Differentiële Relais
De relais die worden gebruikt in het beschermingssysteem van elektriciteitsnetwerken komen in verschillende soorten voor. Onder deze zijn differentiële relais zeer vaak gebruikte relais om transformatoren en generatoren te beschermen tegen lokale storingen.
Differentiële relais zijn zeer gevoelig voor storingen die binnen de beveiligde zone optreden, maar ze zijn minst gevoelig voor storingen die buiten de beveiligde zone optreden. De meeste relais werken wanneer een bepaalde hoeveelheid een vooraf bepaalde waarde overschrijdt, bijvoorbeeld werkt een overstromingsrelais wanneer de stroom erdoor een vooraf bepaalde waarde overschrijdt. Maar het principe van het differentiële relais is enigszins anders. Het werkt afhankelijk van het verschil tussen twee of meer vergelijkbare elektrische grootheden.
Definitie van Differentiële Relais
Het differentiële relais is een dat werkt wanneer het verschil tussen twee of meer vergelijkbare elektrische grootheden een vooraf bepaalde waarde overschrijdt. In het schema van het differentiële relais zijn er twee stromen die uit twee delen van een elektrisch krachtcircuits komen. Deze twee stromen komen samen op een kruispunt waar een relaisspoel is aangesloten. Volgens Kirchhoff's Wet van de Stromen is de resulterende stroom die door de relaisspoel stroomt niets anders dan de som van de twee stromen, die uit twee verschillende delen van het elektrische krachtcircuits komen. Als de polariteit en amplitude van beide stromen zo zijn afgestemd dat de fasorsom van deze twee stromen nul is onder normale bedrijfsomstandigheden, zal er geen stroom door de relaisspoel stromen onder normale bedrijfsomstandigheden. Maar als er door enige anomalie in het krachtcircuits deze balans wordt verbroken, wat betekent dat de fasorsom van deze twee stromen niet langer nul is, zal er een niet-nul stroom door de relaisspoel stromen, waardoor het relais wordt geactiveerd.
In het stroomdifferentiële schema zijn er twee sets stroomtransformatoren, elk aangesloten aan een kant van de apparatuur die beschermd wordt door differentiële relais. De verhoudingen van de stroomtransformatoren zijn zo gekozen dat de secundaire stromen van beide stroomtransformatoren qua grootte overeenkomen.
De polariteiten van de stroomtransformatoren zijn zo dat de secundaire stromen van deze CT's elkaar tegengaan. Uit het schema is duidelijk dat alleen als er een niet-nul verschil ontstaat tussen deze twee secundaire stromen, pas dan zal deze differentiële stroom door de werkspoel van het relais stromen. Als dit verschil groter is dan de piekwaarde van het relais, zal het opereren om de schakelaars te openen om de beschermd apparatuur van het systeem te isoleren. Het relais-element dat in het differentiële relais wordt gebruikt, is een armatuurrelatief type onmiddellijk relais, omdat het differentiële schema alleen is aangepast voor het opruimen van storingen binnen de beschermd apparatuur, met andere woorden, het differentiële relais moet alleen interne storingen van de apparatuur opruimen, zodat de beschermd apparatuur zo snel mogelijk moet worden geïsoleerd als er een storing binnen de apparatuur zelf optreedt. Er hoeft geen tijdvertraging te zijn voor coördinatie met andere relais in het systeem.
Soorten Differentiële Relais
Er zijn voornamelijk twee soorten differentiële relais afhankelijk van het werkingsprincipe.
Stroombalans Differentiële Relais
Spanningsbalans Differentiële Relais
Bij stroomdifferentiële relais worden twee stroomtransformatoren aangebracht aan weerszijden van de te beschermen apparatuur. De secundaire circuits van de CT's zijn in serie verbonden op zo'n manier dat ze de secundaire CT-stroom in dezelfde richting dragen.
