Relè differenziale
I relè utilizzati per la protezione dei sistemi elettrici sono di diversi tipi. Tra questi, il relè differenziale è molto comunemente utilizzato per proteggere trasformatori e generatori da guasti localizzati.
I relè differenziali sono molto sensibili ai guasti che si verificano all'interno della zona protetta, ma sono poco sensibili ai guasti che si verificano al di fuori della zona protetta. La maggior parte dei relè si attiva quando una certa grandezza supera un valore predeterminato, ad esempio, un relè di sovratensione si attiva quando la corrente che lo attraversa supera un valore predeterminato. Tuttavia, il principio del relè differenziale è leggermente diverso. Si attiva in base alla differenza tra due o più grandezze elettriche simili.
Definizione di Relè Differenziale
Il relè differenziale è uno che si attiva quando c'è una differenza tra due o più grandezze elettriche simili che supera un valore predeterminato. Nello schema circuitale del relè differenziale, ci sono due correnti provenienti da due parti di un circuito elettrico di potenza. Queste due correnti si incontrano in un punto di giunzione dove è connessa una bobina del relè. Secondo la Legge di Kirchhoff delle Correnti, la corrente risultante che scorre attraverso la bobina del relè non è altro che la somma vettoriale di queste due correnti, provenienti da due parti diverse del circuito elettrico di potenza. Se la polarità e l'ampiezza di entrambe le correnti sono regolate in modo tale che la somma vettoriale di queste due correnti sia zero nelle condizioni normali di funzionamento, non ci sarà corrente che scorre attraverso la bobina del relè nelle condizioni normali di funzionamento. Tuttavia, a causa di qualsiasi anomalia nel circuito di potenza, se questo equilibrio viene interrotto, significa che la somma vettoriale di queste due correnti non è più zero e ci sarà una corrente non nulla che scorre attraverso la bobina del relè, facendo operare il relè.
Nello schema differenziale di corrente, ci sono due set di trasformatori di corrente, ciascuno connesso a un lato dell'equipaggiamento protetto dal relè differenziale. Il rapporto dei trasformatori di corrente è scelto in modo tale che le correnti secondarie di entrambi i trasformatori di corrente siano uguali in ampiezza.
Le polarità dei trasformatori di corrente sono tali che le correnti secondarie di questi CT si oppongono tra loro. È chiaro dal circuito che solo se viene creata una differenza non nulla tra queste due correnti secondarie, allora solo questa corrente differenziale scorre attraverso la bobina di funzionamento del relè. Se questa differenza è maggiore del valore di picco del relè, esso si attiverà per aprire gli interruttori di circuito per isolare l'equipaggiamento protetto dal sistema. L'elemento di relè utilizzato nel relè differenziale è del tipo a calamita istantaneo, poiché lo schema differenziale è adattato solo per eliminare i guasti all'interno dell'equipaggiamento protetto, in altre parole, il relè differenziale dovrebbe eliminare solo i guasti interni dell'equipaggiamento, pertanto l'equipaggiamento protetto dovrebbe essere isolato non appena si verifica un guasto all'interno dell'equipaggiamento stesso. Non è necessario alcun ritardo temporale per la coordinazione con altri relè nel sistema.
Tipi di Relè Differenziale
Ci sono principalmente due tipi di relè differenziale a seconda del principio di funzionamento.
Relè Differenziale di Bilanciamento di Corrente
Relè Differenziale di Bilanciamento di Tensione
Nel relè differenziale di corrente, due trasformatori di corrente sono installati su entrambi i lati dell'equipaggiamento da proteggere. I circuiti secondari dei TC sono collegati in serie in modo tale che portino la corrente secondaria dei TC nella stessa direzione.
La bobina di funzionamento dell'elemento di relè è collegata ai circuiti secondari dei TC. In condizioni normali di funzionamento, l'equipaggiamento protetto (trasformatore di potenza o alternatore) porta una corrente normale. In questa situazione, diciamo che la corrente secondaria del TC1 è I1 e la corrente secondaria del TC2 è I2. È anche chiaro dal circuito che la corrente che passa attraverso la bobina del relè non è altro che I1-I2. Come abbiamo detto prima, il rapporto e la polarità dei trasformatori di corrente sono scelti in modo tale che I1 = I2, quindi non ci sarà corrente che scorre attraverso la bobina del relè. Ora, se si verifica un guasto esterno alla zona coperta dai TC, la corrente di guasto passa attraverso il primario di entrambi i trasformatori di corrente e, di conseguenza, le correnti secondarie di entrambi i trasformatori di corrente rimangono le stesse come nelle condizioni normali di funzionamento. Quindi, in quella situazione, il relè non verrà attivato. Ma se si verifica un guasto a terra all'interno dell'equipaggiamento protetto, come mostrato, le due correnti secondarie non saranno più uguali. In quel caso, il relè differenziale viene attivato per isolare l'equipaggiamento difettoso (trasformatore o alternatore) dal sistema.
Principiamente, questo tipo di sistemi di relè soffre di alcuni svantaggi
Può esserci una probabilità di disaccordo nell'impedenza del cavo dalla secondaria del TC al pannello remoto del relè.
La capacità di questi cavi pilota causa un funzionamento errato del relè quando si verifica un grande guasto esterno all'equipaggiamento.
Non può essere ottenuto un abbinamento accurato delle caratteristiche del trasformatore di corrente, quindi può esserci una corrente di dispersione che scorre attraverso il relè nelle condizioni normali di funzionamento.
