保護リレー

電気機械式リレーは、以下のようにいくつかの異なるタイプに分類できます。

「アーマチュア」型リレーは、ヒンジ^{[ 12 ]}またはナイフエッジピボットで支持された回転レバーを備え、可動接点が取り付けられています。これらのリレーは交流または直流のどちらでも動作しますが、交流の場合は、交流サイクル全体にわたって接点力を維持するために、極にシェーディングコイル^{[ 9 ] : 14}が使用されます。リレーが動作すると、固定コイルと可動アーマチュア間のエアギャップが大幅に小さくなるため、リレーを閉じた状態に保つために必要な電流は、最初に動作させるために必要な電流よりもはるかに小さくなります。「復帰比」^{[ 13 ]}または「差動」は、リレーをリセットするために電流をどれだけ減らす必要があるかを示す尺度です。

吸引原理の応用例として、プランジャー式またはソレノイド式のアクチュエータが挙げられる。リードスイッチ式リレーも吸引原理の一例である。

「可動コイル式」メーターは、検流計に似ており、固定磁石に巻かれたワイヤーのループを利用しますが、指針の代わりに接点レバーを備えています。これらのメーターは非常に高い感度で製造できます。別のタイプの可動コイル式メーターは、2本の導電性リガメントからコイルを吊り下げており、コイルが非常に長い距離を移動できます。

「誘導」ディスクメーターは、自由に回転するディスクに電流を誘導することで動作します。ディスクの回転運動によって接点が作動します。誘導リレーには交流電流が必要です。2 つ以上のコイルを使用する場合は、同じ周波数でなければ、正味の動作力は発生しません。^{[ 11 ]}これらの電磁リレーは、19 世紀後半にガリレオ・フェラリスによって発見された誘導原理を使用しています。誘導ディスク過電流リレーの磁気システムは、電力システムの過電流を検出し、特定の過電流制限に達したときに所定の時間遅延で動作するように設計されています。動作するために、リレーの磁気システムは、次の基本的な電流/トルク方程式に従って、金属ディスクに作用して接触させるトルクを生成します。^{[ 14 ]}

${\displaystyle T\propto \phi _{s}\times \phi _{u}\sin \alpha }$

どこ$\displaystyle \phi _{u}}$そして$\displaystyle \phi _{s}}$2 つのフラックスと${\displaystyle \alpha }$は磁束間の位相角である。

上記の式から、以下の重要な結論を導き出すことができる。^{[ 15 ]}

• トルク発生には、位相差のある2つの交流磁束が必要である。
• 2つの交流磁束が90度離れているときに、最大のトルクが発生する。
• 結果として生じるトルクは一定であり、時間の関数ではない。

リレーの一次巻線は、プラグブリッジ^{[ 16 ]}を介して電力系統の変流器から供給されます。このプラグブリッジは、プラグ設定乗数（psm）と呼ばれます。通常、7つの等間隔のタップまたは動作バンドによってリレーの感度が決定されます。一次巻線は上部電磁石に配置されています。二次巻線は、一次巻線から励磁され、下部電磁石に接続される上部電磁石上の接続部を持っています。上部および下部電磁石が励磁されると、金属ディスクに誘導され、磁束経路を流れる渦電流が発生します。この渦電流と磁束の関係により、2つの磁束経路が90°位相がずれているため、一次巻線の入力電流に比例したトルクが発生します。

過電流状態では、電流値がスピンドルの制御ばね圧力と制動磁石の圧力を上回る値に達し、金属ディスクが固定接点に向かって回転します。このディスクの初期移動は、ディスク側面に刻まれた小さなスロットによって、電流が一定の正の値に達するまで抑制されます。接点が接触するまでの回転時間は、電流だけでなく、スピンドルのバックストップ位置（時間乗数（tm）と呼ばれる）にも依存します。時間乗数は、全回転時間の10分割に分けられます。

リレーに汚れが付着していない限り、金属ディスクと接点付きスピンドルは固定接点に到達し、設計された時間と電流仕様の範囲内で、回路を遮断して遮断する信号を送信します。リレーのドロップオフ電流は動作値よりもはるかに低く、その値に達すると、制動マグネットによって制御される制御スプリングの圧力により、リレーは逆方向にリセットされます。

電子増幅器を保護リレーに適用する試みは、早くも1928年に真空管増幅器を用いて記述され、1956年まで続けられた。^{[ 17 ]}電子管を用いたデバイスは研究されたが、真空管増幅器の限界のため、商業製品として応用されることはなかった。真空管のフィラメント温度を維持するためには比較的大きな待機電流が必要であり、回路には扱いにくい高電圧が必要であり、真空管増幅器はノイズによる妨害で誤動作を起こしやすいという問題があった。

