Relé diferencial

As reloís utilizadas na protección do sistema eléctrico son de diferentes tipos. Entre eles, a reloí de diferencial é moi comúnmente usada para protexer transformadores e xeradores de fallos localizados.
As reloís de diferencial son moi sensibles aos fallos que ocorren dentro da zona de protección, pero son menos sensibles aos fallos que ocorren fóra da zona protegida. A maioría das reloís funcionan cando calquera cantidade excede un valor predeterminado, por exemplo, a reloí de sobrecorrente funciona cando a corrente a través dela excede o valor predeterminado. Pero o principio da reloí de diferencial é algo diferente. Funciona dependendo da diferenza entre dúas ou máis cantidades eléctricas similares.

Definición de reloí de diferencial

A reloí de diferencial é aquela que funciona cando hai unha diferenza entre dúas ou máis cantidades eléctricas similares que excede un valor predeterminado. No esquema de circuito da reloí de diferencial, hai dúas correntes que provén de dúas partes dun circuito eléctrico de potencia. Estas dúas correntes se enconstran nun punto de xunção onde está conectada unha bobina de reloí. Segundo a Lei de Corrente de Kirchhoff, a corrente resultante que flúe a través da bobina da reloí non é nada máis que a suma de dúas correntes, que provén de dúas partes diferentes do circuito eléctrico de potencia. Se a polaridade e a amplitud de ambas as correntes están axustadas de tal xeito que a suma fasorial destas dúas correntes, é cero nas condicións normais de funcionamento. Polo tanto, non haxa corrente fluindo a través da bobina da reloí nas condicións normais de funcionamento. Pero debido a calquera anormalidade no circuito de potencia, se esta balance se rompe, iso significa que a suma fasorial destas dúas correntes xa non é cero e haxa corrente non nula fluindo a través da bobina da reloí, polo que a reloí se activa.

No esquema de diferencial de corrente, hai dous conxuntos de transformador de corrente cada un conectado a ambos os lados do equipo protexido pola reloí de diferencial. A relación dos transformadores de corrente está escollida de tal xeito que as correntes secundarias de ambos os transformadores de corrente coinciden en magnitude.
A polaridade dos transformadores de corrente está tal que a corrente secundaria destes CTs se opón entre si. Está claro no circuito que só se crea unha diferenza non nula entre estas dúas correntes secundarias, só entón esta corrente diferencial fluirá a través da bobina de funcionamento da reloí. Se esta diferenza é maior que o valor de pico da reloí, actuará para abrir os interruptores de circuito para aislar o equipo protexido do sistema. O elemento de relé utilizado na reloí de diferencial é do tipo atracción de armadura instantánea, xa que o esquema de diferencial só está adaptado para limpar o fallo dentro do equipo protexido, en outras palabras, a reloí de diferencial debe limpar só o fallo interno do equipo, polo que o equipo protexido debe ser aislado tan pronto como ocorra calquera fallo dentro do propio equipo. Non é necesario ningún retardo de tempo para a coordinación con outras reloís no sistema.

Tipos de reloí de diferencial

Hai principalmente dous tipos de reloí de diferencial dependendo do principio de funcionamento.

1. Reloí de diferencial de balance de corrente

2. Reloí de diferencial de balance de tensión

Na reloí de diferencial de corrente, dous transformadores de corrente están instalados en ambos os lados do equipo a protexir. Os circuitos secundarios dos TCs están conectados en serie de tal xeito que levam a corrente secundaria dos TCs na mesma dirección.

A bobina de funcionamento do elemento de relé está conectada a través do circuito secundario dos TCs. Nas condicións normais de funcionamento, o equipo protexido (seja un transformador de potencia ou un alternador) leva corrente normal. Nesta situación, digamos que a corrente secundaria do TC1 é I1 e a corrente secundaria do TC2 é I2. Tamén está claro no circuito que a corrente que pasa a través da bobina da reloí non é nada máis que I1-I2. Como dixemos antes, a relación e a polaridade dos transformadores de corrente están escollidas de tal xeito que I1 = I2, polo que non haxa corrente fluindo a través da bobina da reloí. Agora, se ocorre calquera fallo externo á zona cuberta polos TCs, a corrente de fallo pasa a través do primario de ambos os transformadores de corrente e, polo tanto, as correntes secundarias de ambos os transformadores de corrente permanecen iguais como no caso de condicións normais de funcionamento. Polo tanto, nesta situación a reloí non se activará. Pero se ocorre calquera fallo a terra dentro do equipo protexido como se mostra, as dúas correntes secundarias xa non serán iguais. Nese caso, a reloí de diferencial se activará para aislar o equipo defectuoso (transformador ou alternador) do sistema.
Principialmente, este tipo de sistemas de reloís sufre de algúns inconvenientes

1. Pode haber unha probabilidade de desacoplamento na impedancia do cable desde o secundario do TC ata o panel de relés remoto.

2. A capacitancia destes cables piloto causa un funcionamento incorrecto da reloí cando ocorre un gran fallo a través do equipo.

3. Non se pode lograr un acoplamento preciso das características dos transformadores de corrente, polo que pode haber corrente de escape fluindo a través da reloí nas condicións normais de funcionamento.

