Diferencijalni relej

Reljevi koji se koriste u zaštiti električnih sustava su različitih vrsta. Među njima diferencijalni relej često se koristi za zaštitu transformatora i generatora od lokaliziranih kvara.
Diferencijalni releji su vrlo osjetljivi na kvarove koji se događaju unutar zone zaštite, ali su najmanje osjetljivi na kvarove koji se događaju izvan zaštićene zone. Većina reljeva djeluje kada neka veličina premaši predodređenu vrijednost, na primjer, nadstrujni relej djeluje kada struja kroz njega premaši predodređenu vrijednost. Međutim, princip rada diferencijalnog releja je nešto drugačiji. Djeluje ovisno o razlici između dvije ili više sličnih električnih veličina.

Definicija diferencijalnog releja

Diferencijalni relej je onaj koji djeluje kada postoji razlika između dvije ili više sličnih električnih veličina koja premaši predodređenu vrijednost. U shemi diferencijalnog releja, postoje dve struje koje dolaze iz dvije dijelove električnog napajanja. Ove dvije struje susreću se u točki spoja gdje je povezan bobinjak releja. Prema Kirchhoffovom zakonu struje, rezultirajuća struja koja teče kroz bobinjak releja ničemu drugome nego zbroju tih dvije struje, koje dolaze iz dvije različite dijelove električnog napajanja. Ako polaritet i amplituda obje struje budu tako prilagođeni da fazijski zbroj tih dvije struje bude nula u normalnim radnim uvjetima, tada neće biti struje koja teče kroz bobinjak releja u normalnim radnim uvjetima. Ali zbog bilo kakvih nepravilnosti u napajanju, ako se ovaj balans prekine, to znači da fazijski zbroj tih dvije struje više nije nula i kroz bobinjak releja će teći nenulasta struja, stoga će relej djelovati.

U shemi diferencijalne struje, postoje dva skupa transformatora struje, svaki povezan sa jedne strane opreme koja se štiti diferencijalnim relejem. Omjeri transformatora struje su tako odabrani da sekundarne struje oba transformatora struje podudaraju se u veličini.
Polariteti transformatora struje su takvi da sekundarne struje tih CT-ova suprotstavljaju jedna drugoj. Iz sheme je jasno da samo ako se stvori neka nenulasta razlika između ove dvije sekundarne struje, tada će samo ta diferencijalna struja teći kroz operativnu bobinu releja. Ako je ova razlika veća od vrhunske vrijednosti releja, on će djelovati kako bi otvorio prekidnike struje kako bi izolirao zaštićenu opremu od sustava. Reljevski element koji se koristi u diferencijalnom releju je privlačni armaturni tip trenutnog releja, jer se diferencijalna shema koristi samo za isključivanje kvarova unutar zaštićene opreme, drugim riječima, diferencijalni relej treba isključiti samo interne kvarove opreme, stoga zaštićena oprema treba biti izolirana čim se pojavi kvar unutar same opreme. Ne mora biti nikakvog vremenskog kašnjenja za koordinaciju s drugim relejima u sustavu.

Vrste diferencijalnog releja

Glavno postoje dvije vrste diferencijalnog releja ovisno o principu rada.

1. Relej ravnoteže struje

2. Relej ravnoteže napona

U diferencijalnom releju struje dva transformatora struje su montirana na svakoj strani opreme koja se štiti. Sekundarne cijevi CT-ova su spojene serijalno na način da nosile sekundarne struje CT-ova u istom smjeru.

Operativna bobina reljevnog elementa povezana je preko sekundarnog kruga CT-ova. U normalnim radnim uvjetima, zaštićena oprema (bilo to transformator snage ili alternator) nosi normalnu struju. U tom slučaju, recimo, sekundarna struja CT1 je I1 i sekundarna struja CT2 je I2. Jasan je iz sheme da struja koja prolazi kroz bobinu releja ničemu drugome nego I1-I2. Kao što smo rekli ranije, omjer i polaritet transformatora struje su tako odabrani da je I1 = I2, stoga neće biti struje koja teče kroz bobinu releja. Sada, ako se pojavi kvar van zone pokrivene CT-ovima, kvarna struja prođe kroz primarne obje transformatora struje, a sekundarne struje oba transformatora struje ostaju iste kao u slučaju normalnih radnih uvjeta. Stoga u tom stanju relej neće djelovati. Ali ako se pojavi kvar na zemlji unutar zaštićene opreme, kao što je prikazano, dvije sekundarne struje više neće biti jednake. U tom slučaju diferencijalni relej djeluje kako bi izolirao kvarnu opremu (transformator ili alternator) od sustava.
Principi ovog tipa relejnog sustava trpe od nekih nedostataka

1. Postoji mogućnost neusklađenosti impedancije kabela od sekundarne struje CT-ova do udaljenog panela releja.

2. Kapacitet ovih pilotnih kabela uzrokuje netočno djelovanje releja kada se pojavljuje veliki kvar izvan opreme.

3. Točno usklađenje karakteristika transformatora struje se ne može dostići, stoga može proći struja kroz relej u normalnim radnim uvjetima.

