保護リレー

電気工学において、保護リレーは、故障が検出されたときに回路ブレーカーをトリップするように設計されたリレーデバイスです。 ^[1]^{: 4}最初の保護リレーは電磁デバイスであり、可動部品で動作するコイルに依存して、過電流、過電圧、逆潮流、過周波数、低周波数などの異常な動作状態を検出しました。^[2]

マイクロプロセッサベースのソリッドステートデジタル保護リレーは、現在では元のデバイスをエミュレートするだけでなく、電気機械式リレーでは実現不可能なタイプの保護と監視も提供します。電気機械式リレーは、障害の場所と原因の基本的な表示のみを提供します。^[3]多くの場合、1 つのマイクロプロセッサリレーは、2 つ以上の電気機械式デバイスを必要とする機能を提供します。1 つのケースに複数の機能を組み合わせることで、数値リレーは電気機械式リレーよりも資本コストとメンテナンスコストを節約します。^[4]ただし、寿命が非常に長いため、これらの「静かな監視者」^[5]の数万が今でも世界中で送電線と電気機器を保護しています。重要な送電線と発電機には、多数の個別の電気機械式デバイス、または 1 つまたは 2 つのマイクロプロセッサリレーを備えた保護専用のキュービクルがあります。

これらの保護装置の理論と応用は、電力システム保護を専門とする電力技術者の教育の重要な部分です。回路や機器を保護するために迅速に行動する必要があるため、保護リレーは数千分の1秒以内に応答してブレーカーをトリップする必要があります。場合によっては、これらのクリアランス時間は法律や運用規則で規定されています。^[6]保護システムの性能と可用性を判断するために、メンテナンスまたはテストプログラムが使用されます。^[7]

最終用途と適用される法律に基づいて、ANSI C37.90、IEC255-4、IEC60255-3、IACなどのさまざまな規格が、発生する可能性のある障害状態に対するリレーの応答時間を規定しています。^[8]

運営原則

電気機械式保護リレーは、磁気吸引または磁気誘導によって動作します。^[9]^{: 14}動作電圧しきい値と動作時間が固定されており、通常は明確に定義されていないスイッチングタイプの電気機械式リレーとは異なり、保護リレーは、確立された選択可能で調整可能な時間と電流（またはその他の動作パラメータ）の動作特性を備えています。保護リレーには、誘導ディスクのアレイ、くま取り磁極、^[9]^{: 25}磁石、操作コイルと拘束コイル、ソレノイド型オペレータ、電話リレー接点、^{[説明が必要]、}および位相シフトネットワークが使用される場合があります。

保護リレーは、測定の種類によっても分類できます。^[10]^{: 92}保護リレーは、電圧や電流などの量の大きさに反応します。誘導リレーは、2つのフィールドコイルの2つの量の積に反応し、たとえば回路内の電力を表すことができます。

「2つの交流量の商に等しいトルクを発生するリレーを作るのは現実的ではない。しかし、これは重要ではない。リレーにとって重要な条件は設定だけであり、設定は広範囲にわたる部品の値に関係なく比率に対応するようにすることができる。」^[10]^：92

複数の動作コイルを使用してリレーに「バイアス」を与えることで、1 つの回路の応答感度を別の回路で制御できます。リレーでは、「動作トルク」と「拘束トルク」のさまざまな組み合わせを生成できます。

磁気回路に永久磁石を使用することで、リレーは、ある方向の電流に対して、他の方向とは異なる応答をするようにできます。このような有極リレーは、直流回路で、たとえば発電機への逆電流を検出するために使用されます。これらのリレーは双安定にすることができ、コイル電流が流れない状態で接点を閉じた状態に保ち、リセットするには逆電流が必要です。AC 回路の場合、この原理は、基準電圧源に接続された有極巻線によって拡張されます。

