lucru confera inginerului protectionist posibilitatea de a testa functionarea releului pe baza informatiilor legate de forma de unda inregistrata sau generata pe calculator, care poate fi convertita in format digitizat si incarcata in bufferul de simulare al releului SR 745 pentru “playback”. SR 745 dispune de asemenea de functia sa proprie de Oscilografiere care inregistreaza datele pentru forma de unda in caz de defect, punere sub tensiune sau stari de alarma.

31

Functia de autoconfigurare elimina necesitatea realizarii oricaror conexiuni speciale la transformatoarele de curent permitând conectarea tuturor transformatoarelor de curent in stea.

Definirea releelor de protecţie. Funcţii. Cerinţe.

Un sistem de protecţie prin relee este alcătuit din totalitatea dispozitivelor şi aparatelor destinate să asigure, în mod automat, deconectarea unei instalaţii la apariţia unui defect sau regim anormal de funcţionare periculos pentru instalaţie, sau cel puţin să semnaleze aceasta.

Protecţia prin relee a generatoarelor sincrone Generatorul sincron este echipamentul electric cel mai important şi cel mai scump din centrală. Normativele prevăd protecţii obligatorii împotriva defectelor interne în stator şi rotor şi împotriva regimurilor anormale de funcţionare. •

Defectele interne în stator: - scurtcircuite polifazate; - scurtcircuite între spirele aceleiaşi faze (care supraîncălzesc înfaşurările , distrug izolaţia şi creează pericolul unui scurtcircuit între faze); - puneri la pământ monofazate în stator (care provoacă topirea prin arc electric a fierului statoric şi pot degenera într-un defect polifazat).

•

Defectele interne în rotor: - simpla punere la pământ într-un punct al circuitului de excitaţie rotoric; - dubla punere la pământ care provoacă distrugerea maşinii , pierderea excitaţiei şi a stabilităţii funcţionării .

•

Regimuri anormale de funcţionare: Kextprovocate de scurtcircuite exterioare sau suprasarcini; - supraintensităţi - creşterea curentului de secvenţă inversă; IL - creşterea de tensiune la borne; - supratemperaturi provocate de defecte în sistemul de răcire; - trecerea la funcţionare în regim de motor, când generatorul antrenează turbina; U

Normativele prevăd următoarele 10 protecţii pentru un generator sincron (figura 2.1): IG 1. Kint G.S.

3 ~

I

5.

T

9.

U<

32 ADR

8.

R Pex U> T

6. 2.

Ih

(Uh)

T

I T

3.

I-I

4.

|| I ||

7.

RDPP

10.

RPI

RSPP

Sistemele de protecţii prin relee pentru un generator sincron 1.

protecţia maximală de curent împotriva supraintensităţilor provocate de scurtcircuitele exterioare,cu sau fără blocaj de tensiune minimă; 2. protecţia maximală de curent împotriva supraintensităţilor provocate de suprasarcină ; 3. protecţia diferenţială longitudinală împotriva scurtcircuitelor polifazate în stator; 4. secţionarea de curent împotriva scurtcircuitului polifazat în stator ; 5. protecţia diferenţială transversală împotriva scurtcircuitelor între spirele aceleiaşi faze statorice; 6. protecţia homopolară împotriva punerilor la pământ în stator; 7. protecţiile rotorice împotriva simplei şi dublei puneri la pământ; 8. protecţia împotriva reducerii/ pierderii excitaţiei; 9. protecţia împotriva creşterilor de tensiune; 10. protecţia de putere inversă direcţionată împotriva trecerii generatorului la funcţionarea în regim de motor.

Aceste protecţii se pot realiza cu relee analogice cu contacte sau în variante hibride ce conţin relee fără contacte cu comutaţie statică, elemente de ieşire cu contact, dar şi cu automat programabil şi microprocesoare care preiau funcţiile de protecţie şi funcţionează pe baza unor subrutine specializate. Sistemele de protecţie ale generatoarelor acţionează la semnalizare şi/sau declanşare concomitent cu acţionarea automatului de dezexcitare rapidă ADR(figura 2.2)

33

Schema de principiu a automatului de dezexcitare rapidă (ADR)

În cazul defectelor interne ale generatorului, dacă nu există ADR, generatorul ar continua să se rotească şi ar alimenta arcul de la locul de defect provocând în final distrugerea maşinii. În cazul scurtcircuitelor exterioare, generatorul rămâne în gol, se supraturează şi tensiunea la borne creşte nepermis de mult. Simultan cu funcţionarea protecţiilor la declanşare se transmite impulsul ce acţionează ADR , care întrerupe circuitul rotoric şi îl comută pe R1 (rezistenţa de stingere a câmpului) şi în urma deschiderii contactului 3 introduce o rezistentă R2 suplimentară de 10 ori mai mare decât rezistenţa înfăşurării de excitaţie a excitatorului limitând curentul de excitaţie şi evitând producerea de supratensiuni la bornele GS.

