差動リレー
電力システム保護に使用されるリレーはさまざまな種類があります。その中で差動リレーは、トランスや発電機を局所的な故障から保護するために非常に一般的に使用されます。
差動リレーは保護ゾーン内の故障には非常に敏感ですが、保護ゾーン外の故障に対しては最も敏感ではありません。多くのリレーは、ある量が予め定められた値を超えたときに動作します。例えば、過電流リレーは、通過する電流が予め定められた値を超えたときに動作します。しかし、差動リレーの原理は少し異なります。それは2つ以上の同種の電気量の差に基づいて動作します。
差動リレーの定義
差動リレーとは、2つ以上の同種の電気量の差が予め定められた値を超えたときに動作するリレーです。差動リレー方式の回路では、電力回路の2つの部分から来る2つの電流があります。これらの2つの電流は、リレーコイルが接続されている接合点で出会います。キルヒホッフの電流法則によれば、リレーコイルを通る結果の電流は、電力回路の2つの異なる部分からの2つの電流の和に過ぎません。両方の電流の極性と振幅が調整され、正常な運転条件下でこれらの2つの電流のベクトル和がゼロになるようにすれば、リレーコイルを通る電流は正常な運転条件下では存在しません。しかし、電力回路に何らかの異常が生じてこのバランスが崩れると、つまりこれらの2つの電流のベクトル和がもはやゼロではなくなると、リレーコイルを通る非ゼロの電流が流れ、リレーが動作します。
電流差動方式では、保護対象設備の両側にそれぞれ2組の電流変換器が接続されています。差動リレーによって保護されます。電流変換器の比率は、両方の電流変換器の二次電流が大きさにおいて一致するように選択されます。
電流変換器の極性は、これらのCTの二次電流が互いに対抗するように設定されています。回路から明らかに、これらの二次電流間に非ゼロの差が生じた場合のみ、この差動電流がリレーの動作コイルを通ります。この差がリレーのピークアップ値よりも大きい場合、リレーは動作してサーキットブレーカーを開き、保護対象設備をシステムから分離します。差動リレーで使用されるリレーエレメントは、アーマチュア型即時リレーです。これは、差動方式は保護対象設備内部の故障だけをクリアするためであり、つまり差動リレーは設備の内部故障のみをクリアすべきであるためです。したがって、保護対象設備自体内で何らかの故障が発生した時点で、保護対象設備はすぐに分離されるべきです。他のリレーとの協調のために時間遅延を必要とすることはありません。
差動リレーの種類
動作原理に基づいて主に2種類の差動リレーがあります。
電流バランス差動リレー
電圧バランス差動リレー
電流差動リレーでは、保護対象設備の両側にそれぞれ2つの電流変換器が設置されます。CTの二次回路は、同じ方向に二次CT電流が流れるように直列に接続されています。
リレーエレメントの動作コイルは、CTの二次回路に接続されています。通常の運転条件下では、保護対象設備（電力トランスまたは発電機）には通常の電流が流れています。この状況では、CT1の二次電流をI1、CT2の二次電流をI2とします。回路から明らかに、リレーコイルを通る電流はI1 - I2です。前述のように、電流変換器の比率と極性は、I1 = I2となるように選択されているため、リレーコイルを通る電流は存在しません。今、CTのカバーするゾーン外部で何らかの故障が発生すると、故障電流が両方の電流変換器の一次側を通過し、両方の電流変換器の二次電流は通常の運転条件下と同じままです。したがって、そのような状況ではリレーは動作しません。しかし、保護対象設備内部で接地故障が発生した場合、2つの二次電流はもはや等しくなくなります。その場合、差動リレーは動作して故障設備（トランスまたは発電機）をシステムから分離します。
原則的に、このタイプのリレーシステムはいくつかの欠点があります
CT二次からリモートリレーパネルまでのケーブルインピーダンスに不一致がある可能性があります。
これらのパイロットケーブルの容量が、設備外部での大規模な通過故障時にリレーの誤動作を引き起こすことがあります。
電流変換器の特性の正確なマッチングは達成できないため、通常の運転条件下でリレーに流れ込むスピンオフレイク電流が存在する可能性があります。
パーセンテージ差動リレー
このリレーは、保護セクションを通過する電流に対する差動電流の分数関係で応答するように設計されています。このタイプのリレーには、動作コイルに加えて制約コイルがあります。制約コイルは動作トルクとは反対のトルクを生成します。通常の条件および通過故障条件下では、制約トルクは動作トルクよりも大きいので、リレーは無効のままです。内部故障が発生すると、動作力がバイアス力を超えるため、リレーは動作します。このバイアス力は、制約コイルの巻数を変えることで調整できます。下図に示すように、I1がCT1の二次電流、I2がCT2の二次電流の場合、動作コイルの電流はI1 - I2、制約コイルの電流は(I1 + I2)/2です。通常の条件および通過故障条件下では、制約コイルによるトルク(I1 + I2)/2が動作コイルによるトルクI1 - I2よりも大きいが、内部故障時にはこれらが逆になります。そして、バイアス設定は(I1 - I2) / (I1 + I2)/2の比として定義されます。
