Diferenciální relé

Relé používaná v ochraně elektrických systémů jsou různých typů. Mezi nimi je diferenciální relé velmi často používáno k ochraně transformátorů a generátorů před lokálními poruchami.
Diferenciální relé jsou velmi citlivá na poruchy, které se odehrávají uvnitř chráněné zóny, ale jsou nejméně citlivá na poruchy, které se odehrávají mimo chráněnou zónu. Většina relé funguje, když jakákoli hodnota překročí předem stanovenou hodnotu, například relé přetoku funguje, když proud, který prochází, překročí předem stanovenou hodnotu. Princip diferenciálního relé je však poněkud jiný. Funguje na základě rozdílu mezi dvěma nebo více podobnými elektrickými veličinami.

Definice diferenciálního relé

Diferenciální relé je to, které funguje, když rozdíl mezi dvěma nebo více podobnými elektrickými veličinami překročí předem stanovenou hodnotu. V obvodové schématu diferenciálního relé jsou dva proudy pocházející z dvou částí elektrického obvodu. Tyto dva proudy se setkávají v spojovacím bodu, kde je připojen cívek relé. Podle Kirchhoffova zákona o proudech je výsledný proud, který prochází cívkou relé, nic jiného než součet těchto dvou proudů, pocházejících z dvou různých částí elektrického obvodu. Pokud jsou polarita a amplituda obou proudů tak nastaveny, že fázorový součet těchto dvou proudů je nulový za normálních provozních podmínek, nebude proud procházet cívkou relé za normálních provozních podmínek. Ale pokud dojde k jakékoli anomálii v elektrickém obvodu, tento rovnováha je narušena, což znamená, že fázorový součet těchto dvou proudů již není nulový a bude proudit nenulový proud skrz cívku relé, což vedne k zapnutí relé.

V schématu diferenciálního proudu jsou dva sady proudových transformátorů, každý připojený na jednu stranu zařízení chráněného diferenciálním relé. Poměr proudových transformátorů je tak zvolen, aby sekundární proudy obou proudových transformátorů odpovídaly v hodnotě.
Polarity proudových transformátorů jsou takové, že sekundární proudy těchto CT se navzájem vyruší. Z obvodu je zřejmé, že pouze v případě, že je mezi těmito sekundárními proudy vytvořen nenulový rozdíl, bude diferenciální proud procházet pracovní cívkou relé. Pokud tento rozdíl překročí předem stanovenou hodnotu relé, spustí se a otevřou se vypínače k izolaci chráněného zařízení od systému. Reléový prvek použitý v diferenciálním relé je okamžité relé s válcovým jádrem, protože diferenciální schéma je pouze adaptováno pro odstranění poruch uvnitř chráněného zařízení, jinak řečeno, diferenciální relé by mělo odstranit pouze vnitřní poruchy zařízení, a tedy chráněné zařízení by mělo být izolováno, jakmile dojde k poruše uvnitř zařízení samotného. Není potřeba žádné časové zpoždění pro koordinaci s ostatními relé v systému.

Typy diferenciálního relé

Existují především dva typy diferenciálního relé v závislosti na principu fungování.

1. Relé s rovnováhou proudu

2. Relé s rovnováhou napětí

V relé s diferenciálním proudem jsou na obou stranách chráněného zařízení instalovány dva proudové transformátory. Sekundární obvody CT jsou sériově spojeny tak, aby vedly sekundární proudy v stejném směru.

Pracovní cívka reléového prvku je připojena k sekundárnímu obvodu CT. Za normálních provozních podmínek chráněné zařízení (buď transformátor nebo alternátor) nese normální proud. V této situaci, řekněme, že sekundární proud CT1 je I1 a sekundární proud CT2 je I2. Je také zřejmé z obvodu, že proud procházející cívkou relé je nic jiného než I1-I2. Jak jsme řekli dříve, poměr a polarita proudových transformátorů jsou tak zvoleny, že I1 = I2, a proto nebude proud procházet cívkou relé. Teď, pokud dojde k poruše mimo zónu pokrytou CT, chybný proud prochází primární částí obou proudových transformátorů a sekundární proudy obou proudových transformátorů zůstanou stejné jako v případě normálních provozních podmínek. Proto v této situaci nebude relé spuštěno. Ale pokud dojde k poruše uvnitř chráněného zařízení, jak je znázorněno, dva sekundární proudy již nebudou stejné. V tomto případě je diferenciální relé spuštěno, aby izolovalo vadné zařízení (transformátor nebo alternátor) od systému.
Zásadně tento typ reléových systémů trpí některými nevýhodami

1. Může dojít k nesouladu v impedanci kabelů od sekundárního výstupu CT do vzdáleného reléového panelu.

2. Kapacitance těchto pilotních kabelů způsobuje nesprávné fungování relé, když dojde k velké externí poruše mimo zařízení.

