Differenzrelais

Die in der Schutztechnik von Stromsystemen verwendeten Relais sind unterschiedlicher Art. Darunter ist das Differenzrelais ein sehr häufig eingesetztes Relais zum Schutz von Transformern und Generatoren vor lokalen Fehlern.
Differenzrelais sind sehr empfindlich auf Fehler, die innerhalb des Schutzbereichs auftreten, aber sie sind am wenigsten empfindlich auf Fehler, die außerhalb des geschützten Bereichs auftreten. Die meisten Relais schalten ein, wenn eine Größe einen vorgegebenen Wert überschreitet, beispielsweise schaltet ein Überstromrelais ein, wenn der durchfließende Strom den vorgegebenen Wert überschreitet. Das Prinzip des Differenzrelais ist jedoch etwas anders. Es arbeitet abhängig von der Differenz zwischen zwei oder mehr ähnlichen elektrischen Größen.

Definition des Differenzrelais

Das Differenzrelais ist eines, das einsetzt, wenn die Differenz zwischen zwei oder mehr ähnlichen elektrischen Größen einen vorgegebenen Wert überschreitet. Im Schaltkreis eines Differenzrelaisschemas gibt es zwei Ströme, die aus zwei Teilen eines elektrischen Stromkreises stammen. Diese beiden Ströme treffen sich an einem Knotenpunkt, an dem eine Relaiswicklung angeschlossen ist. Gemäß dem Kirchhoffschen Stromgesetz ist der resultierende Strom, der durch die Relaiswicklung fließt, nichts anderes als die Summe der beiden Ströme, die aus zwei verschiedenen Teilen des elektrischen Stromkreises stammen. Wenn Polarisierung und Amplitude beider Ströme so eingestellt sind, dass die Phasorsumme dieser beiden Ströme bei normaler Betriebsbedingung Null beträgt, fließt bei normalen Betriebsbedingungen kein Strom durch die Relaiswicklung. Bei einer Abweichung im Stromkreis, die dieses Gleichgewicht stört, bedeutet dies, dass die Phasorsumme dieser beiden Ströme nicht länger Null bleibt und ein nicht-nuller Strom durch die Relaiswicklung fließt, wodurch das Relais einsetzt.

Im Stromdifferenzschema gibt es zwei Satz von Stromwandler, die jeweils auf einer Seite der mit einem Differenzrelais geschützten Ausrüstung angeordnet sind. Die Verhältnisse der Stromwandler sind so gewählt, dass die Sekundärströme beider Stromwandler in ihrer Größe übereinstimmen.
Die Polaritäten der Stromwandler sind so, dass die Sekundärströme dieser CTs sich gegenseitig entgegenwirken. Aus dem Schaltkreis geht klar hervor, dass nur, wenn eine nicht-nuller Unterschied zwischen diesen beiden Sekundärströmen entsteht, dieser Differenzstrom durch die Arbeitswicklung des Relais fließt. Wenn dieser Unterschied größer ist als der Peak-Wert des Relais, wird es eingeschaltet, um die Schaltstrecken zu öffnen, um die geschützte Ausrüstung vom System zu isolieren. Als Relaisglied im Differenzrelais wird ein Armaturtyp-Instantanrelais verwendet, da das Differenzschema nur zur Beseitigung von Fehlern innerhalb der geschützten Ausrüstung geeignet ist. Mit anderen Worten sollte das Differenzrelais nur interne Fehler der Ausrüstung beseitigen, daher sollte die geschützte Ausrüstung sofort isoliert werden, sobald ein Fehler innerhalb der Ausrüstung selbst auftritt. Es muss keine Zeitverzögerung für die Koordination mit anderen Relais im System geben.

Arten von Differenzrelais

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Differenzrelais, abhängig vom Funktionsprinzip.

1. Strombilanz-Differenzrelais

2. Spannungsbilanz-Differenzrelais

Bei einem Stromdifferenzrelais werden zwei Stromwandler auf beiden Seiten der zu schützenden Ausrüstung angebracht. Die Sekundärschaltkreise der Stromwandler sind so in Serie verbunden, dass sie die Sekundärströme in gleicher Richtung führen.