De werkspoel van het relais-element is aangesloten op het secundaire circuit van de CT's. Onder normale bedrijfsomstandigheden draagt de beschermd apparatuur (ofwel een krachttransformator of alternator) normale stroom. In deze situatie, zeg de secundaire stroom van CT1 is I1 en de secundaire stroom van CT2 is I2. Het is ook duidelijk uit het schema dat de stroom die door de relaisspoel stroomt niets anders is dan I1-I2. Zoals we eerder zeiden, zijn de verhoudingen en polariteiten van de stroomtransformatoren zo gekozen dat I1 = I2, dus er zal geen stroom door de relaisspoel stromen. Nu, als er een storing optreedt extern aan de zone die door de CT's wordt gedekt, stroomt de foutieve stroom door de primaire van beide stroomtransformatoren, waardoor de secundaire stromen van beide stroomtransformatoren hetzelfde blijven als in het geval van normale bedrijfsomstandigheden. Dus in die situatie zal het relais niet worden geactiveerd. Maar als er een grondfout optreedt binnen de beschermd apparatuur zoals getoond, zullen de twee secundaire stromen niet langer gelijk zijn. In dat geval wordt het differentiële relais geactiveerd om de defecte apparatuur (transformator of alternator) van het systeem te isoleren.
Principieel lijden dit soort relaissystemen aan enkele nadelen
Er kan een kans bestaan op mispassing van de kabelimpedantie van de secundaire CT naar het externe relaispaneel.
De capaciteit van deze pilotkabels veroorzaakt onjuiste werking van het relais bij grote doorstromende storingen extern aan de apparatuur.
Accurate matching van de eigenschappen van de stroomtransformatoren kan niet worden bereikt, waardoor er stroom door het relais kan stromen onder normale bedrijfsomstandigheden.
Percentage Differentiële Relais
Dit is ontworpen om te reageren op de differentiële stroom in termen van zijn fractionele verhouding tot de stroom die door de beschermd sectie stroomt. Bij dit type relais zijn er remcoils naast de werkspoel van het relais. De remcoils produceren een koppel dat tegenovergesteld is aan het werkende koppel. Onder normale en doorstromende storingstoestanden is het remkoppel groter dan het werkende koppel. Hierdoor blijft het relais inactief. Wanneer er een interne storing optreedt, is de werkkracht groter dan de biaskracht, waardoor het relais wordt geactiveerd. Deze biaskracht kan worden aangepast door het aantal windingen op de remcoils te variëren. Zoals in de figuur hieronder wordt getoond, als I1 de secundaire stroom van CT1 is en I2 de secundaire stroom van CT2 is, dan is de stroom door de werkspoel I1 – I2 en de stroom door de remcoil is (I1 + I2)/2. Onder normale en doorstromende storingstoestanden is het koppel geproduceerd door de remcoils door de stroom (I1+ I2)/2 groter dan het koppel geproduceerd door de werkspoel door de stroom I1– I2, maar bij interne storingstoestanden worden deze omgekeerd. En de biasinstelling wordt gedefinieerd als de verhouding van (I1– I2) tot (I1+ I2)/2.
Het is duidelijk uit de bovenstaande uitleg, hoe groter de stroom die door de remcoils stroomt, hoe hoger de stroom die nodig is om de werkspoel te activeren. Het relais wordt percentage relais genoemd omdat de werkstroom die nodig is om te trippen kan worden uitgedrukt als een percentage van de doorgaande stroom.
CT Verhouding en Aansluiting voor Differentiële Relais
Deze eenvoudige regel is dat de stroomtransformatoren op elke sterwindings moeten worden aangesloten in delta en de stroomtransformatoren op elke deltawindings moeten worden aangesloten in ster. Dit wordt gedaan om de nulreeksstroom in het relaiscircuit te elimineren.
