Для реле, реагирующих на две величины (реле сопротивления KZ и реле направления мощности KW), на вход измерительных органов необходимо подавать электрическую величину, пропорциональную геометрической сумме (или разности) напряжения Up и тока Ip. На рис.6.1 изображена структурная схема таких реле.
Рис. 1. Структурная схема реле сопротивления
Здесь: ИС- измерительная схема; СС-схема сравнения; ЛЧ-логическая часть; РС (KZ)-реле сопротивления.
Измерительная схема ИС может выполняться в виде двух согласующих трансформаторов.
Реле направления мощности и реле сопротивления широко используются в защитах электрических сетей высокого напряжения и контактных сетей тягового электроснабжения. На входы этих реле от трансформаторов напряжения и тока подводятся две электрические величины: соответственно Up и Ip. В зависимости от их соотношения реле KWи KZ срабатывают или не срабатывают.
Условия срабатывания этих реле удобно и наглядно представлять графически. Для этой цели вводят условную величину Zp, определяемую как отношение сигналов Upи Ip:
Zp= 
где Zp - комплексное отношение Up к Ip (сопротивление, измеряемое реле); Rp,Xp- соответственно активная и индуктивная составляющие отношения входных сигналов Up и Ip;φр - угол между векторами Upи Ip.
Характеристики и свойства подобного рода релеудобно рассматривать в комплексной плоскости сопротивлений Zp(рис. 6.2). По действительной оси этой плоскости откладывают активные, а по мнимой - реактивные составляющие. Положение вектора Zp на комплексной плоскости зависит от величин Up, Ip, φ p и определяется, следовательно, режимом работы электрической системы. Рассмотрим некоторую линию с двусторонним питанием, изображенную на рис. 6.3.. На подстанции П2имеется реле KZ, к которому через трансформаторы напряжения TVи тока ТА подводятся Up и Ip.
Рис. 2. Комплексная плоскость сопротивлений
Рис. 3. Схема подключения реле сопротивления к сети с двухсторонним питанием
Пусть в нормальном режиме мощность в линии направлена от шин П2к шинам ПЗ.Примем это направление мощности за положительное (сплошная стрелка на рис. 3).
Совместим начало координат комплексной плоскости с местом установки реле KZ.Изобразим на ней вектор сопротивления на зажимах реле в нормальном режиме Zpн(рис. 6.4). При активно-индуктивной нагрузке угол φрn не превышает, как правило, 20-40°, однако в некоторых режимах, например, при пусках мощных двигателей, он может быть и больше. Вектор Zpnрасполагается в квадранте I комплексной плоскости Z. В зависимости от значения и характера нагрузки конец вектора Zpn может оказаться в любой точке области Н. При активно-емкостной нагрузке вектор Zpn может смещаться в квадрант IV. Для режима короткого замыкания в линии характерно увеличение угла φрк до 50-80°.
Рис. 4. К анализу сопротивлений, измеряемых защитой.
Сопротивление на зажимах реле в этом режиме обозначим Zpk. Если КЗ происходит, например, в точке к1(см. рис. 6.3), то направление мощности по условию положительно, поэтому вектор Zpk = Zpk 1 будет находиться в квадранте I комплексной плоскости (см. рис. 6.4). В зависимости от места замыкания на участке П2-ПЗ конец вектора Zpk1 может оказаться в любой точке области K1. Если же КЗ произойдет на участке П1-П2, например, в точке к2, то направление мощности на участке, где установлена защита, изменится на противоположное (штриховая стрелка на рис. 6.3).
В этом случае вектор Zpk2 переместится в область К2,расположенную в квадранте III комплексной плоскости (см. рис. 6.4). Очевидно, что, когда конец вектора Zp =Z pннаходится в области Н (нормальный режим работы), реле не должно срабатывать. Если же конец вектора Z p = Zpk попадет в область К1или К2(режим короткого замыкания), реле должно сработать. В ряде случаев для обеспечения селективности требуется, чтобы реле срабатывало только тогда, когда конец вектора Z p =Zpk попадет в область К1, ине срабатывало, если он попадет в область К2.
Совокупность точек комплексной плоскости, соответствующих действию реле, называется областью срабатывания, а совокупность остальных точек - областью несрабатывания. Зоны срабатывания и несрабатывания разделяет граничная линия, которая называется характеристикой срабатывания реле в комплексной плоскости или угловой характеристикой. Пусть, например, характеристика реле имеет вид окружности 1. Если конец вектора сопротивления Zр попадет внутрь окружности, реле сработает, а если он окажется вне окружности, реле не сработает. В том случае, когда необходимо, чтобы реле срабатывало при попадании конца вектора Zр только в область К1, выбирают для реле такую форму характеристики, чтобы область К1оказалась внутри зоны срабатывания, а области Н и К2 - вне ее.
Реле сопротивления является основным исполнительным органом дистанционных защит. Как было сказано выше, его входы подаются две электрические величины: ток и напряжение и реле реагирует на их отношение. Реле срабатывает, если при данном угле φр между векторами тока и напряжения имеется отношение:
где - Zс.р. - сопротивление срабатывания реле.
В технике релейной защиты, в т.ч. и защитах тяговой сети переменного тока, наибольшее распространение получили реле полного сопротивления. Различают две разновидности реле полного сопротивления: ненаправленные (поведение реле зависит только от сопротивления Z и не зависит от сдвига φ между током и напряжением) и направленные (поведение реле зависит от сопротивления Z и от угла сдвига фаз φ). При применении направленных реле сопротивления можно не применять реле направления мощности.
На рис.6.5. представлена характеристика другого вида реле: ненаправленного реле сопротивления.
Рис. 5. Ненаправленное реле сопротивления
Для защиты тяговых сетей железных дорог однофазного тока в России применяется преимущественно направленные реле полного сопротивления ( за рубежом применяются также и реле активного или индуктивного сопротивления).
2. Типы схем сравнения двух электрических величин
В схемах сравнения могут сравниваться:
абсолютные значения подведённых величин;
фазы подведённых величин;
абсолютные значения величин и их фазы (одновременно).
а) сравнение абсолютных значений подведённых величин.
При сравнении абсолютных значений величин условие срабатывания определяется по условию:
Схема сравнения входных величин по фазе применяется для периодических сигналов, имеющих одинаковую частоту и имеет вид:
f1 ≤Y1+Y2 ≥ f2
где, f1, f2 - заданные постоянные углы; Y1 +Y2 - фазовый угол между входными сигналами U1 и U2.
Существуют различные типа схем сравнения:
с применением согласующих трансформаторов;
дифференциально- выпрямительные;
демодуляторные (фазочувствительные выпрямители, фазоповоротные схемы);
дифференциально- демодуляторные;
времяимпульсные;
импульсные.
На рис. 6 приведена измерительная схема сравнения с применением согласующих промежуточных трансформаторов.
На рис. 7. приведена дифференциально - выпрямительная схема сравнения абсолютных значений величин.
Рис. 6. Схема сравнения на промежуточных трансформаторах
Рис. 7. Схемы сравнения абсолютных значений входных величин:
а) структурная схема; б) схема с циркуляцией токов; в) схема, реагирующая на равновесные напряжения.