Differentialrelæ

De relæer, der anvendes i beskyttelsessystemer for strømforsyninger, er af forskellige typer. Blandt dem er differentialrelæ meget almindeligt anvendt til at beskytte transformatorer og generatorer mod lokale fejl.
Differentialrelæer er meget følsomme over for fejl, der opstår inden for beskyttelseszonen, men de er mindst følsomme over for fejl, der opstår uden for den beskyttede zone. De fleste relæer virker, når en størrelse overstiger en forudbestemt værdi, for eksempel virker overstrømningssikring, når strømmen gennem den overstiger en forudbestemt værdi. Men princippet bag differentialrelæet er noget andet. Det virker afhængigt af forskellen mellem to eller flere lignende elektriske størrelser.

Definition af differentialrelæ

Et differentialrelæ er et, der virker, når der er en forskel mellem to eller flere lignende elektriske størrelser, der overstiger en forudbestemt værdi. I kredsløbet for differentialrelæet kommer der to strømme fra to dele af et elektrisk strømkredsløb. Disse to strømme mødes på et knudepunkt, hvor en relæspole er forbundet. Ifølge Kirchhoffs strømlov er den resulterende strøm, der løber gennem relæspolen, intet andet end summen af de to strømme, der kommer fra to forskellige dele af det elektriske strømkredsløb. Hvis polariteten og amplituden af begge strømme er så justeret, at fasorsummen af disse to strømme er nul under normale driftsbetingelser, vil der ikke være nogen strøm, der løber gennem relæspolen under normale driftsbetingelser. Men på grund af enhver uormalitet i strømkredsløbet, hvis denne balance brydes, betyder det, at fasorsummen af disse to strømme længere ikke er nul, og der vil være en ikkenul strøm, der løber gennem relæspolen, hvilket medfører, at relæet virker.

I strømdifferentialschemaet er der to sæt strømtransformatorer, hver forbrændt til hver side af udstyr, der beskyttes af differentialrelæ. Forholdet mellem strømtransformatorerne er så valgt, at sekundærstrømmerne af begge strømtransformatorer matcher hinanden i størrelse.
Polariteterne af strømtransformatorerne er sådan, at sekundærstrømmene af disse CT'er modsætter hinanden. Fra kredsløbet er det klart, at kun hvis der skabes en ikkenul forskel mellem disse to sekundærstrømme, vil denne differentialstrøm løbe gennem driftsspolen af relæet. Hvis denne forskel er større end spidstopsværdien af relæet, vil det virke for at åbne kredsløbsbrydere for at isolere det beskyttede udstyr fra systemet. Relæelementet, der anvendes i differentialrelæ, er en attraheret armaturetype øjeblikkeligt relæ, da differentialschemaet kun er tilpasset til at rydde fejl inden for det beskyttede udstyr, med andre ord skal differentialrelæ kun rydde interne fejl i udstyret, og derfor skal det beskyttede udstyr isoleres så snart der opstår en fejl inden for udstyret selv. Der behøves ingen tidsforsinkelse for koordinering med andre relæer i systemet.

Typer af differentialrelæ

Der findes hovedsagelig to typer af differentialrelæ afhængigt af arbejdsmåden.

1. Strømbalance-differentialrelæ

2. Spændingsbalance-differentialrelæ

I strømdifferentialrelæ monteres to strømtransformatorer på hver side af udstyret, der skal beskyttes. Sekundærkredsløbene af CT'er er forbundet i serie på en måde, så de fører sekundær CT-strøm i samme retning.

Driftsspolen af relæelementet er forbundet tværs over CT'ernes sekundærkredsløb. Under normale driftsbetingelser fører det beskyttede udstyr (enten strømtransformator eller alternator) normal strøm. I denne situation, lad os sige, at sekundærstrømmen af CT1 er I1 og sekundærstrømmen af CT2 er I2. Det er også klart fra kredsløbet, at strømmen, der passerer gennem relæspolen, er intet andet end I1-I2. Som vi sagde tidligere, er strømtransformatorernes forhold og polaritet så valgt, at I1 = I2, derfor vil der ikke være nogen strøm, der løber gennem relæspolen. Nu, hvis der opstår en fejl uden for zonen, der dækkes af CT'er, passerer fejlstrøm gennem primæren af både strømtransformatorer, og dermed bliver sekundærstrømmerne af begge strømtransformatorer de samme som i tilfældet med normale driftsbetingelser. Derfor vil relæet ikke virke i den situation. Men hvis der opstår en jordfejl inden for det beskyttede udstyr, som vist, vil de to sekundærstrømme længere ikke være ens. I dette tilfælde vil differentialrelæet virke for at isolere det defekte udstyr (transformator eller alternator) fra systemet.
Principielt lider denne type relæsystemer af nogle ulemper

1. Der kan være en sandsynlighed for misoverensstemmelse i kabelimpedans fra CT sekundær til det fjernplacerede relæpanel.

2. Disse pilotkabler’ kapacitance forårsager forkert funktionsmåde af relæet, når der opstår store gennemgangsfejl uden for udstyret.

3. Nøjagtig overensstemmelse af strømtransformatorers egenskaber kan ikke opnås, og derfor kan der være spildstrøm, der løber gennem relæet under normale driftsbetingelser.