軽量の接点は、高速に動作する高感度リレーを実現しますが、小さな接点では大電流を流したり遮断したりすることはできません。測定リレーは、多くの場合、補助的な電話型アーマチュアリレーをトリガーします。

電気機械式リレーの大規模な設備では、どのデバイスが回路をトリップさせた信号を発信したかを判断することは困難です。この情報は、操作担当者が障害の原因を特定し、再発を防ぐために役立ちます。リレーには「ターゲット」または「フラグ」ユニットが取り付けられている場合があります。これは、リレーが作動すると解放され、リレーがトリップしたときに明確な色の信号を表示します。^[11]

構造による種類

電気機械

電気機械リレーは、次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」型リレーには、ヒンジ[12]}またはナイフエッジピボットで支えられたピボットレバーがあり、可動接点を支えています。これらのリレーは交流でも直流でも動作しますが、交流の場合は、交流サイクル全体にわたって接触力を維持するために、ポール上の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空隙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、最初に動作させる電流よりもはるかに小さくなります。「復帰率」^[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の尺度です。

吸引原理の別の応用例としては、プランジャー型またはソレノイド型アクチュエータがあります。リードリレーも吸引原理の別の例です。

「ムービングコイル」メーターは、固定磁石内で巻かれたワイヤのループを使用します。検流計に似ていますが、ポインターの代わりに接触レバーが付いています。これらは非常に高い感度で作ることができます。別のタイプのムービングコイルは、コイルを 2 つの導電性の靭帯で吊り下げ、コイルの非常に長い移動を可能にします。

誘導ディスク過電流リレー

「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機能します。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なりません。そうでない場合、正味の動作力は生成されません。^{[11]これらの電磁リレーは、19 世紀後半に}ガリレオフェラー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事前に決定された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するトルクを生成します。^[14]

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

ここで、とは2つの磁束であり、は磁束間の位相角である。 $\phi_{u}$ $\phi _{s}$ $\alpha$

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]

トルクを生成するには、位相シフトを伴う 2 つの交互磁束が必要です。
2 つの交互磁束が 90 度離れているときに最大トルクが生成されます。
結果として生じるトルクは一定であり、時間の関数ではありません。

リレーの一次巻線には、プラグブリッジ^[16]を介して電力システム変流器から電力が供給されます。これはプラグ設定乗数（psm）と呼ばれます。通常、7つの等間隔のタッピングまたは動作帯域によってリレーの感度が決まります。一次巻線は上部電磁石にあります。二次巻線は上部電磁石に接続されており、一次巻線から通電され、下部電磁石に接続されています。上部および下部の電磁石が通電されると、金属ディスクに誘導される渦電流が発生し、磁束経路を通って流れます。渦電流と磁束のこの関係により、2つの磁束経路の位相が90°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生成されます。

過電流状態では、スピンドルとブレーキマグネットの制御スプリング圧力を上回る電流値に達し、金属ディスクが固定接点に向かって回転します。ディスクのこの初期動作は、ディスクの側面に切り込まれていることが多い小さなスロットによって、電流の臨界正値に抑えられます。回転して接点を形成するのにかかる時間は、電流だけでなく、時間乗数 (tm) と呼ばれるスピンドルのバックストップの位置にも依存します。時間乗数は、全回転時間を 10 等分します。

リレーに汚れがない場合は、金属ディスクとスピンドルの接点が固定接点に到達し、設計された時間と電流仕様の範囲内で、トリップして回路を分離する信号が送信されます。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、到達すると、ブレーキ磁石によって制御される制御スプリングの圧力によって、リレーは逆方向にリセットされます。

静的

電子増幅器の保護リレーへの応用は、1928年に真空管増幅器を使用して説明され、1956年まで続きました。 ^[17]電子管を使用したデバイスは研究されましたが、真空管増幅器の限界のため、商用製品として適用されることはありませんでした。管のフィラメント温度を維持するために比較的大きなスタンバイ電流が必要であり、回路には不便な高電圧が必要であり、真空管増幅器はノイズ障害による誤動作が問題でした。

