차동 계전기
전력 시스템 보호에 사용되는 계전기는 다양한 유형이 있습니다. 그 중 차동 계전기는 변압기와 발전기를 국소적인 결함으로부터 보호하는 데 매우 일반적으로 사용됩니다.
차동 계전기는 보호 영역 내에서 발생하는 결함에 매우 민감하지만, 보호 영역 외부에서 발생하는 결함에는 적게 민감합니다. 대부분의 계전기는 어떤 양이 미리 정해진 값보다 초과될 때 작동합니다. 예를 들어, 과전류 계전기는 전류가 미리 정해진 값보다 초과될 때 작동합니다. 그러나 차동 계전기의 원리는 약간 다릅니다. 그것은 두 개 이상의 유사한 전기량 사이의 차이에 따라 작동합니다.
차동 계전기의 정의
차동 계전기는 두 개 이상의 유사한 전기량 사이의 차이가 미리 정해진 값보다 초과될 때 작동하는 계전기입니다. 차동 계전기 회로에서는 두 개의 전류가 전력 회로의 두 부분에서 오며, 이 두 전류가 계전기 코일이 연결된 접점에서 만나게 됩니다. 키르히호프 전류 법칙에 따르면, 계전기 코일을 통과하는 결과 전류는 두 전류의 합입니다. 만약 두 전류의 극성과 진폭이 조정되어 정상 작동 상태에서 이 두 전류의 위상 합이 0이 되도록 하면, 정상 작동 상태에서는 계전기 코일을 통과하는 전류가 없습니다. 그러나 전력 회로에서 어떤 이상이 발생하여 이 균형이 깨지면, 즉 두 전류의 위상 합이 더 이상 0이 아니고 계전기 코일을 통과하는 비영 전류가 생겨 계전기가 작동하게 됩니다.
전류 차동 방식에서는 보호 대상 장비의 양쪽에 각각 두 세트의 전류 변환기가 연결됩니다. 전류 변환기의 비율은 두 전류 변환기의 2차 전류가 크기 면에서 일치하도록 선택됩니다.
전류 변환기의 극성은 2차 전류가 서로 반대 방향으로 흐르도록 설정됩니다. 회로에서 명확히 볼 수 있듯이, 2차 전류 사이에 어떠한 비영 차이가 생성되면, 이 차동 전류가 계전기의 작동 코일을 통해 흐르게 됩니다. 이 차이가 계전기의 피크값보다 클 경우, 계전기는 회로 단락기를 열어 보호 장비를 시스템에서 격리합니다. 차동 계전기에 사용되는 계전 요소는 즉시 작동하는 어머니 철심형 계전기입니다. 차동 방식은 보호 장비 내부의 결함을 제거하기 위해 설계되었으며, 다른 말로하면 차동 계전기는 보호 장비의 내부 결함만 제거해야 하므로, 장비 내부에서 결함이 발생할 때 즉시 보호 장비를 격리해야 합니다. 시스템의 다른 계전기들과의 조정을 위한 시간 지연은 필요하지 않습니다.
차동 계전기의 유형
작동 원리에 따라 주로 두 가지 차동 계전기의 유형이 있습니다.
전류 균형 차동 계전기
전압 균형 차동 계전기
전류 차동 계전기에서는 보호 대상 장비의 양쪽에 각각 두 개의 전류 변환기가 장착됩니다. CT의 2차 회로는 동일한 방향으로 2차 CT 전류를 운반하도록 직렬로 연결됩니다.
계전 요소의 작동 코일은 CT의 2차 회로에 연결됩니다. 정상 작동 상태에서는 보호 장비(변압기 또는 발전기)가 정상 전류를 운반합니다. 이 상황에서, CT1의 2차 전류는 I1이고, CT2의 2차 전류는 I2입니다. 회로에서 볼 수 있듯이, 계전기 코일을 통과하는 전류는 I1-I2입니다. 앞서 언급했듯이, 전류 변환기의 비율과 극성은 I1 = I2가 되도록 선택되므로, 계전기 코일을 통과하는 전류는 없습니다. 이제 만약 CT가 커버하는 영역 외부에서 결함이 발생하면, 결함 전류가 두 전류 변환기의 1차측을 통과하고, 따라서 두 전류 변환기의 2차 전류는 정상 작동 상태와 동일하게 유지됩니다. 따라서 이 상황에서는 계전기가 작동하지 않습니다. 그러나 보호 장비 내부에서 접지 결함이 발생하면, 두 2차 전류는 더 이상 같지 않게 됩니다. 이러한 경우, 차동 계전기는 결함 장비(변압기 또는 발전기)를 시스템에서 격리하기 위해 작동합니다.
원칙적으로 이러한 종류의 계전기 시스템은 몇 가지 단점을 가지고 있습니다
CT 2차측에서 원격 계전기 패널까지의 케이블 임피던스 불일치 가능성
이러한 파일럿 케이블의 용량성은 장비 외부에서 큰 통과 결함이 발생할 때 계전기의 잘못된 작동을 초래합니다.
전류 변환기의 특성 정확한 일치가 이루어지지 않으므로, 정상 작동 상태에서도 계전기를 통과하는 스피드 전류가 있을 수 있습니다.
