رله دیفرانسیل

رله‌های مورد استفاده در حفاظت سیستم‌های برق از انواع مختلفی برخوردار هستند. از میان آنها رله دیفرانسیل به طور معمول برای محافظت ترانسفورماتورها و ژنراتورها از خطاها محلی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
رله‌های دیفرانسیل به خطاها که در ناحیه حفاظت رخ می‌دهند بسیار حساس هستند، اما به خطاها که خارج از ناحیه حفاظت رخ می‌دهند کمتر حساس هستند. بیشتر رله‌ها وقتی که یک مقدار خاص از مقدار تعیین شده فراتر رود عمل می‌کنند، مثلاً رله جریان زیاد وقتی که جریان آن از مقدار تعیین شده فراتر رود عمل می‌کند. اما اصل کار رله دیفرانسیل کمی متفاوت است. این رله با توجه به تفاوت بین دو یا چند کمیت الکتریکی مشابه عمل می‌کند.

تعریف رله دیفرانسیل

رله دیفرانسیل آن نوع رله است که وقتی تفاوت بین دو یا چند کمیت الکتریکی مشابه از یک مقدار تعیین شده فراتر رود عمل می‌کند. در شمای رله دیفرانسیل، دو جریان از دو بخش مدار الکتریکی قدرت وارد می‌شوند. این دو جریان در یک نقطه اتصال به هم می‌رسند که در آن یک پیچه رله متصل است. بر اساس قانون جریان کیرشهف، جریان نهایی که از طریق پیچه رله می‌گذرد، همان جمع دو جریان وارد شده از دو بخش مختلف مدار الکتریکی قدرت است. اگر قطبیت و دامنه هر دو جریان به گونه‌ای تنظیم شود که مجموع فازی این دو جریان در شرایط عادی صفر باشد، بنابراین در شرایط عادی هیچ جریانی از طریق پیچه رله عبور نخواهد کرد. اما در صورت بروز هر گونه ناهماهنگی در مدار قدرت، اگر این توازن شکسته شود، یعنی مجموع فازی این دو جریان دیگر صفر نباشد و جریان غیرصفری از طریق پیچه رله عبور خواهد کرد و در نتیجه رله عمل خواهد کرد.

در شمای جریان دیفرانسیل، دو مجموعه ترانسفورماتور جریان وجود دارد که هر یک به یک طرف تجهیزاتی که توسط رله دیفرانسیل محافظت می‌شود متصل می‌شوند. نسبت ترانسفورماتورهای جریان به گونه‌ای انتخاب می‌شود که جریان‌های ثانویه هر دو ترانسفورماتور در مقدار با یکدیگر مطابقت داشته باشند.
قطبیت ترانسفورماتورهای جریان به گونه‌ای است که جریان‌های ثانویه این ترانسفورماتورها یکدیگر را مقایسه می‌کنند. از مدار واضح است که فقط اگر تفاوت غیرصفری بین این دو جریان ثانویه ایجاد شود، در این صورت فقط جریان دیفرانسیل از طریق پیچه عملیاتی رله عبور خواهد کرد. اگر این تفاوت بیش از مقدار پیک رله باشد، رله عمل خواهد کرد تا مداربرهای شکن را برای جدا کردن تجهیزات محافظت شده از سیستم باز کند. عنصر رله‌ای که در رله دیفرانسیل استفاده می‌شود، رله فوری با آرماتور جذبی است زیرا شمای دیفرانسیل فقط برای رفع خطا داخل تجهیزات محافظت شده مناسب است به عبارت دیگر رله دیفرانسیل فقط باید خطا داخلی تجهیزات را رفع کند بنابراین تجهیزات محافظت شده باید به محض وقوع هر خطا در داخل تجهیزات خود جدا شوند. نیازی به تأخیر زمانی برای هماهنگی با سایر رله‌های سیستم نیست.

نوع‌های رله دیفرانسیل

در مجموع دو نوع رله دیفرانسیل بر اساس اصل عملکرد وجود دارد.

1. رله دیفرانسیل تعادل جریان

2. رله دیفرانسیل تعادل ولتاژ

در رله دیفرانسیل جریان دو ترانسفورماتور جریان روی هر دو طرف تجهیزاتی که باید محافظت شود نصب می‌شوند. مدارهای ثانویه ترانسفورماتورهای جریان به گونه‌ای به هم متصل می‌شوند که جریان ثانویه ترانسفورماتورهای جریان در یک جهت حرکت کنند.