Relè Differenziale Percentuale
Questo è progettato per rispondere alla corrente differenziale in termini della sua relazione frazionaria rispetto alla corrente che scorre nella sezione protetta. In questo tipo di relè, ci sono bobine di freno in aggiunta alla bobina di funzionamento del relè. Le bobine di freno producono un momento opposto al momento di funzionamento. In condizioni normali e in caso di guasto di passaggio, il momento di freno è maggiore del momento di funzionamento. Di conseguenza, il relè rimane inattivo. Quando si verifica un guasto interno, la forza di funzionamento supera la forza di bias e, quindi, il relè viene attivato. Questa forza di bias può essere regolata variando il numero di spire sulle bobine di freno. Come mostrato nella figura sottostante, se I1 è la corrente secondaria del TC1 e I2 è la corrente secondaria del TC2, allora la corrente attraverso la bobina di funzionamento è I1 – I2 e la corrente attraverso la bobina di freno è (I1 + I2)/2. In condizioni normali e in caso di guasto di passaggio, il momento prodotto dalle bobine di freno a causa della corrente (I1+ I2)/2 è maggiore del momento prodotto dalla bobina di funzionamento a causa della corrente I1– I2, ma in caso di guasto interno questi diventano opposti. E l'impostazione di bias è definita come il rapporto di (I1– I2) a (I1+ I2)/2.
È chiaro dalla spiegazione sopra, maggiore è la corrente che scorre attraverso le bobine di freno, maggiore è il valore della corrente richiesta per far funzionare la bobina di funzionamento. Il relè è chiamato relè percentuale perché la corrente di funzionamento richiesta per il trip può essere espressa come percentuale della corrente di passaggio.
Rapporto e Connessione del TC per il Relè Differenziale
Questa semplice regola empirica è che i trasformatori di corrente su qualsiasi avvolgimento a stella dovrebbero essere connessi in delta e i trasformatori di corrente su qualsiasi avvolgimento a delta dovrebbero essere connessi in stella. Questo è fatto per eliminare la corrente di sequenza zero nel circuito del relè.
Se i TC sono connessi in stella, il rapporto del TC sarà In/1 o 5 A
I TC da connettere in delta, il rapporto del TC sarà In/0.5775 o 5×0.5775 A
Relè Differenziale di Bilanciamento di Tensione
In questo schema, i trasformatori di corrente sono connessi su entrambi i lati dell'equipaggiamento in modo tale che le FEM indotte nella secondaria di entrambi i trasformatori di corrente si oppongano l'una all'altra. Ciò significa che la secondaria dei trasformatori di corrente da entrambi i lati dell'equipaggiamento sono connessi in serie con polarità opposta. La bobina del relè differenziale è inserita in qualche punto nel loop creato dalla connessione in serie della secondaria dei trasformatori di corrente, come mostrato nella figura. In condizioni normali di funzionamento e anche in caso di guasto di passaggio, le FEM indotte in entrambe le seconde dei TC sono uguali e opposte tra loro e, quindi, non ci sarà corrente che scorre attraverso la bobina del relè. Ma non appena si verifica un guasto interno all'equipaggiamento sotto protezione, queste FEM non sono più bilanciate e, quindi, inizia a scorrere corrente attraverso la bobina del relè, facendo scattare l'interruttore di circuito.
Ci sono alcuni svantaggi nel relè differenziale di bilanciamento di tensione, come la necessità di una costruzione a trasformatore multi-tappe per un bilanciamento accurato tra coppie di trasformatori di corrente. Il sistema è adatto per la protezione di cavi di lunghezza relativamente breve, altrimenti la capacità dei cavi piloti disturba le prestazioni. Su cavi lunghi, la corrente di carica sarà sufficiente per far funzionare il relè anche se si ottiene un perfetto bilanciamento dei trasformatori di corrente.
Questi svantaggi possono essere eliminati dal sistema introducendo lo schema Translay, che non è altro che un relè differenziale di bilanciamento di tensione modificato. Lo schema Translay è principalmente applicato per la protezione differenziale dei feeder.
Qui, due set di trasformatori di corrente sono connessi a entrambe le estremità del feeder. La secondaria di ciascun trasformatore di corrente è dotata di un relè a doppia avvolginduzione. La secondaria di ciascun trasformatore di corrente alimenta il circuito primario del relè a doppia avvolginduzione. Il circuito secondario di ciascun relè è connesso in serie per formare un anello chiuso mediante cavi piloti. La connessione deve essere tale che la tensione indotta nella secondaria di un relè si opponga a quella dell'altro. Il dispositivo compensatore neutralizza l'effetto delle correnti di capacità dei cavi piloti e l'effetto del mancato bilanciamento intrinseco tra i due trasformatori di corrente.
In condizioni normali e in caso di guasto di passaggio, la corrente alle due estremità del feeder è la stessa, quindi la corrente indotta nella secondaria dei TC sarebbe anche uguale. A causa di queste correnti uguali nella secondaria dei TC, il primario di ciascun relè induce la stessa FEM. Di conseguenza, la FEM indotta nelle seconde dei relè è anche la stessa, ma le spire sono collegate in modo tale che queste FEM sono in direzioni opposte. Di conseguenza, non ci sarà corrente che scorre attraverso l'anello pilota e, quindi, non sarà prodotto alcun momento di funzionamento in nessuno dei relè.
Ma se si verifica un guasto nel feeder all'interno della zona tra i trasformatori di corrente, la corrente che lascia il feeder sarà diversa dalla corrente che entra nel feeder. Di conseguenza, non ci sarà uguaglianza tra le correnti in entrambe le seconde dei TC. Queste correnti secondarie non uguali dei TC produrranno una tensione indotta secondaria non bilanciata in entrambi i relè. Pertanto, inizia a circolare corrente nell'anello pilota e, quindi, viene prodotto un momento in entrambi i relè.