3. Přesné shoda charakteristik proudových transformátorů nemůže být dosažena, a proto může dojít k proudění přetěku skrz relé za normálních provozních podmínek.

Procentní diferenciální relé

Toto je navrženo tak, aby reagovalo na diferenciální proud v termínu jeho frakčního vztahu k proudu procházejícímu chráněnou částí. V tomto typu relé existují kromě pracovní cívky relé také cívky brzdicí. Cívky brzdicí produkují moment proti pracovnímu momentu. Za normálních podmínek a při externích poruchách je brzdicí moment větší než pracovní moment. Tímto zůstává relé neaktivní. Když dojde k interní poruše, pracovní síla překonává biasovou sílu a tedy relé je spuštěno. Tuto biasovou sílu lze upravit změnou počtu otáček na cívkách brzdicích. Jak je znázorněno na obrázku níže, pokud I1 je sekundární proud CT1 a I2 je sekundární proud CT2, pak proud procházející pracovní cívkou je I1 – I2 a proud procházející cívkou brzdicí je (I1 + I2)/2. Za normálních podmínek a při externích poruchách je moment produkovaný cívkami brzdicími díky proudu (I1+ I2)/2 větší než moment produkovaný pracovní cívkou díky proudu I1– I2, ale při interní poruše se stávají opačné. A nastavení biasu je definováno jako poměr (I1– I2) k (I1+ I2)/2.

Je zřejmé z výše uvedeného vysvětlení, že čím větší proud prochází cívkami brzdicími, tím vyšší hodnota proudu je potřebná pro pracovní cívku, aby byla spuštěna. Relé se nazývá procentní relé, protože pracovní proud potřebný k zapnutí lze vyjádřit jako procento proudu procházejícího.

Poměr a spojení CT pro diferenciální relé

Tento jednoduchý pravidelný pravidlo je, že proudové transformátory na jakémkoli hvězdicovém vinutí by měly být spojeny v trojúhelník a proudové transformátory na jakémkoli trojúhelníkovém vinutí by měly být spojeny v hvězdu. To je provedeno tak, aby byl eliminován nulový sekvence proud v obvodu relé.
Pokud jsou CT spojeny v hvězdě, poměr CT bude In/1 nebo 5 A
CT spojené v trojúhelníku, poměr CT bude In/0.5775 nebo 5×0.5775 A

Voltage Balance Differential Relay

V tomto uspořádání jsou proudové transformátory spojeny na obou stranách zařízení tak, aby EMF indukovaná v sekundárním vinutí obou proudových transformátorů se navzájem vyrušovala. To znamená, že sekundární vinutí proudových transformátorů z obou stran zařízení jsou spojeny v sérii s opačnou polaritou. Diferenciální cívka relé je někde vložena do smyčky vytvořené sériovým spojením sekundárních vinutí proudových transformátorů, jak je znázorněno na obrázku. Za normálních provozních podmínek a také za podmínek externí poruchy jsou EMF indukované v obou sekundárních vinutích CT stejné a opačné, a proto by žádný proud neproudil skrz cívku relé. Ale jakmile dojde k interní poruše v chráněném zařízení, tyto EMF již nejsou vyvážené, a proto proud začíná proudit skrz cívku relé, což vede k zapnutí vypínače.

Existují některé nevýhody u relé s rovnováhou napětí, jako je potřeba konstrukce transformátoru s více tapy pro přesné vyvážení párů proudových transformátorů. Systém je vhodný pro ochranu kabelů relativně krátké délky, jinak kapacitance pilotních drátů ruší výkon. Na dlouhých kabelech je nabíjecí proud dostatečný k zapnutí relé, i když je dosaženo dokonalé rovnováhy proudových transformátorů.
Tyto nevýhody lze odstranit z systému zavedením Translay systému/schématu, který je nic jiného než upravený systém rovnováhy napěťové diferenciální relé. Schéma Translay je hlavně aplikováno pro diferenciální ochranu vedení.

Zde jsou dva sady proudových transformátorů spojené na obou koncích vedení. Sekundární vinutí každého proudového transformátoru je vybaveno individuálním dvojitým vinutím indukčního typu relé. Sekundární vinutí každého proudového transformátoru pohání primární obvod dvojitě vinutého indukčního typu relé. Sekundární obvod každého relé je sériově spojen k vytvoření uzavřené smyčky prostřed