پیچه عملیاتی عنصر رله‌ای به طور موازی با مدار ثانویه ترانسفورماتورهای جریان متصل می‌شود. در شرایط عادی عملکرد، تجهیزات محافظت شده (ترانسفورماتور قدرت یا مولد) جریان عادی را منتقل می‌کند. در این وضعیت، بگذارید جریان ثانویه CT1 I1 و جریان ثانویه CT2 I2 باشد. از مدار واضح است که جریان عبوری از پیچه رله همان I1-I2 است. همانطور که قبلاً گفتیم، نسبت و قطبیت ترانسفورماتورهای جریان به گونه‌ای انتخاب می‌شود که I1 = I2، بنابراین هیچ جریانی از طریق پیچه رله عبور نخواهد کرد. حالا اگر هر گونه خطا در بخش خارج از منطقه پوشش داده شده توسط ترانسفورماتورهای جریان رخ دهد، جریان خطا از طریق ابتدای هر دو ترانسفورماتور جریان عبور می‌کند و بنابراین جریان‌های ثانویه هر دو ترانسفورماتور جریان همانند حالت عادی عملکرد می‌کنند. بنابراین در آن وضعیت رله عمل نخواهد کرد. اما اگر هر گونه خطا در داخل تجهیزات محافظت شده رخ دهد، دو جریان ثانویه دیگر مساوی نخواهند بود. در این صورت رله دیفرانسیل عمل می‌کند تا تجهیزات معیوب (ترانسفورماتور یا مولد) را از سیستم جدا کند.
از نظر اصلی، این نوع سیستم‌های رله‌ای با برخی نقص‌ها مواجه هستند

1. احتمال عدم همخوانی در امپدانس کابل از ثانویه ترانسفورماتور جریان تا پنل رله دوردست وجود دارد.

2. ظرفیت این کابل‌های راهنما باعث عملکرد نادرست رله در مواقع بروز خطا بزرگ خارج از تجهیزات می‌شود.

3. تطابق دقیق ویژگی‌های ترانسفورماتورهای جریان امکان‌پذیر نیست، بنابراین ممکن است جریان فشاری از طریق رله در شرایط عادی عملکرد عبور کند.

رله دیفرانسیل درصدی

این رله طراحی شده است تا به جریان دیفرانسیل در قالب رابطه کسری آن با جریان عبوری از بخش محافظت شده پاسخ دهد. در این نوع رله، کویل‌های محدودکننده به اضافه کویل عملیاتی رله وجود دارد. کویل‌های محدودکننده گشتاوری مخالف با گشتاور عملیاتی ایجاد می‌کنند. در شرایط عادی و خطا از طریق، گشتاور محدودکننده بیشتر از گشتاور عملیاتی است. بنابراین رله غیرفعال می‌ماند. وقتی خطا داخلی رخ می‌دهد، نیروی عملیاتی بیش از نیروی محدودکننده می‌شود و بنابراین رله عمل می‌کند. این نیروی محدودکننده می‌تواند با تغییر تعداد دورهای کویل‌های محدودکننده تنظیم شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، اگر I1 جریان ثانویه CT1 و I2 جریان ثانویه CT2 باشد، جریان عبوری از کویل عملیاتی I1 – I2 و جریان عبوری از کویل محدودکننده (I1 + I2)/2 است. در شرایط عادی و خطا از طریق، گشتاور تولید شده توسط کویل‌های محدودکننده به دلیل جریان (I1+ I2)/2 بیشتر از گشتاور تولید شده توسط کویل عملیاتی به دلیل جریان I1– I2 است اما در شرایط خطا داخلی این‌ها مخالف می‌شوند. و تنظیم بایاس به عنوان نسبت (I1– I2) به (I1+ I2)/2 تعریف می‌شود.

از توضیحات بالا مشخص است که هر چه جریان عبوری از کویل‌های محدودکننده بیشتر باشد، مقدار بیشتری از جریان برای عملکرد کویل عملیاتی لازم است. این رله به دلیل اینکه جریان مورد نیاز برای عملکرد می‌تواند به عنوان درصدی از جریان عبوری بیان شود، رله درصدی نامیده می‌شود.

نسبت و اتصال ترانسفورماتور جریان برای رله دیفرانسیل

قاعده ساده این است که ترانسفورماتورهای جریان بر روی هر پیچش ستاره‌ای باید به صورت دلتا و ترانسفورماتورهای جریان بر روی هر پیچش دلتا باید به صورت ستاره متصل شوند. این کار به منظور حذف جریان دنباله صفر در مدار رله انجام می‌شود.
اگر ترانسفورماتورهای جریان به صورت ستاره متصل شوند، نسبت ترانسفورماتور In/1 یا 5 A خواهد بود
اگر ترانسفورماتورهای جریان به صورت دلتا متصل شوند، نسبت ترانسفورماتور In/0.5775 یا 5×0.5775 A خواهد بود

رله دیفرانسیل تعادل ولتاژ

در این ترتیب ترانسفورماتورهای جریان به دو طرف تجهیزات به گونه‌ای متصل می‌شوند که EMF القا شده در ثانویه هر دو ترانسفورماتور جریان یکدیگر را مقایسه می‌کنند. یعنی ثانویه ترانسفورماتورهای جریان از هر دو طرف تجهیزات به صورت سری با قطبیت مخالف متصل می‌شوند. پیچه رله دیفرانسیل به گونه‌ای در حلقه ایجاد شده توسط اتصال سری ثانویه ترانسفورماتورهای جریان قرار می‌گیرد. در شرایط عادی عملکرد و همچنین در شرایط خطا از طریق، EMF‌های القا شده در هر دو ثانویه ترانسفورماتور جریان مساو