Дифференциальная реле

Реле, используемые в системах защиты электроэнергии, бывают разных типов. Среди них дифференциальное реле очень часто используется для защиты трансформаторов и генераторов от локальных повреждений.
Дифференциальные реле очень чувствительны к повреждениям, возникающим в зоне защиты, но они наименее чувствительны к повреждениям, возникающим вне защищенной зоны. Большинство реле срабатывают, когда какое-либо значение превышает предварительно установленное значение, например, реле перегрузки по току срабатывает, когда ток через него превышает предопределенное значение. Однако принцип работы дифференциального реле несколько отличается. Оно работает, основываясь на разнице между двумя или более подобными электрическими величинами.

Определение дифференциального реле

Дифференциальное реле — это реле, которое срабатывает, когда разница между двумя или более подобными электрическими величинами превышает предопределенное значение. В схеме дифференциального реле два тока поступают из двух частей электрической цепи питания. Эти два тока встречаются в точке соединения, где подключен катушка реле. Согласно закону Кирхгофа о токах, результирующий ток, протекающий через катушку реле, является суммой двух токов, поступающих из двух различных частей электрической цепи питания. Если полярность и амплитуда обоих токов таковы, что фазорная сумма этих двух токов равна нулю при нормальных условиях работы, то через катушку реле не будет протекать ток. Однако, если в силовой цепи произойдет какая-либо аномалия, и этот баланс будет нарушен, то есть фазорная сумма этих двух токов больше не будет равна нулю, и через катушку реле будет протекать ненулевой ток, что приведет к срабатыванию реле.

В схеме дифференциального тока используются два набора трансформаторов тока, каждый из которых подключен к одной из сторон оборудования, защищенного дифференциальным реле. Соотношение трансформаторов тока выбрано таким образом, чтобы вторичные токи обоих трансформаторов тока совпадали по величине.
Полярности трансформаторов тока такие, что вторичные токи этих ТТ противоположны друг другу. Из схемы ясно, что только если создается ненулевая разница между этими вторичными токами, тогда только этот дифференциальный ток будет протекать через рабочую катушку реле. Если эта разница превышает пороговое значение реле, оно сработает, чтобы открыть выключатели и изолировать защищенное оборудование от системы. Релейный элемент, используемый в дифференциальном реле, — это мгновенно срабатывающее реле с привлеченным якорем, поскольку дифференциальная схема предназначена только для устранения повреждений внутри защищенного оборудования, другими словами, дифференциальное реле должно устранять только внутренние повреждения оборудования, поэтому защищенное оборудование должно быть изолировано, как только произойдет повреждение внутри самого оборудования. Не требуется никакой временной задержки для координации с другими реле в системе.

Типы дифференциальных реле

Существует два основных типа дифференциальных реле, в зависимости от принципа работы.

1. Реле дифференциального тока с балансом тока

2. Реле дифференциального напряжения с балансом напряжения

В реле дифференциального тока два трансформатора тока устанавливаются на обе стороны защищаемого оборудования. Вторичные цепи ТТ соединены последовательно таким образом, что они проводят вторичный ток ТТ в одном направлении.

Рабочая катушка релейного элемента подключена к вторичной цепи ТТ. В нормальных условиях работы защищаемое оборудование (трансформатор или генератор) проводит нормальный ток. В этой ситуации, скажем, вторичный ток ТТ1 равен I1, а вторичный ток ТТ2 равен I2. Из схемы также ясно, что ток, проходящий через катушку реле, равен I1-I2. Как мы уже говорили, соотношение и полярность трансформаторов тока таковы, что I1 = I2, следовательно, через катушку реле не будет протекать ток. Теперь, если произойдет повреждение вне зоны, покрытой ТТ, поврежденный ток пройдет через первичную обмотку обоих трансформаторов тока, и, следовательно, вторичные токи обоих трансформаторов тока останутся такими же, как в случае нормальных условий работы. Поэтому в этом случае реле не будет срабатывать. Но если произойдет внутреннее повреждение заземления, как показано, два вторичных тока больше не будут равны. В этом случае дифференциальное реле сработает, чтобы изолировать поврежденное оборудование (трансформатор или генератор) от системы.
Принципиально такие системы реле имеют некоторые недостатки

1. Может возникнуть вероятность несоответствия импеданса кабеля от вторичной обмотки ТТ до удаленной панели реле.

2. Емкость этих пилотных кабелей вызывает неправильное срабатывание реле при больших внешних повреждениях.

3. Точное соответствие характеристик трансформаторов тока не может быть достигнуто, поэтому в нормальных условиях работы через реле может протекать утечка тока.