スタティックリレーには可動部品がほとんどないか全くなく、トランジスタの導入によって実用化されました。スタティックリレーの測定素子は、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うまく構築されています。^[18]^{: 6}スタティックリレーは、出力接点を動作させる電力が信号回路からではなく別の電源から得られるため、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。スタティックリレーは接点のバウンスを排除または削減し、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

デジタル保護リレーは、1960年代後半には初期段階にあった。^[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つの主要な部分から成ります^[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シュバイツァーエンジニアリングラボラトリーズ（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が開発されたにもかかわらず、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のアルゴリズムが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、結果の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つのデバイスで多く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]保護設計とメンテナンスが簡素化されます。各デジタルリレーは、セルフテストルーチンを実行して準備状態を確認し、障害が検出された場合は警告を発することができます。デジタルリレーは、通信 ( SCADA ) インターフェイス、接点入力の監視、計測、波形分析、その他の便利な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]接続されている機器のメンテナンス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装できない保護戦略も提供できます。これは、長距離の高電圧または多端子回路、または直列またはシャント補償されたラインで特に当てはまります^[24]^{: 3}また、セルフテストや監視制御システムへの通信にも利点があります。

数値

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の進歩の産物です。一般に、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全体のソリューションを構築できます。^[8]これらは、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]、それぞれに数十または数百の設定がある複数の設定グループがあります。^[32]

機能別リレー

特定のリレーで使用できるさまざまな保護機能は、標準のANSI デバイス番号で示されます。たとえば、機能 51 を含むリレーは、時間制限付き過電流保護リレーになります。

過電流リレー

過電流リレーは、負荷電流がピックアップ値を超えたときに動作する保護リレーの一種です。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調整されます。リレーが作動すると、1 つ以上の接点が作動して通電し、回路ブレーカーが作動します。DTOC リレーは英国で広く使用されていますが、発生源に近い障害では動作が遅くなるという固有の問題により、IDMT リレーが開発されました。^[1]^{: pp 30-31}

定時過電流リレー

定時過電流 (DTOC) リレーは、電流がピックアップ値を超えると一定時間後に動作するリレーです。したがって、このリレーには電流設定範囲と時間設定範囲があります。

瞬時過電流リレー

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。リレー内の電流が動作値を超えると、リレーの接点は瞬時に閉じます。瞬時ピックアップ値とリレーの閉じる接点間の時間間隔は非常に短いです。動作時間が短く、電流値がリレー設定値を超えるとすぐ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セクションに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]

反限時過電流リレー

反限時過電流（ITOC）リレーは、動作電流の大きさが通電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]

逆定最小時間リレー

逆定時最小時間（IDMT）リレーは、定時過電流（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す。^[1]^{：pp 30-31}^[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著しく変化する場合は、IDMT過電流保護^[35]^{: 11を}使用して、保護対象回路の大部分で高速保護を実現するのが有利です。^[28]^{: 127}ただし、電源インピーダンスがフィーダインピーダンスよりも大幅に大きい場合は、IDMTリレーの特性を活用できず、DTOCを利用できます。^[36]^{: 42} 次に、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と、クリアランス時間が遅くなり、IDMTリレーの目的が無効になります。^[37]^{: 143}

IEC規格60255-151は、以下に示すようにIDMTリレー曲線を規定しています。表1の4つの曲線は、現在廃止されている英国規格BS 142から派生したものです。 ^[38]表2の他の5つの曲線は、ANSI規格C37.112から派生したものです。^[39]

IDMTリレーは電流保護によく使用されますが、電圧保護にもIDMT動作モードを利用することができます^[40]^{: 3}。一部の保護リレーではカスタマイズされた曲線をプログラムすることができ^[41]^{: pp Ch2-9}、他のメーカーでは^[42]^{: 18}^{、リレー固有の特別な曲線を持っています。一部の数値リレーは、逆時間過電圧保護[43]}^{: 6}または逆シーケンス過電流保護を提供するために使用できます。^[44]^{: 915}