Die Arbeitswicklung des Relaisglieds ist über den Sekundärschaltkreis der Stromwandler angeschlossen. Unter normalen Betriebsbedingungen führt die geschützte Ausrüstung (entweder ein Starkstromtransformator oder ein Generator) den Normalstrom. In dieser Situation sei der Sekundärstrom des CT1 I1 und der Sekundärstrom des CT2 I2. Es ist auch aus dem Schaltkreis ersichtlich, dass der Strom, der durch die Relaiswicklung fließt, nichts anderes als I1-I2 ist. Wie bereits erwähnt, sind die Verhältnisse und Polaritäten der Stromwandler so gewählt, dass I1 = I2 gilt, daher fließt kein Strom durch die Relaiswicklung. Wenn nun ein Fehler außerhalb des von den Stromwandlern abgedeckten Bereichs auftritt, fließt der Fehlerstrom durch die Primäre beider Stromwandler und somit bleiben die Sekundärströme beider Stromwandler gleich wie unter normalen Betriebsbedingungen. Daher wird das Relais in dieser Situation nicht eingeschaltet. Wenn jedoch ein Erdfehler innerhalb der geschützten Ausrüstung auftritt, wie dargestellt, sind die beiden Sekundärströme nicht länger gleich. In diesem Fall wird das Differenzrelais eingeschaltet, um die fehlerhafte Ausrüstung (Transformator oder Generator) vom System zu isolieren.
Prinzipiell leiden solche Relaisysteme unter einigen Nachteilen

1. Es kann zu einer Wahrscheinlichkeit von Impedanzungleichheiten in den Kabeln vom Sekundär der Stromwandler bis zum entfernten Relaisfeld kommen.

2. Diese Pilotkabelkapazität verursacht ein falsches Einschalten des Relais, wenn große Durchgangsfehler außerhalb der Ausrüstung auftreten.

3. Eine genaue Anpassung der Eigenschaften der Stromwandler kann nicht erreicht werden, daher kann es zu einem Spillstrom durch das Relais unter normalen Betriebsbedingungen kommen.

Prozentualer Differenzrelais

Dieses ist so konzipiert, dass es auf den Differenzstrom in Bezug auf sein fraktionelles Verhältnis zum Strom reagiert, der durch den geschützten Abschnitt fließt. In diesem Typ von Relais gibt es neben der Arbeitswicklung des Relais auch Hemmwirkungswicklungen. Die Hemmwirkungswicklungen erzeugen ein Moment, das dem Arbeitsmoment entgegenwirkt. Unter normalen und Durchgangsfehlerbedingungen ist das Hemmmoment größer als das Arbeitsmoment. Dadurch bleibt das Relais inaktiv. Wenn ein interner Fehler auftritt, übersteigt die Arbeitskraft die Voreinstellungskraft und das Relais wird eingeschaltet. Diese Voreinstellungskraft kann durch die Änderung der Windungszahl der Hemmwirkungswicklungen eingestellt werden. Wie in der Abbildung unten gezeigt, wenn I1 der Sekundärstrom des CT1 und I2 der Sekundärstrom des CT2 ist, dann ist der Strom durch die Arbeitswicklung I1 – I2 und der Strom durch die Hemmwirkungswicklung (I1 + I2)/2. Unter normalen und Durchgangsfehlerbedingungen ist das durch den Strom (I1+ I2)/2 erzeugte Moment der Hemmwirkungswicklung größer als das durch den Strom I1– I2 erzeugte Moment der Arbeitswicklung, aber bei internen Fehlern wird dies umgekehrt. Die Voreinstellung wird definiert als das Verhältnis von (I1– I2) zu (I1+ I2)/2.

Es ist aus der obigen Erklärung klar, dass je größer der durch die Hemmwirkungswicklung fließende Strom, desto höher der für die Arbeitswicklung erforderliche Strom, um eingeschaltet zu werden. Das Relais wird Prozentrelais genannt, weil der für den Auslöser erforderliche Arbeitsstrom als Prozentsatz des Durchgangsstroms ausgedrückt werden kann.