上記の説明から明らかなように、制約コイルを通る電流が大きくなるほど、動作コイルが動作するのに必要な電流の値も高くなります。リレーは、トリップに必要な動作電流を通過電流のパーセントで表現できるため、パーセンテージリレーと呼ばれます。
差動リレー用のCT比と接続
簡単なルールとしては、星形巻線の電流変換器はデルタ接続し、デルタ巻線の電流変換器は星形接続するということです。これにより、リレーサーキットの零相電流が排除されます。
CTが星形接続されている場合、CT比はIn/1または5A
CTがデルタ接続されている場合、CT比はIn/0.5775または5×0.5775A
電圧バランス差動リレー
この配置では、電流変換器が設備の両側に接続され、両方の電流変換器の二次に誘導されるEMFが互いに対抗するようにしています。つまり、設備の両側の電流変換器の二次は、逆の極性で直列に接続されています。差動リレーコイルは、電流変換器の二次の直列接続によって作られるループのどこかに挿入されます。通常の運転条件下および通過故障条件下では、両方のCT二次に誘導されるEMFは等しくかつ逆方向であるため、リレーコイルを通る電流は存在しません。しかし、保護中の設備内部で何らかの内部故障が発生すると、これらのEMFはもはやバランスせず、リレーコイルを通る電流が流れ始め、サーキットブレーカーがトリップします。
電圧バランス差動リレーにはいくつかの欠点があります。例えば、正確な電流変換器ペア間のバランスを取るために多段階トランス構造が必要です。このシステムは比較的短距離のケーブル保護に適していますが、それ以外の場合、パイロットワイヤの容量が性能を妨げます。長距離ケーブルでは、完全な電流変換器のバランスが達成されたとしても、充電電流がリレーを動作させるのに十分な場合があります。
これらの欠点は、トランスレイ方式/スキームを導入することで解消できます。これは改良された電圧バランス差動リレー方式です。トランスレイ方式は主にフィーダの差動保護に適用されます。
ここでは、フィーダの両端に2組の電流変換器が接続されています。各電流変換器の二次は個別のダブルワインドインダクションタイプのリレーに装着されています。各電流変換器の二次はダブルワインドインダクションタイプのリレーの一次回路に給電します。各リレーの二次回路はパイロットワイヤを使用して閉ループを形成するように直列に接続されています。接続は、一方のリレーの二次コイルに誘導される電圧が他方のリレーの電圧と対抗するように行われます。補償装置はパイロットワイヤの容量電流の影響と2つの電流変換器間の固有のバランス不足の影響を中立化します。
通常の条件および通過故障条件下では、フィーダの両端の電流は同じであるため、CTの二次に誘導される電流も等しくなります。これらの等しいCT二次電流により、各リレーの一次に誘導されるEMFも同じになります。したがって、リレーの二次に誘導されるEMFも同じですが、コイルはこれらのEMFが逆方向になるように接続されています。そのため、パイロットループを通る電流は存在せず、リレーのいずれかでも動作トルクは生成されません。
しかし、電流変換器の間のゾーン内でのフィーダの故障が発生すると、フィーダから出る電流とフィーダに入る電流が異なります。その結果、CTの二次電流は等しくなくなります。これらの不等しい二次CT電流により、両リレーの二次に不均衡な誘導電圧が生成されます。したがって、パイロットループを通る電流が始まり、両リレーにトルクが生成されます。
リレーへの二次電流の方向が逆であるため、一つのリレーのトルクはトリップコンタクトを閉じようとする一方、もう一つのリレーのトルクはトリップコンタクトを通常の未動作位置に保とうとします。動作トルクは、保護ゾーン内の故障の位置と性質に依存します。フィーダの故障部分は、少なくとも一つのリレー要素が動作するときに健全な部分から分離されます。
トランスレイ保護方式では、リレーの一次コア中央脚に銅リングが取り付けられています。これらのリングはパイロット容量電流の影響を中立化するために使用されます。容量電流はパイロット電圧に対して90o先進位し、低インダクティブな動作巻線を流れたときに、パイロット電圧に対して90o先進位する磁束を生成します。パイロット電圧はリレーの二次コイルに誘導されるものなので、磁気エアギャップの磁束に対して実質的な角度で遅れます。閉鎖された銅リングは、角度が約90oになるように調整されています。このようにして、ディスクに作用する磁束は同期しており、リレーディスクにはトルクが働かないようにしています。
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