Differentiële beschermingsrelais

Definitie

Een differentiële beschermingsrelais is een relais waarvan de werking afhangt van het faseverschil van twee of meer elektrische grootheden. Het werkt op basis van het principe van vergelijking van de fasehoek en grootte van dezelfde elektrische grootheden.

Voorbeeld

Neem bijvoorbeeld de vergelijking van de ingang- en uitgangsstroom van een transmissielijn. Als de grootte van de ingangsstroom van de transmissielijn groter is dan die van de uitgangsstroom, duidt dit erop dat er door een storing extra stroom doorheen stroomt. Dit verschil in stroom kan het differentiële beschermingsrelais activeren.

Essentiële voorwaarden voor werking

Om te zorgen dat een differentiële beschermingsrelais goed functioneert, moeten de volgende voorwaarden worden voldaan:

• Het netwerk waarin het relais wordt gebruikt, moet twee of meer gelijksoortige elektrische grootheden hebben.

• Deze grootheden moeten een fasedisplacering hebben van ongeveer 180º.

Differentiële beschermingsrelais worden gebruikt voor de bescherming van verschillende elektrische componenten zoals generatoren, transformatoren, voeders, grote motoren en busbars. Ze kunnen worden ingedeeld als volgt:

• Stroomdifferentiële relais

• Spaandifferentiële relais

• Gebiaseerd of percentage differentiële relais

• Spanningsbalans differentiële relais

Stroomdifferentiële relais

Een stroomdifferentiële relais is een type relais dat detecteert en reageert op het faseverschil tussen de stroom die een elektrisch systeem binnenkomt en de stroom die het verlaat. De figuur hieronder illustreert een configuratie waarbij overstroomrelais zijn verbonden om te functioneren als een differentiële relais.

De configuratie van het overstroomrelais is weergegeven in de onderstaande figuur. De gestippelde lijn geeft het gedeelte aan dat beschermd moet worden. Stroomtransformatoren (CT's) zijn geplaatst aan beide einden van de beschermd zone. De secondaries van deze transformatoren zijn in serie verbonden via pilotdraad. Hierdoor stromen de in de CT's geïnduceerde stromen in dezelfde richting. Het werkspoel van het relais is verbonden met de secondaries van de CT's.

Bij normale bedrijfsomstandigheden zijn de grootten van de stromen in de secondaries van de stroomtransformatoren (CT's) identiek, waardoor er geen stroom door de werkspoel stroomt. Wanneer echter een storing optreedt, worden de grootten van de stromen in de CT-secondaries ongelijk, wat het relais doet starten met werken.

Gebiaseerde of percentage differentiële spoel

Het gebiaseerde of percentage differentiële relais is het meest gebruikte type differentiële relais. Zijn configuratie is vergelijkbaar met die van het stroomdifferentiële relais. Het belangrijkste verschil ligt in de toevoeging van een extra remmende spoel, die in de pilotdraden is verbonden, zoals in de onderstaande figuur wordt weergegeven.

De werkspoel is verbonden in het midden van de remmende spoel. Wanneer een foutstroom optreedt, wordt de stroomverhouding in de stroomtransformatoren onevenwichtig. Dit probleem wordt echter effectief aangepakt door de remmende spoel.

Inductie-type gebiaseerde differentiële relais

Het inductie-type gebiaseerde differentiële relais heeft een schijf die vrij kan roteren tussen elektromagneten. Elke elektromagneet is uitgerust met een koperen schaduwring, die in en uit de elektromagneet kan bewegen. De schijf wordt beïnvloed door zowel de remmende als de werkende elementen, wat resulteert in een netto kracht die op de schijf werkt.

Wanneer de positie van de schaduwring in evenwicht is voor zowel de werkende als de remmende elementen, wordt het resulterende moment op de ring nul. Als de ring echter naar de ijzeren kern beweegt, worden ongelijke momenten op de ring uitgeoefend door de gecombineerde invloed van de werkende en remmende spoelen.

Spanningsbalans differentiële relais

Het stroomdifferentiële relais is niet geschikt voor de bescherming van voeders. Om voeders te beschermen, worden spanningsbalans differentiële relais gebruikt. In een spanningsbalans differentiële relaisconfiguratie worden twee identieke stroomtransformatoren aan beide einden van de beschermd zone geplaatst en verbonden via pilotdraden.

Deze relais zijn in serie verbonden met de secondaries van de stroomtransformatoren. Ze zijn zo geconfigureerd dat er tijdens normale bedrijfsomstandigheden geen stroom doorheen stroomt. Het spanningsbalans differentiële relais maakt gebruik van luchtspool stroomtransformatoren, waarbij spanningen worden geïnduceerd evenredig aan de stroom die erdoorheen stroomt.

Wanneer een storing optreedt binnen de beschermd zone, worden de stromen in de stroomtransformatoren (CT's) onevenwichtig. Deze onevenwichtigheid verstoort de spanningen in de CT-secondaries. Hierdoor begint stroom te stromen door de werkspoel van het relais. Als gevolg hiervan activeert het relais en geeft het een commando aan de circuitbreker om te trippen en het defecte gedeelte van het circuit te isoleren.