Verhältnis und Verbindung von Stromwandler für Differenzrelais

Diese einfache Faustregel besagt, dass die Stromwandler an jeder Sternwicklung in Delta und die Stromwandler an jeder Deltawicklung in Stern verbunden werden sollten. Dies geschieht, um den Nullfolgenstrom im Relaiskreis zu eliminieren.
Wenn die CTs in Stern verbunden sind, beträgt das CT-Verhältnis In/1 oder 5 A
CTs, die in Delta verbunden sind, beträgt das CT-Verhältnis In/0.5775 oder 5×0.5775 A

Spannungsbilanz-Differenzrelais

In dieser Anordnung sind die Stromwandler auf beiden Seiten der Ausrüstung so verbunden, dass die in den Sekundären der Stromwandler induzierten EMF sich gegenseitig aufheben. Das bedeutet, dass die Sekundäre der Stromwandler auf beiden Seiten der Ausrüstung mit entgegengesetzter Polarität in Reihe verbunden sind. Die Differenzrelaiswicklung ist irgendwo im Kreislauf eingefügt, der durch die Reihenschaltung der Sekundäre der Stromwandler entsteht, wie in der Abbildung gezeigt. Bei normalen Betriebsbedingungen und auch bei Durchgangsfehlern sind die in den Sekundären der Stromwandler induzierten EMFs gleich und sich gegenseitig aufhebend, sodass kein Strom durch die Relaiswicklung fließt. Sobald jedoch ein interner Fehler in der geschützten Ausrüstung auftritt, sind diese EMFs nicht länger ausbalanciert, daher beginnt Strom durch die Relaiswicklung zu fließen, was den Schaltkreis auslöst.

Es gibt einige Nachteile beim Spannungsbilanz-Differenzrelais, wie z.B. dass ein Mehrfachanschluss-Transformatorbauart erforderlich ist, um eine genaue Bilanzierung zwischen den Stromwandlerpaaren zu erreichen. Das System ist für den Schutz von Kabeln von relativ kurzer Länge geeignet, ansonsten stört die Kapazität der Pilotleitungen die Leistung. Bei langen Kabeln ist der Ladestrom ausreichend, um das Relais selbst bei perfekter Bilanzierung der Stromwandler auszulösen.
Diese Nachteile können aus dem System eliminiert werden, indem das Translay-System/Schema eingeführt wird, das nichts anderes als ein modifiziertes Spannungsdifferenzrelais-System ist. Das Translay-Schema wird hauptsächlich für den Differenzschutz von Speisern angewendet.

Hier sind zwei Sätze von Stromwandlern an jedem Ende des Speisers angeordnet. Das Sekundär jedes Stromwandlers ist mit einem individuellen Doppeldraht-Induktionsrelais ausgestattet. Das Sekundär jedes Stromwandlers speist den Primärschaltkreis des Doppeldraht-Induktionsrelais. Der Sekundärschaltkreis jedes Relais ist in Reihe verbunden, um durch Pilotleitungen einen geschlossenen Kreis zu bilden. Die Verbindung sollte so erfolgen, dass die in der Sekundärspule eines Relais induzierte Spannung der gleichen des anderen Relais entgegenwirkt. Das Ausgleichselement neutralisiert die Wirkung der Kapazitätsströme der Pilotleitungen und die Wirkung des inhärenten Ungleichgewichts zwischen den beiden Stromwandlern.

Unter normalen Bedingungen und bei Durchgangsfehlern ist der Strom an beiden Enden des Speisers gleich, sodass der in den Sekundären der Stromwandler induzierte Strom ebenfalls gleich ist. Aufgrund dieser gleichen Ströme in den Sekundären der Stromwandler induzieren die Primäre jedes Relais die gleiche EMF. Folglich ist die in den Sekundären der Relais induzierte EMF ebenfalls gleich, aber die Spulen sind so verbunden, dass diese EMFs in entgegengesetzter Richtung stehen. Als Ergebnis fließt kein Strom durch den Pilotkreis und es wird in keiner der Relais ein Arbeitsmoment erzeugt.

Wenn jedoch ein Fehler im Speiser innerhalb des Bereichs zwischen den Stromwandlern auftritt, unterscheidet sich der Strom, der den Speiser verlässt, vom Strom, der in den Speiser eingeht. Folglich besteht kein Gleichgewicht zwischen den Strömen in beiden Sekundären der Stromwandler. Diese ungleichen sekundären Stromwandlerströme erzeugen ungleiche sekundäre induzierte Spannungen in beiden Relais. Daher beginnt Strom im Pilotkreis zu zirkulieren und es wird in beiden Relais ein Moment erzeugt.

Da die Richtung des sekundären Stroms in die Relais entgegengesetzt ist, neigt das Moment in einem Relais dazu, die Tripschalter zu schließen, während das in dem anderen Relais erzeugte Moment dazu neigt, die Bewegung der Tripschalter in der normalen unbetätigten Position zu halten. Das Arbeitsmoment hängt von der Position und der Natur der Fehler im geschützten Bereich des Speisers ab. Der feh