Relé diferencial
Els relés utilitzats en la protecció del sistema elèctric són de diferents tipus. Entre ells, el relé diferencial és un relé molt comú per protegir transformadors i generadors de falles localitzades.
Els relés diferencials són molt sensibles a les falles que ocorren dins la zona de protecció, però són menys sensibles a les falles que ocorren fora de la zona protegida. La majoria dels relés es dispara quan alguna quantitat supera un valor predeterminat, per exemple, el relé de sobrecorrent es dispara quan la corrent a través seu supera un valor predeterminat. Però el principi del relé diferencial és una mica diferent. Es dispara depenent de la diferència entre dues o més quantitats elèctriques similars.
Definició de Relé Diferencial
El relé diferencial és aquell que es dispara quan hi ha una diferència entre dues o més quantitats elèctriques similars que supera un valor predeterminat. En l'esquema de circuit del relé diferencial, hi ha dues corrents que provenen de dues parts d'un circuit elèctric de potència. Aquestes dues corrents es troben en un punt de juntura on està connectada una bobina de relé. Segons la Llei de Corrent de Kirchhoff, la corrent resultant que flueix a través de la bobina del relé no és res més que la suma de les dues corrents que provenen de dues parts diferents del circuit elèctric de potència. Si la polaritat i l'amplitud de les dues corrents estan ajustades de manera que la suma fasorial d'aquestes dues corrents sigui zero en condicions normals d'operació, no hi haurà cap corrent que flueixi a través de la bobina del relé en condicions normals d'operació. Però, degut a qualsevol anormalitat en el circuit de potència, si aquest equilibri es trenca, vol dir que la suma fasorial d'aquestes dues corrents ja no és zero i hi haurà una corrent no nul·la que fluirà a través de la bobina del relé, fent que el relé es dispare.
En l'esquema de diferencial de corrent, hi ha dos conjunts de transformador de corrent (TC) cada un connectat a cadascun dels costats de l'equipament protegit pel relé diferencial. Els ratios dels transformadors de corrent són triats de manera que les corrents secundàries de tots dos TC coincideixin en magnitud.
Les polaritats dels transformadors de corrent són tals que les corrents secundàries d'aquests TC s'oposen entre si. Des del circuit és clar que només si es crea una diferència no nul·la entre aquestes dues corrents secundàries, aleshores aquesta corrent diferencial fluirà a través de la bobina operativa del relé. Si aquesta diferència és més gran que el valor de pujada del relé, es dispara per obrir els interruptors de circuit per aïllar l'equipament protegit del sistema. L'element de relé utilitzat en el relé diferencial és un relé instantani de tipus atracció d'armadura, ja que l'esquema diferencial només es adapta per netejar les falles dins de l'equipament protegit, en altres paraules, el relé diferencial només ha de netejar les falles internes de l'equipament, per tant, l'equipament protegit s'ha d'aïllar tan aviat com ocorre una falla dins de l'equipament mateix. No cal cap retard per coordinar amb altres relés en el sistema.
Tipus de Relé Diferencial
Hi ha principalment dos tipus de relé diferencial depenent del principi de funcionament.
Relé Diferencial de Balança de Corrent
Relé Diferencial de Balança de Voltatge
En el relé diferencial de corrent, es col·loquen dos transformadors de corrent a cada costat de l'equipament a protegir. Els circuits secundaris dels TC estan connectats en sèrie de manera que porten la corrent secundària del TC en la mateixa direcció.
La bobina operativa de l'element de relé està connectada a través del circuit secundari del TC. En condicions normals d'operació, l'equipament protegit (ja sigui un transformador de potència o un alternador) porta corrent normal. En aquesta situació, diguem que la corrent secundària del TC1 és I1 i la corrent secundària del TC2 és I2. També és clar des del circuit que la corrent que passa a través de la bobina del relé no és res més que I1-I2. Com hem dit abans, el ratio i la polaritat dels transformadors de corrent són triats de manera que I1 = I2, per tant, no hi haurà cap corrent que flueixi a través de la bobina del relé. Ara, si ocorre qualsevol falla externa a la zona coberta pels TC, la corrent defectuosa passa a través de la primària de tots dos transformadors de corrent i, per tant, les corrents secundàries de tots dos TC romanen iguals com en el cas de les condicions normals d'operació. Per tant, en aquesta situació, el relé no es dispararà. Però, si ocorre qualsevol falla a terra dins de l'equipament protegit, com es mostra, les dues corrents secundàries ja no seran iguals. En aquest cas, el relé diferencial es dispara per aïllar l'equipament defectuós (transformador o alternador) del sistema.
Principialment, aquest tipus de sistemes de relés patixen alguns inconvenients
Pot haver-hi una probabilitat de desajust en la impedància del cablal des de la segona mà del TC fins al quadre de relés remot.
La capacitance d'aquests cables pilots causa una operació incorrecta del relé quan ocorre una gran falla a través de l'equipament.
No es pot aconseguir un ajust precís de les característiques dels transformadors de corrent, per tant, pot haver-hi una corrent de fuga que flueix a través del relé en condicions normals d'operació.