Procentdifferentialrelæ

Dette er designet til at reagere på differentialstrømmen i termer af dens fraktionelle relation til strømmen, der løber gennem den beskyttede sektion. I denne type relæ er der bremsebobiner ud over driftsbobinen af relæet. Bremsebobinerne producerer drejningsmoment, der modsætter sig driftsdrejningsmomentet. Under normale og gennemgangsfejl-betingelser er bremsedrejningsmomentet større end driftsdrejningsmomentet. Derved forbliver relæet inaktivt. Når en intern fejl opstår, overstiger driftskraften bias-kraften, og derfor virker relæet. Denne bias-kraft kan justeres ved at variere antallet af vindinger på bremsebobinerne. Som vist i figuren nedenfor, hvis I1 er sekundærstrømmen af CT1 og I2 er sekundærstrømmen af CT2, så er strømmen gennem driftsbobinen I1 – I2 og strømmen gennem bremsebobinen er (I1 + I2)/2. Under normale og gennemgangsfejl-betingelser er drejningsmomentet, der produceres af bremsebobinerne, pga. strøm (I1+ I2)/2 større end drejningsmomentet, der produceres af driftsbobinen pga. strøm I1– I2, men under interne fejl-betingelser bliver disse modsatte. Og bias-indstillingen defineres som forholdet mellem (I1– I2) til (I1+ I2)/2.

Det er klart fra ovenstående forklaring, at jo større strøm, der løber gennem bremsebobinerne, jo større værdi af strøm, der kræves for, at driftsbobinen virker. Relæet kaldes procentrelæ, fordi den driftsstrøm, der kræves for at trippe, kan udtrykkes som en procentdel af gennemgangsstrømmen.

CT-forhold og forbindelse for differentialrelæ

Denne simple regel er, at strømtransformatorerne på ethvert stjernevinding skal forbundes i delta, og strømtransformatorerne på ethvert deltavinding skal forbundes i stjerne. Dette gøres for at eliminere nulsekvensstrøm i relækredsløbet.
Hvis CT'er er forbundet i stjerne, vil CT-forholdet være In/1 eller 5 A
CT'er, der skal forbundes i delta, vil CT-forholdet være In/0.5775 eller 5×0.5775 A

Spændingsbalance-differentialrelæ

I denne konfiguration er strømtransformatorerne forbundet på hver side af udstyret på en måde, så EMF, der induceres i sekundæren af begge strømtransformatorer, vil modsætte hinanden. Dette betyder, at sekundæren af strømtransformatorerne fra begge sider af udstyret er forbundet i serie med modsat polaritet. Differentialrelæets spole er sat ind et sted i løkken, der dannes af serieforbindelsen af sekundæren af strømtransformatorerne, som vist i figuren. Under normale driftsbetingelser og også under gennemgangsfejl-betingelser, er EMF, der induceres i begge CT sekundære, ens og modsat hinanden, og derfor vil der ikke være nogen strøm, der løber gennem relæspolen. Men så snart der opstår en intern fejl i udstyret under beskyttelse, er disse EMF længere ikke balanceret, og derfor starter strøm at løbe gennem relæspolen, hvilket aktiverer kredsløbsbryderen.

Der findes nogle ulemper i spændingsbalance-differentialrelæet, som f.eks. at en flerleddet transformerkonstruktion er nødvendig for præcis balance mellem strømtransformatorpar. Systemet er velegnet til beskyttelse af kabler af relativt kort længde, ellers forstyrrer pilotleds kapacitance ydeevnen. På lange kabler vil opladningsstrømmen være tilstrækkelig til at aktivere relæet, selv hvis en perfekt balance mellem strømtransformatorer er opnået.
Disse ulemper kan elimineres fra systemet ved at introducere Translay system/skema, som intet andet er end et modificeret balance-voltage-differentialrelæsystem. Translay-skema anvendes hovedsageligt til differentialbeskyttelse af ledninger.

Her er to sæt strømtransformatorer forbundet hver ende af ledningen. Sekundæren af hver strømtransformator er udstyret med individuelle dobbeltvinding-induktionstype relæ. Sekundæren af hver strømtransformator føder primærkredsløb af dobbeltvinding-induktionstype relæ. Sekundærkredsløbet af hvert relæ er forbundet i serie for at danne en lukket løkke ved hjælp af pilotled. Forbindelsen skal være sådan, at den inducerede spænding i sekundærspolen af ét relæ vil modsætte den samme af det andet. Kompenseringsenheden neutraliserer effekten af pilotleds kapacitancestrømme og effekten af den indbyggede mangel på balance mellem de to strømtransformatorer.

Under normale forhold og gennemgangsfejl-betingelser er strømmen i begge ender af ledningen den samme, og derfor vil strømmen, der induceres i CT'ernes sekundære, også være ens. Pga. disse lige strømme i CT'ernes sekundære inducerer primæren af hvert relæ samme EMF. Konsekvent vil EMF, der induceres i sekundære af relæet, også være den samme, men spolerne er forbundet på en måde, så disse EMF er i modsat retning. Som resultat vil der ikke være nogen strøm, der løber gennem pilotløkken, og dermed vil der ikke være nogen driftsdrejningsmoment produceret i enten af relæerne.

Men hvis der opstår en fejl i ledningen inden for zonen mellem strømtransformatorerne, vil strømmen, der forlader ledningen, være forskellig fra strømmen, der går ind i ledningen. Konsekvent vil der ikke være lighed mellem strømme i begge CT sekundære. Disse ulige sekundære CT-strømme vil producere ubal