Процентное дифференциальное реле

Это реле спроектировано для реагирования на дифференциальный ток в виде его доли относительно тока, протекающего через защищенный участок. В этом типе реле, кроме рабочей катушки, есть катушки ограничения. Катушки ограничения создают момент, противоположный рабочему моменту. В нормальных условиях и при внешних повреждениях момент ограничения превышает рабочий момент. Таким образом, реле остается неактивным. Когда происходит внутреннее повреждение, рабочая сила превышает смещение, и, следовательно, реле срабатывает. Это смещение можно регулировать, изменяя количество витков на катушках ограничения. Как показано на рисунке ниже, если I1 — это вторичный ток ТТ1, а I2 — это вторичный ток ТТ2, то ток через рабочую катушку равен I1 – I2, а ток через катушку ограничения равен (I1 + I2)/2. В нормальных условиях и при внешних повреждениях момент, создаваемый катушками ограничения, из-за тока (I1+ I2)/2, превышает момент, создаваемый рабочей катушкой, из-за тока I1– I2, но при внутреннем повреждении эти моменты становятся противоположными. Настройка смещения определяется как отношение (I1– I2) к (I1+ I2)/2.

Из вышеизложенного объяснения ясно, что чем больше ток, протекающий через катушки ограничения, тем большее значение тока требуется для срабатывания рабочей катушки. Реле называется процентным, потому что требуемый рабочий ток для срабатывания можно выразить в процентах от тока, протекающего через защищенный участок.

Соотношение и соединение трансформаторов тока для дифференциального реле

Это простое правило гласит, что трансформаторы тока на любой звездной обмотке должны быть подключены в треугольник, а трансформаторы тока на любой треугольной обмотке должны быть подключены в звезду. Это делается для того, чтобы исключить нулевую последовательность тока в цепи реле.
Если ТТ подключены в звезду, соотношение ТТ будет In/1 или 5 А
Если ТТ подключены в треугольник, соотношение ТТ будет In/0.5775 или 5×0.5775 А

Реле дифференциального напряжения с балансом напряжения

В этой схеме трансформаторы тока подключены с обеих сторон оборудования таким образом, что ЭДС, индуцируемая во вторичных обмотках обоих трансформаторов тока, будут противоположны друг другу. То есть вторичные обмотки трансформаторов тока с обеих сторон оборудования соединены последовательно с противоположной полярностью. Катушка дифференциального реле вставлена где-то в контур, созданный последовательным соединением вторичных обмоток трансформаторов тока, как показано на рисунке. В нормальных условиях работы и при внешних повреждениях ЭДС, индуцируемые во вторичных обмотках обоих ТТ, равны и противоположны друг другу, и, следовательно, через катушку реле не будет протекать ток. Но как только происходит внутреннее повреждение защищаемого оборудования, эти ЭДС больше не сбалансированы, и, следовательно, начинает протекать ток через катушку реле, что приводит к срабатыванию выключателя.

У реле дифференциального напряжения с балансом напряжения есть некоторые недостатки, такие как необходимость использования многоступенчатых трансформаторов для точного баланса между парами трансформаторов тока. Система подходит для защиты кабелей относительно короткой длины, иначе емкость пилотных проводов нарушает работу. На длинных кабелях зарядный ток будет достаточен для срабатывания реле, даже если будет достигнут идеальный баланс трансформаторов тока.
Эти недостатки можно устранить, внедрив систему Translay, которая представляет собой модифицированную систему баланса дифференциального напряжения. Система Translay в основном применяется для дифференциальной защиты фидеров.

Здесь, два набора трансформаторов тока подключены к каждому концу фидера. Вторичная обмотка каждого трансформатора тока оснащена отдельным реле с двойной обмоткой индукционного типа. Вторичная обмотка каждого трансформатора тока питает первичную цепь реле с двойной обмоткой. Вторичные цепи каждого реле соединены последовательно, образуя замкнутый контур с помощью пилотных проводов. Соединение должно быть таким, чтобы индуцированное напряжение во вторичной обмотке одного реле противодействовало тому же напряжению в другом. Компенсирующее устройство нейтрализует эффект емкостных токов пилотных проводов и эффект несовпадения между двумя трансформаторами тока.

В нормальных условиях и при внешних повреждениях ток на обоих концах фидера одинаков, и, следовательно, ток, индуцируемый во вторичных обмотках ТТ, также будет одинаковым. В результате этого равного тока во вторичных обмотках ТТ, первичная обмотка каждого реле индуцирует одинаковую ЭДС. Следовательно, ЭДС, индуцируемая во вторичных обмотках реле, также будет одинаковой, но обмотки подключены таким образом, что эти ЭДС направлены в противоположные стороны. В результате через пилотный контур не будет протекать ток, и, следовательно, ни в одном из реле не будет создан рабочий момент.

Но если произойдет повреждение в фидере в зоне между трансформаторами тока, ток, покидающий ф