34

Releu static de temporizare tip RST-2D cod RS76090D •

Tensiuni nominale U: 24...220 V c.c

•

Număr contacte: max. 2 comutatoare

•

Tensiune maxima pe durata: 6A

•

Domeniul de temporizare: 0,1s ... 10h

Releu static de temporizare RST-301 cod N87067 •

Tensiuni nominale U: 24...110 V c.c; 24...220 V c.a.

•

Număr contacte: max. 2 comutatoare

•

Tensiune maxima pe contacte: 250V c.c.

•

Curent maxim pe durata:6A

•

Domeniul de temporizare: 0,1s ... 12 min.

Releu static de măsura tensiune tip RSMT-1 cod RS-74766 •

Tensiuni nominale U: 24 V c.c; 220 V c.a.

•

Număr contacte: max. 1 normal închis; 1 normal deschis

•

Tensiune maxima pe contacte: 220V c.c.

•

Curent maxim pe durata: 5A

35

Releu de semnalizare tip RSE-3 •

Tensiuni nominale U: 12...220 V c.c;

•

Curenţi nominali: I:0,01 ... 5A

•

Număr contacte: max. 2 comutatoare

Releu miniatura tip RM-4 cod RS-73502 •

Tensiuni nominale U: 6...60 V c.c

•

Număr contacte: max. 6 comutatoare

•

Tensiune maxima pe contacte: 60 V c.c.; V c.a.

•

Curent maxim pe contacte:1A

Releu miniatura tip RM-6 cod N-82006 •

Tensiuni nominale U: 6...65 V c.c

•

Număr contacte: max. 2 comutatoare

•

Tensiune maxima pe contacte: 250V c.c.; V c.a.

•

Curent maxim pe contacte:6A

Releu intermediar tip RI-13 cod RS-72500 •

Tensiuni nominale U: 6...220 V c.c; V c.a.

•

Număr contacte: max. 3comutatoare

•

Tensiune maxima pe contacte: 220V c.c.; V c.a.

•

Curent maxim pe contacte: 6A

36

Releu intermediar tip RI-33 cod RS-74650 •

Tensiuni nominale U: 6...220 V c.c; V c.a.

•

Număr contacte: max. 3comutatoare

•

Tensiune maxima pe contacte: 220V c.c.; 380 V c.a.

•

Curent maxim pe contacte: 16A

37

38

Relee intermediare. In aceasta sectiune sunt prezentate urmatoarele familii de relee : •

relee miniatura tip ZT - sunt relee cu montaj pe soclu, cu doua sau patru contacte basculante si tensiuni de alimentare de 6, 12, 24, 48, 110 si 230Vca/cc. Curentul nominal al contactelor este de 5A.

•

relee multifunctionale tip MT - sunt relee cu montaj pe soclu, cu doua sau trei contacte basculante si tensiuni de alimentare de 6, 12, 24, 48, 110 si 230Vca/cc. Curentul nominal al contactelor este de 10A. Soclul este special construit astfel incat se pot adauga module de protectie cu dioda, de temporizare sau grupuri RC.

•

relee de putere tip RM - sunt relee cu montaj pe soclu sau cu conectare prin papuci, cu unul, doua sau trei contacte basculante si tensiuni de alimentare de 6, 12, 24, 48, 110 si 230Vca/cc. Curentul nominal al contactelor este de 10, 16, 25 sau 30A.

•

relee miniatura tip RP I, RP II - sunt cu montaj pe soclu sau direct pe circuit imprimat, cu unul sau doua contacte basculante si tensiuni de alimentare de 6, 12, 24, 48, 110 sau 230Vca/cc. Curentul nominal al contactelor este de 8 sau 12A.

•

relee temporizatoare tip ZR - sunt de temporizare multifunctionale, cu montaj pe soclu sau pe sina, cu unul sau doua contacte basculante si alimentare intre 24-230Vca/cc. Temporizarea poate fi facuta intre 0,1 secunde pana la 10 ore, iar curentul nominal al contactelor este de 8A.

•

relee tip UR - sunt relee de monitorizare a tensiunii, a curentului, a fazelor intr-o retea trifazata sau de urmarire a nivelului intr-un rezervor de lichid, de asemenea relee de comanda pentru reglarea nivelului (inclusiv sonde).

