Relais différentiel

Les relais utilisés dans la protection des systèmes électriques sont de différents types. Parmi eux, le relais différentiel est très couramment utilisé pour protéger les transformateurs et les alternateurs contre les défauts localisés.
Les relais différentiels sont très sensibles aux défauts qui se produisent à l'intérieur de la zone de protection, mais ils sont peu sensibles aux défauts qui se produisent en dehors de la zone protégée. La plupart des relais s'activent lorsque une quantité dépasse une valeur prédéterminée, par exemple, un relais de surintensité s'active lorsque le courant qui le traverse dépasse une valeur prédéterminée. Mais le principe du relais différentiel est quelque peu différent. Il s'active en fonction de la différence entre deux ou plusieurs grandeurs électriques similaires.

Définition du relais différentiel

Le relais différentiel est celui qui s'active lorsque la différence entre deux ou plusieurs grandeurs électriques similaires dépasse une valeur prédéterminée. Dans le schéma de circuit du relais différentiel, il y a deux courants provenant de deux parties d'un circuit électrique de puissance. Ces deux courants se rencontrent à un point de jonction où une bobine de relais est connectée. Selon la loi de Kirchhoff des courants, le courant résultant qui traverse la bobine de relais n'est rien d'autre que la somme de ces deux courants, venant de deux parties différentes du circuit électrique de puissance. Si la polarité et l'amplitude de ces deux courants sont telles que la somme phasorielle de ces deux courants est nulle dans les conditions normales de fonctionnement, il n'y aura pas de courant traversant la bobine de relais dans ces conditions. Cependant, en cas d'anomalie dans le circuit de puissance, si cet équilibre est rompu, cela signifie que la somme phasorielle de ces deux courants n'est plus nulle et qu'il y aura un courant non nul traversant la bobine de relais, ce qui entraînera l'activation du relais.

Dans le schéma de courant différentiel, il y a deux ensembles de transformateurs de courant, chacun connecté à l'une des extrémités de l'équipement protégé par un relais différentiel. Le rapport des transformateurs de courant est choisi de telle sorte que les courants secondaires des deux transformateurs de courant correspondent en magnitude.
Les polarités des transformateurs de courant sont telles que les courants secondaires de ces TC s'opposent mutuellement. Il est clair que, dans le circuit, seul un écart non nul entre ces deux courants secondaires fera circuler un courant différentiel à travers la bobine de fonctionnement du relais. Si cet écart est supérieur à la valeur de pic du relais, il s'activera pour ouvrir les disjoncteurs afin d'isoler l'équipement protégé du système. L'élément de relais utilisé dans le relais différentiel est un relais instantané à noyau attiré car le schéma différentiel est uniquement adapté pour éliminer les défauts à l'intérieur de l'équipement protégé, autrement dit, le relais différentiel doit uniquement éliminer les défauts internes de l'équipement, de sorte que l'équipement protégé doit être isolé dès qu'un défaut se produit à l'intérieur de l'équipement lui-même. Il n'est pas nécessaire d'avoir un délai pour la coordination avec d'autres relais dans le système.

Types de relais différentiel

Il existe principalement deux types de relais différentiel en fonction du principe de fonctionnement.

1. Relais différentiel de balance de courant

2. Relais différentiel de balance de tension

Dans le relais différentiel de courant, deux transformateurs de courant sont installés de chaque côté de l'équipement à protéger. Les circuits secondaires des TC sont connectés en série de manière à ce qu'ils transportent le courant secondaire des TC dans la même direction.

La bobine de fonctionnement de l'élément de relais est connectée à travers le circuit secondaire des TC. Dans les conditions normales de fonctionnement, l'équipement protégé (soit un transformateur de puissance, soit un alternateur) transporte un courant normal. Dans cette situation, disons que le courant secondaire du TC1 est I1 et le courant secondaire du TC2 est I2. Il est également clair à partir du circuit que le courant passant à travers la bobine de relais n'est rien d'autre que I1-I2. Comme nous l'avons dit précédemment, le rapport et la polarité des transformateurs de courant sont choisis de telle sorte que I1 = I2, donc il n'y aura pas de courant circulant à travers la bobine de relais. Maintenant, si un défaut se produit à l'extérieur de la zone couverte par les TC, le courant de défaut passe à travers le primaire des deux transformateurs de courant, et par conséquent, les courants secondaires des deux transformateurs de courant restent les mêmes que dans le cas des conditions normales de fonctionnement. Par conséquent, dans cette situation, le relais ne sera pas activé. Mais si un défaut de terre se produit à l'intérieur de l'équipement protégé comme indiqué, les deux courants secondaires ne seront plus égaux. Dans ce cas, le relais différentiel est activé pour isoler l'équipement défectueux (transformateur ou alternateur) du système.
En principe, ce type de système de relais souffre de certains inconvénients

1. Il peut y avoir une probabilité de désaccord dans l'impédance du câble du secondaire du TC au panneau de relais distant.

2. La capacité de ces câbles pilotes cause un fonctionnement incorrect du relais lorsqu'un grand défaut de traversée se produit à l'extérieur de l'équipement.

3. Un ajustement précis des caractéristiques des transformateurs de courant ne peut pas être réalisé, de sorte qu'il peut y avoir un courant de débordement circulant à travers le relais dans les conditions normales de fonctionnement.