Als de CT's in ster zijn aangesloten, zal de CT-verhouding In/1 of 5 A
CT's die in delta zijn aangesloten, zal de CT-verhouding In/0.5775 of 5×0.5775 A
Spanningsbalans Differentiële Relais
In deze opstelling zijn de stroomtransformatoren aan weerszijden van de apparatuur aangesloten op zo'n manier dat de EMF in de secundaire van beide stroomtransformatoren elkaar tegengaan. Dat wil zeggen dat de secundaire van de stroomtransformatoren aan beide zijden van de apparatuur in serie met tegengestelde polariteit zijn aangesloten. De spoel van het differentiële relais wordt ergens in de lus ingevoegd die door de serieverbinding van de secundaire van de stroomtransformatoren wordt gevormd, zoals in de figuur wordt getoond. Onder normale bedrijfsomstandigheden en ook bij doorstromende storingen, zijn de EMF's in beide CT-secundaires gelijk en tegengesteld aan elkaar, en dus zal er geen stroom door de relaisspoel stromen. Maar zodra er een interne storing optreedt in de beschermd apparatuur, zijn deze EMF's niet langer in evenwicht, waardoor stroom begint te stromen door de relaisspoel en daardoor de schakelaar trips.
Er zijn enkele nadelen in het spanningsbalans differentiële relais, zoals een multitap transformatorconstructie vereist is voor een nauwkeurige balans tussen de stroomtransformatorenparen. Het systeem is geschikt voor de bescherming van kabels van relatief korte lengte, anders verstoort de capaciteit van de pilotdraden de prestaties. Op lange kabels zal de laadstroom voldoende zijn om het relais te activeren, zelfs als er een perfecte balans van de stroomtransformatoren is bereikt.
Deze nadelen kunnen uit het systeem worden geëlimineerd door het Translay-systeem/inrichting in te voeren, wat niets anders is dan een gemodificeerd spanningsbalans differentiële relais systeem. Het Translay-systeem wordt voornamelijk toegepast voor differentiële bescherming van voeders.
Hier zijn twee sets stroomtransformatoren aangesloten aan weerszijden van de voeder. De secundaire van elke stroomtransformator is voorzien van een individueel dubbelwinds induktieve relais. De secundaire van elke stroomtransformator voedt het primaire circuit van het dubbelwinds induktieve relais. Het secundaire circuit van elk relais is in serie verbonden om een gesloten lus te vormen door middel van pilotdraden. De aansluiting moet zo zijn dat de geïnduceerde spanning in de secundaire spoel van het ene relais de geïnduceerde spanning van het andere relais tegengaat. Het compensatiemechanisme neutraliseert het effect van de capaciteitsstromen van de pilotdraden en het effect van inherent gebrek aan balans tussen de twee stroomtransformatoren.
Onder normale omstandigheden en bij doorstromende storingen, is de stroom aan beide einden van de voeder hetzelfde, waardoor de stroom geïnduceerd in de secundaire van de CT's ook gelijk zou zijn. Door deze gelijke stromen in de secundaire van de CT's, worden in het primaire van elk relais dezelfde EMF geïnduceerd. Daardoor zijn de EMF's geïnduceerd in de secundaire van de relais ook hetzelfde, maar de spoelen zijn zo verbonden, dat deze EMF's in tegengestelde richting staan. Als gevolg hiervan zal er geen stroom door de pilotlus stromen en daardoor zal er geen werkend koppel worden geproduceerd in een van de relais.
Maar als er een storing optreedt in de voeder binnen de zone tussen de stroomtransformatoren, zal de stroom die de voeder verlaat verschillend zijn van de stroom die de voeder binnengaat. Daardoor zal er geen gelijkheid zijn tussen de stromen in beide CT-secundaires. Deze ongelijke secundaire CT-stromen zullen ongebalanceerde secundaire geïnduceerde spanning in beide relais produceren. Daardoor begint stroom te circuleren in de pilotlus en produceert daarbij koppel in beide relais.