静的リレーは可動部品がほとんどなく、トランジスタの導入により実用的になりました。静的リレーの測定要素は、ダイオード、ツェナーダイオード、アバランシェダイオード、ユニジャンクショントランジスタ、pnpおよびnpnバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、またはそれらの組み合わせから、経済的に構築されています。^{[ 18 ]： 6}静的リレーは、出力接点を動作させるための電力が信号回路からではなく、別の電源から供給されるため、純粋な電気機械式リレーよりも感度が高いという利点があります。静的リレーは接点のバウンスを排除または低減し、高速動作、長寿命、低メンテナンスを実現できます。^{[ 19 ]}

デジタル保護リレーは、1960 年代後半にはまだ黎明期でした。^{[ 20 ] [ 21 ]}実験的なデジタル保護システムは、1970 年代初頭に研究室と現場でテストされました。^{[ 22 ] [ 23 ]}上記のリレーとは異なり、デジタル保護リレーはハードウェアとソフトウェアの 2 つの主要部分から構成されています。^{[ 24 ] : 5}。世界で初めて市販されたデジタル保護リレーは、1984 年にワシントン州プルマンに拠点を置く Schweitzer Engineering Laboratories (SEL) によって電力業界に導入されました。^{[ 3 ]}保護機能を実装するための複雑なアルゴリズムの開発にもかかわらず、1980 年代に販売されたマイクロプロセッサベースのリレーには、それらは組み込まれていませんでした。^{[ 25 ]} マイクロプロセッサベースのデジタル保護リレーは、多くの個別の電気機械式機器の機能を置き換えることができます。これらのリレーは、電圧と電流をデジタル形式に変換し、結果として得られた測定値をマイクロプロセッサを使用して処理します。デジタルリレーは、1 つのデバイスで多数の個別の電気機械式リレーの機能をエミュレートできるため、^{[ 26 ]}保護設計と保守が簡素化されます。各デジタルリレーは、準備完了を確認するための自己テストルーチンを実行し、故障が検出された場合はアラームを発することができます。デジタルリレーは、通信 ( SCADA ) インターフェース、接点入力の監視、計測、波形解析、その他の便利な機能などの機能も提供できます。たとえば、デジタルリレーは複数の保護パラメータセットを保存できるため、^{[ 27 ]}接続機器の保守中にリレーの動作を変更できます。デジタルリレーは、電気機械式リレーでは実現不可能な保護戦略も提供できます。これは、長距離高電圧回路や多端子回路、直列または並列補償されたラインで特に顕著です^{[ 24 ] : 3}また、自己テストや監視制御システムとの通信にも利点があります。

デジタル保護リレーと数値保護リレーの区別は、細かい技術的詳細に基づいており、保護以外の分野ではほとんど見られません^{[ 28 ] : Ch 7、pp 102}。数値リレーは、デジタルリレーの技術進歩の産物です。一般的に、数値保護リレーにはいくつかの異なるタイプがあります。ただし、各タイプは同様のアーキテクチャを共有しているため、設計者は比較的少数の柔軟なコンポーネントに基づいてシステムソリューション全体を構築できます。^{[ 8 ]}それらは、適切なアルゴリズムを実行する高速プロセッサを使用します^{[ 18 ] : 51}。^{[ 29 ] [ 30 ]}ほとんどの数値リレーは多機能でもあり^{[ 31 ]}、それぞれ数十または数百の設定を持つ複数の設定グループがあります。^{[ 32 ] 。}

過電流リレーは、負荷電流が設定値を超えた場合に作動する保護リレーの一種です。過電流リレーには、瞬時過電流（IOC）リレーと定時過電流（DTOC）リレーの2種類があります。

IOCリレーまたはDTOCリレーのANSIデバイス番号は50です。一般的な用途では、過電流リレーは変流器に接続され、特定の電流レベル以上で動作するように校正されます。リレーが動作すると、1つ以上の接点が動作して通電し、回路ブレーカーをトリップさせます。DTOCリレーは英国で広く使用されてきましたが、電源に近い故障に対して動作が遅いという固有の問題があり、IDMTリレーの開発につながりました。^{[ 1 ]： pp30-31}

定時過電流（DTOC）リレーとは、電流がピックアップ値を超えてから一定時間経過後に動作するリレーです。したがって、このリレーは電流設定範囲と時間設定範囲の両方を備えています。

瞬時過電流リレーは、動作に意図的な時間遅延がない過電流リレーです。リレー内部の電流が動作値を超えると、リレーの接点が瞬時に閉じます。瞬時ピックアップ値とリレーの接点が閉じるまでの時間間隔は非常に短く、動作時間が短く、電流値がリレー設定値を超えると瞬時に動作を開始します。このリレーは、電源とリレー間のインピーダンスが当該セクションで規定されている値よりも小さい場合にのみ動作します。^{[ 33 ]}

逆時限過電流（ITOC）リレーは、動作電流の大きさが励磁量の大きさに反比例する場合にのみ動作する過電流リレーです。リレーの動作時間は電流の増加とともに減少します。リレーの動作は電流の大きさに依存します。^{[ 33 ]}