백분율 차동 계전기
이 계전기는 차동 전류가 보호 구간을 통과하는 전류의 분수 관계로 응답하도록 설계되었습니다. 이 종류의 계전기에는 작동 코일 외에도 제동 코일이 있습니다. 제동 코일은 작동 토크와 반대 방향의 토크를 생성합니다. 정상 및 통과 결함 조건에서는 제동 토크가 작동 토크보다 큽니다. 따라서 계전기는 비활성화됩니다. 내부 결함이 발생하면, 작동 힘이 바이어스 힘을 초과하므로 계전기가 작동합니다. 이 바이어스 힘은 제동 코일의 턴 수를 변경하여 조정할 수 있습니다. 아래 도표에서 보듯이, I1이 CT1의 2차 전류이고, I2가 CT2의 2차 전류라면, 작동 코일을 통과하는 전류는 I1 - I2이며, 제동 코일을 통과하는 전류는 (I1 + I2)/2입니다. 정상 및 통과 결함 조건에서는, (I1+ I2)/2 전류로 인해 제동 코일이 생성하는 토크가 I1– I2 전류로 인해 작동 코일이 생성하는 토크보다 큽니다. 그러나 내부 결함 조건에서는 이들이 반대가 됩니다. 그리고 바이어스 설정은 (I1– I2) / (I1+ I2)/2의 비율로 정의됩니다.
위 설명에서 명확히 알 수 있듯이, 제동 코일을 통과하는 전류가 클수록 작동 코일이 작동하기 위해 필요한 전류 값도 커집니다. 계전기는 '백분율 계전기'라고 불리는데,这是因为差动继电器的跳闸所需的操作电流可以表示为通过电流的百分比。
### 差动继电器的CT比率和连接
对于任何星形绕组上的电流互感器，应以三角形方式连接，而对于任何三角形绕组上的电流互感器，则应以星形方式连接。这样做是为了消除继电器电路中的零序电流。
- 如果CT以星形连接，CT比率为In/1或5 A
- 如果CT以三角形连接，CT比率为In/0.5775或5×0.5775 A
### 电压平衡差动继电器
在这种配置中，电流互感器在设备的两侧以这样的方式连接，使得两个电流互感器的二次侧感应出的EMF相互抵消。这意味着来自设备两侧的电流互感器的二次侧以相反的极性串联连接。差动继电器线圈插入由电流互感器二次侧串联连接形成的回路中，如图所示。在正常运行条件以及贯穿故障条件下，两个CT二次侧感应出的EMF相等且方向相反，因此不会有电流流过继电器线圈。但是一旦受保护设备内部发生故障，这些EMF不再平衡，因此电流开始流过继电器线圈，从而跳闸断路器。
### 电压平衡差动继电器的一些缺点
例如，需要多抽头变压器结构来准确平衡电流互感器对。该系统适用于相对较短长度电缆的保护，否则导引线的电容会干扰性能。在长电缆上，充电电流足以使继电器动作，即使电流互感器完全平衡也是如此。
这些缺点可以通过引入Translay系统（即改进的平衡电压差动继电器系统）来消除。Translay方案主要用于馈线的差动保护。
在此，两组电流互感器分别连接在馈线的两端。每个电流互感器的二次侧都装有双绕组感应型继电器。每个电流互感器的二次侧供给双绕组感应型继电器的一次电路。每个继电器的二次电路通过导引线串联形成闭合回路。连接方式应使一个继电器的二次线圈感应出的电压与另一个继电器的感应电压相反。补偿装置中和了导引线的电容电流以及两个电流互感器之间固有的不平衡影响。
在正常条件和贯穿故障条件下，馈线两端的电流相同，因此CT二次侧感应出的电流也相等。由于这些相等的电流，每个继电器一次侧感应出相同的EMF。因此，继电器二次侧感应出的EMF也相同，但由于线圈的连接方式，这些EMF方向相反。因此，没有电流会流过导引回路，从而不会产生操作转矩。
但是，如果馈线在电流互感器之间的区域内发生故障，离开馈线的电流将与进入馈线的电流不同。因此，两个CT二次侧的电流将不相等。这些不相等的二次CT电流将在两个继电器中产生不平衡的二次感应电压。因此，电流开始在导引回路中循环，从而在两个继电器中产生转矩。
由于继电器中的二次电流方向相反，因此一个继电器产生的转矩将倾向于闭合跳闸触点，而另一个继电器产生的转矩将倾向于保持跳闸触点在正常未操作位置。操作转矩取决于受保护区域内的故障位置和性质。当任一继电器的至少一个元件操作时，故障部分就会从健康部分分离出来。
需要注意的是，在Translay保护方案中，继电器初级芯的中央肢上装有一个闭合铜环。这些环用于中和导引容量电流的影响。容量电流超前导引电压90°，当它们在低电感操作绕组中流动时，会产生同样超前导引电压90°的磁通。由于导引电压是继电器二次线圈中感应出的电压，它滞后于磁场气隙中的磁通一个相当大的角度。闭合铜环经过调整，使这个角度大约为90°。这样，作用在继电器盘上的磁通同相，因此不会对继电器盘施加转矩。
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