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の時代からの参照であり、個別の^[1]^{: pp 37}ステップで利用可能でした。TD はタイムダイヤル設定です。

$PSM={\frac {Primary\ fault\ current}{Relay\ current\ setting\ \times \ CT\ ratio}}$

上記の式は、異なる時間乗数設定 (TMS) を使用した結果、曲線の「ファミリー」になります。リレー特性式から、TMS が大きいほど、特定の PMS (I _r ) 値に対するクリアランス時間が遅くなることは明らかです。

長距離リレー

距離リレーはインピーダンスリレーとも呼ばれ、他の保護形式とは原理的に異なり、保護対象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左右されます。距離リレーは、実際には2つの作動量リレーで、1つのコイルは電圧で励磁され、もう1つのコイルは電流で励磁されます。電流要素は正またはピックアップトルクを生成し、電圧要素は負または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（または設定値）を下回った場合にのみ動作します。送電線に障害が発生すると、障害電流が増加し、障害点の電圧が低下します。V/I ^{[46]比は、}CTとPT の位置で測定されます。PTの位置の電圧は、PTと障害の間の距離によって異なります。測定された電圧が低いほど、障害がより近いことを意味し、その逆も同様です。そのため、この保護は距離リレーと呼ばれています。ラインを流れる負荷はリレーに対してインピーダンスとして現れ、十分に大きな負荷（インピーダンスは負荷に反比例するため）は、障害がない場合でもリレーのトリップにつながる可能性がある。^[47]^{: 467}

電流差動保護方式

差動方式は、保護ゾーン (バスバー、発電機、変圧器、またはその他の装置) に入る電流とそのゾーンから出る電流の差に作用します。ゾーン外での障害は、ゾーンの入口と出口で同じ障害電流を生じますが、ゾーン内での障害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、保護ゾーン内の障害にのみ反応します。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間の段階分けは必要なく、追加の遅延なしでトリップできます。したがって、差動保護は、すべての重要なプラント項目の高速メイン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することができ^[49]^{[50] 、また、線路、}^[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することができます。

差動方式の変流器は、高過電流に対してほぼ同一の応答を示すように選択する必要があります。「貫通故障」によって 1 セットの変流器が他のセットより先に飽和すると、ゾーン差動保護は誤った「動作」電流を検出し、誤ってトリップする可能性があります。

GFCI (漏電遮断器) 回路ブレーカーは、過電流保護と差動保護 (調整不可) を標準の一般に入手可能なモジュールに組み合わせています。^{[引用が必要]}

方向性リレー

方向性リレーは、追加の分極電圧または電流源を使用して障害の方向を決定します。方向性要素は、分極量と動作量の間の位相シフトに応答します。^[52]障害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外で操作できます。

同期チェック

同期チェックリレーは、2 つのソースの周波数と位相が許容範囲内で類似している場合に接点を閉じます。「同期チェック」リレーは、2 つの電力系統を接続するスイッチヤードや、接続前に発電機がシステムに同期していることを確認する発電機回路ブレーカーなど、2 つの電力系統が相互接続されている場合によく使用されます。

電源

リレーは、動作に使用する電源の種類によっても分類できます。

自己給電式リレーは、たとえば線電流を測定するために使用される変流器を通じて、保護された回路から得られるエネルギーで動作します。これにより、別個の電源のコストと信頼性の問題が解消されます。
補助電源リレーは、バッテリーまたは外部 AC 電源に依存します。リレーによっては、AC または DC のいずれかを使用できます。補助電源は、システム障害時に高い信頼性がなければなりません。
デュアル電源リレーは補助電源としても使用できるため、すべてのバッテリー、充電器、その他の外部要素が冗長化され、バックアップとして使用されます。

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