39

Relee şi declanşatoare termice Construcţie şi caracteristici Releele şi declanşatoarele termice sunt construite pe baza unor lamele bimetalice (două lamele metalice, cu coeficienţi de dilatare termică diferiţi, laminate împreună) încălzite de curentul din circuitul protejat: - fie direct, prin înseriere în circuit;

- fie indirect, printr-o înfăşurare de încălzire dispusă în jurul lamelei, - fie mixt (direct şi indirect). În cazul curenţilor mari, se foloseşte un transformator de curent. Releele termice de protecţie care funcţionează în curent alternativ sunt în general tripolare; trei lamele bimetalice sunt conţinute într-o carcasă comună. Releele sunt de regulă compensate (fiind insensibile la variaţia temperaturii ambiante) şi prevăzute cu un dispozitiv sensibil la întreruperea unei faze (funcţionarea în monofazat). Revenirea în starea iniţială după funcţionare (rearmarea) se poate face manual sau automat. Releele termice sunt asociate cu contactoare, având un contact de deschidere (normal închis) înseriat în circuitul bobinei de acţionare a contactorului. Declanşatoarele termice sunt în execuţie unipolară, fiind înglobate în întreruptoare, putând provoca deschidere aparatului prin dezăvorârea mecanismului de menţinere în poziţia închis. Curentul nominal (de serviciu) In este curentul nominal al lamelei bimetalice. Gama de curenţi nominali cuprinde un număr de valori discrete (tab. 6.7.1). Curentul nominal al unui bloc de relee termice (realizat ca element independent) se constituie întro scară de valori discrete, cu mai puţine trepte decât In, într-un bloc putând fi montate lamele având curenţi de serviciu într-o anumită gamă (tab. 6.7.1). Tabelul 6.7.1 Trepte de curent pentru relee termice (exemple)

I, A

Lamela (Is) 0,4 0,55 0,75 1,0 1,3 1,8 3,3 4,5 6 8 10 32 Bloc (In) --

11

16

20

25

32 --

40 63 -63

Pentru a putea acoperi toate valorile curentului din circuitul supravegheat, releul/declanşatorul poate fi reglat, într-o plajă stabilită, modificând, cu ajutorul unui şurub, cursa unghiulară pe care trebuie s-o efectueze extremitatea lamelei pentru a elibera dispozitivul care menţine releul/declanşatorul armat. Plajele de reglaj corespunzătoare diverselor valori ale curentului de serviciu sunt alese astfel încât să se suprapună parţial, dând posibilitatea alegerii unui dispozitiv de protecţie pentru orice valoare a curentului din circuitul protejat. Curentul de reglaj Ir poate fi situat în una din plajele:

I r = ( 0,7 1) I n I r = ( 0,81) I n I r = ( 0,51) I n .

Caracteristica (de declanşare) timp-curent este o caracteristică descendentă, invers dependentă de curent (fig. 6.7.1, 6.7.2), indicată frecvent pentru funcţionarea pornind din stare rece (fără trecerea prealabilă a unui curent); declanşarea se produce după un timp cu atât mai scurt cu cât suprasarcina este mai mare. Declanşarea are loc după depăşirea unui prag cuprins între 105 şi 120% din valoarea curentului de reglaj. Timpii de declanşare în cazul când suprasarcina intervine după o încălzire prealabilă se reduc aproximativ la jumătate. Protecţia la suprasarcină în circuitele motoarelor trebuie realizată ţinând seama şi de particularităţile pornirii. Supracurentul de pornire nu trebuie interpretat drept curent de defect. De asemenea, aparatele de protecţie trebuie nu trebuie să acţioneze pe durata pornirii în diferite condiţii (de

40

exemplu, pornire în gol, porniri în sarcină la antrenarea unor maşini cu inerţie mare. Pentru a putea fi adaptate le caracteristicile motoarelor, au fost stabilite clase de declanşare (fig. 6.7.1, tab. 6.7.2). Tabelul 6.7.2. Clase de declanşare

Clasa 10A 10 20 30

Timp de declanşare, pornind din stare rece (fără sarcină iniţială) 1,05⋅ Ir 1,2⋅ Ir 1,5⋅ Ir 7,2⋅ Ir < 2 min 2 … 10 s , 4 min 4 … 10 s >2h <2h < 8 min 2 … 20 s < 12 min 2 … 30 s t

Clasa 10 Clasa 20 Clasa 30

x Ir

Fig. 6.7.1 Protecţia termică de clasa 10 (fig. 6.7.2) convine majorităţii situaţiilor practice (timp de pornire sub 10 s). Curentul de autoprotecţie este valoarea curentului (circa 10⋅ Is) care provoacă declanşarea aparatului comandat de releu/declanşator înainte ca lamela bimetalică să depăşească temperatura limită la care se menţin caracteristicile de material.

41

Clasa 10

t

x Ir 1 – funcţionare echilibrată trifazată, pornind din stare rece 2 – funcţionare în două faze, pornind din stare rece 3 - funcţionare echilibrată trifazată, pornind din stare caldă

Fig. 6.7.2 Alegerea releelor/declanşatoarelor termice a. alegerea curentului de serviciu Pentru motoare, se alege acea valoare a curentului de serviciu în a cărui plajă de reglaj se situează (recomandabil, cât mai aproape de limita superioară) curentul nominal al motorului:

I rt ≈ I nmot

b. alegerea curentului nominal al blocului de relee termice se face conform tabelului de corespondenţă între Irt şi In.

42