逆定最小時間（IDMT）リレーは、定時間過電流（DTOC）リレーの欠点を克服するために開発された保護リレーである。^{[ 1 ]： pp30-31 [ 34 ]： 134}

電源インピーダンスが一定で、リレーから離れるにつれて故障電流が大きく変化する場合、保護対象回路の広い範囲で高速保護を実現するために、 IDMT過電流保護^{[ 35 ] : 11を使用することが有利です。 [ 28 ] : 127}しかし、電源インピーダンスがフィーダーインピーダンスよりも著しく大きい場合、IDMTリレーの特性を利用できず、DTOCが利用される可能性があります。^{[ 36 ] : 42}第二に、電源インピーダンスが変化し、軽負荷時に発電量が少なくなると弱くなる場合、遮断時間が遅くなり、IDMTリレーの目的が損なわれます。^{[ 37 ] : 143}

IEC規格60255-151では、以下に示すIDMTリレー曲線が規定されています。表1の4つの曲線は、現在廃止されている英国規格BS 142から導出されたものです。 ^{[ 38 ]}表2の残りの5つは、ANSI規格C37.112から導出されたものです。^{[ 39 ]}

電流保護にはIDMTリレーを使用するのが一般的ですが、電圧保護にもIDMT動作モードを利用することも可能です^{[ 40 ]： 3}。一部の保護リレーではカスタムカーブをプログラムすることが可能で^{[ 41 ]： pp Ch2-9}、他のメーカー^{[ 42 ]： 18]は自社製リレー専用の特別なカーブを用意しています。一部の数値リレーは、逆時間過電圧保護[ 43 ]： 6]}または負相過電流保護^{[ 44 ]： 915}を提供するために使用できます。

I _r = は故障電流とリレー設定電流の比、またはプラグ設定乗数です。^{[ 45 ] : pp 73}「プラグ」は電気機械式リレー時代の用語で、離散ステップで利用可能でした。^{[ 1 ] : pp 37} TD はタイムダイヤル設定です。

${\displaystyle PSM={\frac {一次故障電流}{リレー電流設定値\ \times \ CT比}}}$

上記の式は、異なる時間乗数設定（TMS）を用いることで得られる一連の曲線群を示しています。リレー特性式から明らかなように、TMSが大きいほど、所定のPMS（I _r）値におけるクリアランス時間は遅くなります。

距離リレー（インピーダンスリレーとも呼ばれる）は、保護回路の電流や電圧の大きさではなく、これら2つの量の比率によって性能が決まるという点で、他の保護方式とは原理的に異なります。距離リレーは実際には、一方のコイルが電圧で励磁され、もう一方のコイルが電流で励磁される二重作動量リレーです。電流要素は正のトルク（ピックアップトルク）を生成し、電圧要素は負のトルク（リセットトルク）を生成します。リレーは、V/I比が所定の値（設定値）を下回った場合にのみ動作します。送電線で故障が発生すると、故障電流が増加し、故障点の電圧が低下します。V/I比^{[ 46 ]}は、 CTとPTの位置で測定されます。PTの位置での電圧は、PTと故障点の間の距離に依存します。測定された電圧が低い場合は、故障点が近いことを意味し、その逆もまた然りです。そのため、この保護方式は距離リレーと呼ばれます。線路を流れる負荷はリレーにとってインピーダンスとして作用し、インピーダンスは負荷に反比例するため、十分に大きな負荷は故障がない場合でもリレーのトリップを引き起こす可能性がある。^{[ 47 ]： 467}

差動方式は、保護対象領域（母線、発電機、変圧器、その他の機器など）に入る電流と、その領域から出る電流の差に基づいて動作します。領域外で故障が発生した場合、領域の入口と出口で同じ故障電流が発生しますが、領域内で故障が発生した場合は、電流の差として現れます。

「差動保護は100%選択的であるため、保護ゾーン内の故障にのみ反応します。保護ゾーンの境界は、変流器の位置によって一意に定義されます。したがって、他の保護システムとの時限調整は不要であり、追加の遅延なしにトリップできます。そのため、差動保護は、すべての重要なプラント機器の高速主保護として適しています。」^{[ 48 ]： 15}

差動保護は、複数の端子を持つゾーンを保護するために使用でき^{[ 49 ] [ 50 ] 、送電線[ 51 ]} 、発電機、モーター、変圧器、その他の電気設備を保護するために使用できます。

方向リレーは、電圧または電流の追加の極性源を使用して、故障の方向を決定します。方向要素は、極性量と動作量の間の位相シフトに反応します。^{[ 52 ]}故障はリレーの位置の上流または下流に位置する可能性があり、適切な保護装置を保護ゾーンの内側または外側で動作させることができます。

同期チェックリレーは、2つの電源の周波数と位相が許容範囲内で一致した場合に接点を閉じます。同期チェックリレーは、2つの電力系統が相互接続されている箇所、例えば2つの電力網を接続する開閉所や、発電機を接続する前に系統と同期していることを確認するための発電機遮断器などでよく使用されます。