Reloí de diferencial porcentual

Esta está deseñada para responder á corrente diferencial en termos da súa relación fraccionaria coa corrente que flúe a través da sección protexida. Neste tipo de reloí, hai bobinas de restricción ademais da bobina de funcionamento da reloí. As bobinas de restricción producen par contrário ao par de funcionamento. Nas condicións normais e de fallo a través, o par de restricción é maior que o par de funcionamento. Polo tanto, a reloí permanece inactiva. Cando ocorre un fallo interno, a forza de funcionamento supera a forza de sesgo e, polo tanto, a reloí se activa. Esta forza de sesgo pode ser axustada variando o número de voltas nas bobinas de restricción. Como se mostra na figura abaixo, se I1 é a corrente secundaria do TC1 e I2 é a corrente secundaria do TC2, entón a corrente a través da bobina de funcionamento é I1 – I2 e a corrente a través da bobina de restricción é (I1 + I2)/2. Nas condicións normais e de fallo a través, o par producido por as bobinas de restricción debido á corrente (I1+ I2)/2 é maior que o par producido pola bobina de funcionamento debido á corrente I1– I2, pero nas condicións de fallo interno estes se tornan opostos. E a configuración de sesgo está definida como a relación de (I1– I2) a (I1+ I2)/2.

É claro a partir da explicación anterior, maior a corrente que flúe a través das bobinas de restricción, maior o valor da corrente necesaria para que a bobina de funcionamento se active. A reloí chámase reloí porcentual porque a corrente de funcionamento necesaria para disparar pode expresarse como un porcentaxe da corrente a través.

Relación e conexión de TC para reloí de diferencial

Esta simple regra de xullo é que os transformadores de corrente en calquera enroscado en estrela deben estar conectados en delta e os transformadores de corrente en calquera enroscado en delta deben estar conectados en estrela. Isto fágose para eliminar a corrente de secuencia cero no circuito da reloí.
Se os TCs están conectados en estrela, a relación de TC será In/1 ou 5 A
Os TCs para estar conectados en delta, a relación de TC será In/0.5775 ou 5×0.5775 A

Reloí de diferencial de balance de tensión

Nesta disposición, os transformadores de corrente están conectados a ambos os lados do equipo de tal xeito que a FEM inducida no secundario de ambos os transformadores de corrente se oporán entre si. Iso significa que o secundario dos transformadores de corrente de ambos os lados do equipo están conectados en serie con polaridade oposta. A bobina da reloí de diferencial está inserida en algún lugar no bucle creado pola conexión en serie do secundario dos transformadores de corrente, como se mostra na figura. Nas condicións normais de funcionamento e tamén nas condicións de fallo a través, as FEMs inducidas en ambos os secundarios dos TCs son iguais e opostas entre si e, polo tanto, non haxa corrente fluindo a través da bobina da reloí. Pero tan pronto como ocorre calquera fallo interno no equipo baixo protección, estas FEMs xa non están equilibradas e, polo tanto, a corrente comeza a fluir a través da bobina da reloí, dispara así o interruptor de circuito.

Hai algúns inconvenientes na reloí de diferencial de balance de tensión, como a necesidade de construción de transformadores de múltiples tomas para obter un equilibrio preciso entre os pares de transformadores de corrente. O sistema é adecuado para a protección de cabos de lonxitude relativamente curta, senón a capacitancia dos fios piloto perturba o rendemento. En cabos longos, a corrente de carga será suficiente para activar a reloí incluso se se logra un equilibrio perfecto entre os transformadores de corrente.
Estes inconvenientes poden eliminarse do sistema introducindo o esquema Translay, que non é máis que un sistema modificado de reloí de diferencial de balance de tensión. O esquema Translay aplícase principalmente para a protección diferencial de alimentadores.

Aquí, hai dous conxuntos de transformadores de corrente conectados a ambos os extremos do alimentador. O secundario de cada transformador de corrente está equipado con un relé de indución de dobre bobina individual. O secundario de cada transformador de corrente alimenta o circuito primario do relé de indución de dobre bobina. O circuito secundario de cada relé está conectado en serie para formar un bucle pechado mediante fios piloto. A conexión debe ser tal que a tensión inducida no secundario do relé se oporá á do outro. O dispositivo compensador neutraliza o efecto das correntes de capacitancia dos fios piloto e o efecto da falta inherente de equilibrio entre os dous transformadores de corrente.

Nas condicións normais e de fallo a través, a corrente en ambos os extremos do alimentador é a mesma, polo que a corrente inducida no secundario dos TCs tamén será igual. Debido a estas correntes iguais no secundario dos TCs, o primario de cada relé induce a mesma FEM. En consecuencia, a FEM inducida nos secundarios do relé tamén é a mesma, pero as bobinas están conectadas de tal xeito que estas FEMs están en dirección oposta. Como resultado, non haxa corrente fluindo a través do bucle piloto e, polo tanto, non se produce ningunha forza de operación en nenhum dos relés.

Pero se ocorre calquera fallo no alimentador dentro da zona entre os transformadores de corrente, a corrente que saí do alimentador será diferente da corrente que entra no alimentador. En consecuencia, non haxa igualdade entre as correntes en ambos os secundarios dos TCs. Estas correntes secundarias desiguais dos TCs prodúcense unha tensión secundária desequilibrada en ambos os relés. Polo tanto, a corrente comeza a circular no bucle piloto e, polo tanto, prodúcese forza en ambos os relés.

Como a dirección da corrente secundaria é oposta nos relés, polo tanto, a forza en un relé tenderá a pechar os contactos de disparo e, ao mesmo tempo, a forza producida no outro relé tenderá a manter o movemento dos contactos de disparo na posición normal non operada. A forza de operación depende da posición e natureza dos fallos na zona protexida do alimentador. A parte defectuosa do alimentador separase da parte sana cando polo menos