差動保護継電器

定義

差動保護リレーとは、2つ以上の電気量の位相差に基づいて動作するリレーです。このリレーは、同じ電気量の位相角と大きさを比較する原理に基づいて動作します。

例

送電線の入力電流と出力電流を比較する場合を考えてみましょう。送電線の入力電流がその出力電流を超える場合、故障により追加の電流が流れていることを示しています。この電流の差異により、差動保護リレーが作動します。

正常な動作に必要な条件

差動保護リレーが適切に機能するためには、以下の条件を満たす必要があります：

• リレーが使用されるネットワークには、2つ以上の同種の電気量が必要です。

• これらの量は、約180ºの位相ズレを持つ必要があります。

差動保護リレーは、発電機、変圧器、フィーダー、大型モーター、バスバーなどの様々な電気部品の保護に使用されます。これらは以下の通り分類できます：

• 電流差動リレー

• 電圧差動リレー

• バイアスまたはパーセンテージ差動リレー

• 電圧バランス差動リレー

電流差動リレー

電流差動リレーは、電気システムに入力する電流と出力する電流の位相差を検出し、それに応答するタイプのリレーです。下図は、過電流リレーが差動リレーとして機能するように接続されている構成を示しています。

過電流リレーの構成は以下の図に示されています。点線で示された部分が保護対象区域です。電流変換器（CT）は保護ゾーンの両端に配置され、それらの二次側はパイロットワイヤーを介して直列に接続されています。そのため、CTで誘導された電流は同一方向に流れます。リレーの動作コイルはCTの二次側に接続されています。

通常の運転条件下では、電流変換器（CT）の二次側の電流の大きさは等しく、動作コイルには電流が流れません。しかし、障害が発生すると、CT二次側の電流の大きさが不均衡となり、リレーが動作を開始します。

バイアスまたはパーセンテージ差動コイル

バイアスまたはパーセンテージ差動リレーは、最も一般的に使用されるタイプの差動リレーです。その構成は電流差動リレーと似ていますが、主要な違いは、制限コイルがパイロットワイヤーに接続されていることです。以下に示す図のようにです。

動作コイルは制限コイルの中間に接続されています。障害電流が発生すると、電流変換器内の電流比が不均衡になりますが、この問題は制限コイルによって効果的に解決されます。

インダクション型バイアス差動リレー

インダクション型バイアス差動リレーは、電磁石間で自由に回転するディスクを特徴としています。各電磁石には銅製のシャドウリングがあり、電磁石内に入れたり出したりすることができます。ディスクは動作要素と制限要素の両方に影響を受け、結果としてその上に合力が作用します。

シャドウリングの位置が動作要素と制限要素の両方で平衡状態にある場合、リングに作用するトルクの合計はゼロになります。しかし、リングが鉄心に近づくと、動作コイルと制限コイルの組み合わせによる影響により、リングには不均等なトルクが作用します。

電圧バランス差動リレー

電流差動リレーはフィーダーの保護には適していません。フィーダーの保護には代わりに電圧バランス差動リレーが使用されます。電圧バランス差動リレーの設定では、保護ゾーンの両端に2つの同一の電流変換器が配置され、パイロットワイヤーを介して接続されます。

これらのリレーは電流変換器の二次側と直列に接続されており、通常の運転条件下ではそれらを通る電流はありません。電圧バランス差動リレーは空芯の電流変換器を使用し、そこでは通過する電流に比例して電圧が誘導されます。

保護ゾーン内で障害が発生すると、電流変換器（CT）の電流が不均衡になります。この不均衡により、CT二次側の電圧が乱れます。その結果、リレーの動作コイルに電流が流れ始め、リレーが作動し、回路遮断器にトリップ命令を発し、障害のある回路部分を隔離します。