Relais différentiel en pourcentage

Ce relais est conçu pour répondre au courant différentiel en termes de sa relation fractionnelle au courant circulant dans la section protégée. Dans ce type de relais, il y a des bobines de freinage en plus de la bobine de fonctionnement du relais. Les bobines de freinage produisent un couple opposé au couple de fonctionnement. Dans les conditions normales et en cas de défaut de traversée, le couple de freinage est supérieur au couple de fonctionnement. Ainsi, le relais reste inactif. Lorsqu'un défaut interne se produit, la force de fonctionnement dépasse la force de biais et par conséquent, le relais est activé. Cette force de biais peut être ajustée en variant le nombre de spires sur les bobines de freinage. Comme indiqué dans la figure ci-dessous, si I1 est le courant secondaire du TC1 et I2 est le courant secondaire du TC2, alors le courant à travers la bobine de fonctionnement est I1 – I2 et le courant à travers la bobine de freinage est (I1 + I2)/2. Dans les conditions normales et en cas de défaut de traversée, le couple produit par les bobines de freinage en raison du courant (I1+ I2)/2 est supérieur au couple produit par la bobine de fonctionnement en raison du courant I1– I2, mais dans les conditions de défaut interne, ces couples deviennent opposés. Et le réglage de biais est défini comme le rapport de (I1– I2) à (I1+ I2)/2.

Il est clair de l'explication ci-dessus, plus le courant circulant à travers les bobines de freinage est élevé, plus la valeur du courant nécessaire pour que la bobine de fonctionnement s'active est élevée. Le relais est appelé relais en pourcentage car le courant de fonctionnement nécessaire pour déclencher peut être exprimé en pourcentage du courant de traversée.

Rapport et connexion des TC pour le relais différentiel

Cette règle simple est que les transformateurs de courant sur tout enroulement en étoile doivent être connectés en triangle et les transformateurs de courant sur tout enroulement en triangle doivent être connectés en étoile. Ceci est fait pour éliminer le courant de séquence zéro dans le circuit de relais.
Si les TC sont connectés en étoile, le rapport des TC sera In/1 ou 5 A
Les TC doivent être connectés en triangle, le rapport des TC sera In/0.5775 ou 5×0.5775 A

Relais différentiel de balance de tension

Dans cet arrangement, les transformateurs de courant sont connectés de chaque côté de l'équipement de telle manière que les tensions induites dans le secondaire des deux transformateurs de courant s'opposeront mutuellement. Cela signifie que le secondaire des transformateurs de courant de chaque côté de l'équipement est connecté en série avec une polarité opposée. La bobine du relais différentiel est insérée quelque part dans la boucle créée par la connexion en série des secondaires des transformateurs de courant, comme indiqué dans la figure. Dans les conditions normales de fonctionnement et également en cas de défaut de traversée, les tensions induites dans les deux secondaires des TC sont égales et opposées, et par conséquent, il n'y aurait pas de courant circulant à travers la bobine de relais. Mais dès qu'un défaut interne se produit dans l'équipement sous protection, ces tensions ne sont plus équilibrées, et par conséquent, un courant commence à circuler à travers la bobine de relais, ce qui entraîne le déclenchement du disjoncteur.

Il y a quelques inconvénients dans le relais différentiel de balance de tension, tels qu'une construction de transformateur à plusieurs prises est requise pour un équilibre précis entre les paires de transformateurs de courant. Le système est adapté pour la protection des câbles de longueur relativement courte, sinon la capacité des fils pilotes perturbe les performances. Sur les longs câbles, le courant de charge sera suffisant pour activer le relais, même si un équilibre parfait des transformateurs de courant est atteint.
Ces inconvénients peuvent être éliminés du système en introduisant le système Translay, qui n'est rien d'autre qu'un relais différentiel de balance de tension modifié. Le schéma Translay est principalement appliqué pour la protection différentielle des alimentations.

Ici, deux ensembles de transformateurs de courant sont connectés à chaque extrémité de l'alimentation. Le secondaire de chaque transformateur de courant est équipé d'un relais à double enroulement de type induction individuel. Le secondaire de chaque transformateur de courant alimente le circuit primaire du relais à double enroulement de type induction. Le circuit secondaire de chaque relais est connecté en série pour former une boucle fermée au moyen de fils pilotes. La connexion doit être telle que la tension induite dans le secondaire d'un relais s'oppose à celle de l'autre. Le dispositif de compensation neutralise l'effet des courants de capacité des fils pilotes et l'effet du manque d'équilibre inhérent entre les deux transformateurs de courant.

Dans les conditions normales et en cas de défaut de traversée, le courant aux deux extrémités de l'alimentation est le même, de sorte que le courant induit dans les secondaires des TC serait également égal. En raison de ces courants égaux dans les secondaires des TC, le primaire de chaque relais induit la même FEM. Par conséquent, la FEM induite dans les secondaires des relais est également la même, mais les bobines sont connectées de telle sorte que ces FEM sont dans des directions opposées. En conséquence, aucun courant ne circulera à travers la boucle pilote et par conséquent, aucun couple de fonctionnement ne sera produit dans l'un des relais.

Mais si un défaut se produit dans l'alimentation à l'intérieur de la zone entre les transformateurs de courant, le courant sortant de l'alimentation sera différent du courant entrant dans l'alimentation. Par conséquent, il n'y aura pas d'égalité entre les courants dans les deux secondaires des TC. Ces courants secondaires inégaux des TC produiront des tensions induites secondaires non équilibrées dans les deux relais. Par conséquent, un courant commencera à circuler dans la boucle pilote et un couple sera produit dans les deux relais.

Comme la direction du courant secondaire est opposée dans les relais, le couple dans un relais tendra à fermer les contacts de déclenchement, tandis que le couple produit dans l'autre relais tendra à maintenir le mouvement des contacts de déclenchement dans leur position normale non opérée. Le couple de fonctionnement dépend de la position et de la nature des défauts dans la zone protégée de l'alimentation. La partie défectueuse de l'alimentation est séparée de la partie saine lorsque au moins un élément de l'un des relais s'active.