Diferencijalni relej procenata

Ovaj je dizajniran da reagira na diferencijalnu struju u smislu njenog frakcijskog odnosa prema struji koja teče kroz zaštićeni dio. U ovom tipu releja, postoje bobinice ograničavanja uz operativnu bobinu releja. Bobinice ograničavanja stvaraju moment suprotan operativnom momentu. U normalnim uvjetima i kod kvarova koje struja prođe kroz, moment ograničavanja je veći od operativnog momenta. Stoga relej ostaje neaktiviran. Kada se pojavi interni kvar, operativna sila premaši silu ograničavanja, stoga se relej aktivira. Ovu silu ograničavanja može se prilagoditi mijenjanjem broja zavojnica na bobinicama ograničavanja. Kao što je prikazano na slici ispod, ako je I1 sekundarna struja CT1 i I2 sekundarna struja CT2, tada struja kroz operativnu bobinu je I1 – I2 i struja kroz bobinu ograničavanja je (I1 + I2)/2. U normalnim uvjetima i kod kvarova koje struja prođe kroz, moment stvoren od strane bobinica ograničavanja zbog struje (I1+ I2)/2 je veći od momenta stvorenog od strane operativne bobine zbog struje I1– I2, ali u interno kvarnim uvjetima to postaje suprotno. I postavljanje ograničenja definirano je kao omjer (I1– I2) prema (I1+ I2)/2.

Jasno je iz gornjeg objašnjenja, veća struja koja teče kroz bobinice ograničavanja, veća vrijednost struje potrebna za operativnu bobinu da se aktivira. Relej se naziva procentualni jer se operativna struja potrebna za prekid može izraziti kao postotak struje koje prolaze kroz.

Omjer i spoj transformatora struje za diferencijalni relej

Ovaj jednostavan pravilo je da transformatori struje na bilo kojoj zvijezdasti namotaji trebaju biti spojeni u delta, a transformatori struje na bilo kojoj deltskom namotaji trebaju biti spojeni u zvijezdu. To se radi kako bi se eliminirala nultočkasta struja u krugu releja.
Ako su CT-ovi spojeni u zvijezdu, omjer CT-ova će biti In/1 ili 5 A
CT-ovi trebaju biti spojeni u delta, omjer CT-ova će biti In/0.5775 ili 5×0.5775 A

Ravnotežni diferencijalni relej napona

U ovoj shemi transformatori struje su spojeni na svakoj strani opreme na način da se EMF inducirana u sekundarnom dijelu oba transformatora struje suprotstavljaju jedna drugoj. To znači da su sekundarne dijelove transformatora struje sa obje strane opreme spojene serijalno sa suprotnim polarnostima. Diferencijalna bobina releja umetnuta je negdje u petlju stvorenu serijalnim spojem sekundarnih dijelova transformatora struje, kao što je prikazano na slici. U normalnim radnim uvjetima i kod kvarova koje struja prođe kroz, EMF inducirane u sekundarnim dijelovima oba transformatora su jednake i suprotne jedna drugoj, stoga neće teći struja kroz bobinu releja. Ali čim se pojavi interni kvar u opremi pod zaštitom, ove EMF više nisu uravnotežene, stoga struja počinje teći kroz bobinu releja, stoga se prekidnik struje prekiduje.

Postoje neki nedostaci u ravnotežnom diferencijalnom releju napona, poput multi tap konstrukcije transformatora potrebne za točnu ravnotežu između parova transformatora struje. Sustav je prikladan za zaštitu kabla relativno kratke dužine, inače kapacitet pilotnih žica smeta performansama. Na dugim kablama opterećujuća struja će biti dovoljna da aktivira relej, čak i ako je postignuta savršena ravnoteža transformatora struje.
Ovi nedostaci mogu se eliminirati iz sustava uvođenjem Translay sustava/sheme, koji je ničemu drugome nego modificirani sustav ravnotežnog diferencijalnog releja napona. Translay shema se uglavnom primjenjuje za diferencijalnu zaštitu prenosnika.

Ovdje, dva skupa transformatora struje su spojeni na svakom kraju prenosnika. Sekundarne dijelove svakog transformatora struje su opremljeni individualnim dvostrukim zavojnicama indukcije tipa releja. Sekundarne dijelove svakog transformatora struje hranijo primarni krug dvostruke zavojnice indukcije tipa releja. Sekundarni krug svakog releja spojen je serijalno kako bi se formirala zatvorena petlja putem pilotnih žica. Spoj treba biti takav da inducirani napon u sekundarnoj bobini jednog releja suprotstavlja se istom drugog. Kompenzacijski uređaj neutralizira efekt kapacitivnih struja pilotnih žica i efekt prirodnog nedostatka ravnoteže između dva transformatora struje.

U normalnim uvjetima i kod kvarova koje struja prođe kroz, struja na oba kraja prenosnika je ista, stoga bi struja inducirana u sekundarnim dijelovima CT-ova također bila jednaka. Zbog tih jednakih struja u sekundarnim dijelovima CT-ova, primarni svakog releja induciraju isti EMF. Posljedično, EMF induciran u sekundarnim dijelovima releja također je isti, ali su bobinice tako spojene, ti EMF-ovi su u suprotnom smjeru. Kao rezultat, neće teći struja k