Relé Diferencial Percentual
Aquest està dissenyat per respondre a la corrent diferencial en termes de la seva relació fraccionària respecte a la corrent que flueix a través de la secció protegida. En aquest tipus de relé, hi ha bobines de restricció a més de la bobina operativa del relé. Les bobines de restricció produeixen un torque oposat al torque operatiu. En condicions normals i en condicions de falla a través, el torque de restricció és més gran que el torque operatiu. Així, el relé roman inactiu. Quan ocorre una falla interna, la força operativa supera la força de bias i, per tant, el relé es dispara. Aquesta força de bias es pot ajustar variat el nombre de voltants en les bobines de restricció. Com es mostra en la figura següent, si I1 és la corrent secundària del TC1 i I2 és la corrent secundària del TC2, llavors la corrent a través de la bobina operativa és I1 – I2 i la corrent a través de la bobina de restricció és (I1 + I2)/2. En condicions normals i en condicions de falla a través, el torque produït per les bobines de restricció a causa de la corrent (I1+ I2)/2 és més gran que el torque produït per la bobina operativa a causa de la corrent I1– I2, però en condicions de falla interna aquestes esdevenen oposades. I el reglatge de bias es defineix com la raó de (I1– I2) a (I1+ I2)/2.
És clar a partir de l'explicació anterior, més gran és la corrent que flueix a través de les bobines de restricció, més gran és el valor de la corrent necessària per a la bobina operativa per a ser disparament. El relé s'anomena relé percentual perquè la corrent operativa requerida per a disparar es pot expressar com un percentatge de la corrent a través.
Ratio i Connexió del TC per al Relé Diferencial
Aquesta regla simple és que els transformadors de corrent en qualsevol enrotllament estel han de connectar-se en delta i els transformadors de corrent en qualsevol enrotllament delta han de connectar-se en estel. Això es fa per eliminar la corrent de seqüència zero en el circuit del relé.
Si els TC estan connectats en estel, el ratio del TC serà In/1 o 5 A
Els TC per connectar-se en delta, el ratio del TC serà In/0.5775 o 5×0.5775 A
Relé Diferencial de Balança de Voltatge
En aquesta disposició, els transformadors de corrent estan connectats a cada costat de l'equipament de manera que la FEM induïda en la segona mà de tots dos transformadors de corrent s'oposaran entre si. Això significa que la segona mà dels transformadors de corrent de tots dos costats de l'equipament estan connectats en sèrie amb polaritat oposada. La bobina del relé diferencial s'insereix en algun lloc del bucle creat per la connexió en sèrie de la segona mà dels transformadors de corrent, com es mostra en la figura. En condicions normals d'operació i també en condicions de falla a través, les FEM induïdes en la segona mà de tots dos TC són iguals i oposades entre si i, per tant, no hi haurà cap corrent que flueixi a través de la bobina del relé. Però tan aviat com ocorre qualsevol falla interna en l'equipament sota protecció, aquestes FEM ja no estan equilibrades i, per tant, comença a fluir corrent a través de la bobina del relé, fent disparar el circuit interrumpidor.
Hi ha algunes desavantatges en el relé diferencial de balança de voltatge com ara la necessitat d'una construcció de transformador de diversos tapes per aconseguir un equilibri precís entre els parells de transformadors de corrent. El sistema és adequat per a la protecció de cables relativament curts, en cas contrari, la capacitance dels cables pilots pertorba el rendiment. En cables llargs, la corrent de càrrega serà suficient per a fer disparar el relé encara que s'aconsegueixi un equilibri perfecte entre els transformadors de corrent.
Aquestes desavantatges es poden eliminar del sistema introduint l'esquema Translay, que no és res més que un sistema de relé diferencial de balança de voltatge modificat. L'esquema Translay es aplica principalment per a la protecció diferencial de ramals.
Aquí, hi ha dos conjunts de transformadors de corrent connectats a cada extrem del ramal. La segona mà de cada transformador de corrent té un relé de doble bobina de tipus inducció individual. La segona mà de cada transformador de corrent alimenta el circuit primari del relé de doble bobina. El circuit secundari de cada relé està connectat en sèrie per formar un bucle tancat mitjançant cables pilots. La connexió ha de ser tal que la tensió induïda en la bobina secundària d'un relé s'oposi a la mateixa de l'altre. El dispositiu compensador neutralitza l'efecte de les corrents de capacitance dels cables pilots i l'efecte de la falta inherent d'equilibri entre els dos transformadors de corrent.
En condicions normals i en condicions de falla a través, la corrent als dos extrems del ramal és la mateixa, per tant, la corrent induïda en la segona mà dels TC també serà igual. Degut a aquestes corrents iguals en la segona mà dels TC, el primari de cada relé induirà la mateixa FEM. Conseqüentment, la FEM induïda en les segones màs del relé també serà la mateixa, però les bobines estan connectades de manera que aquestes FEM estan en direccions oposades. Com a resultat, no hi haurà cap corrent que flueixi a través del bucle pilot i, per tant, no es produirà cap torque operatiu en cap dels relés.
Però si ocorre qualsevol falla en el ramal dins de la zona entre els transformadors de corrent, la corrent que surt del ramal serà diferent de la corrent que entra al ramal. Conseqüentment, no hi haurà igualtat entre les corrents en les dues seg
