Diferencialni rele

V sistemu zaščite električnih omrežij se uporabljajo različni tipi rele. Med njimi je diferencialni rele zelo pogosto uporabljen za zaščito transformatorjev in generatorjev pred lokalnimi napakami.
Diferencialni releji so zelo občutljivi na napake, ki se pojavijo znotraj zaščitnega območja, vendar so najmanj občutljivi na napake, ki se pojavijo zunaj zaščitnega območja. Večina relejev deluje, ko katera koli količina preseže določeno vrednost, na primer overcurrent rele deluje, ko tok skozi njega preseže predhodno določeno vrednost. Vendar je načelo delovanja diferencialnega releja malo drugačno. Deluje glede na razliko med dvema ali več podobnima električnima količinama.

Definicija diferencialnega releja

Diferencialni rele deluje, ko preseže določeno vrednost razlika med dvema ali več podobnima električnima količinama. V shemi diferencialnega releja pride do srečanja dveh tokov iz dveh delov električnega omrežja. Ti dva toka se srečata v presečišču, kjer je povezan relejni člen. Glede na Kirchhoffov zakon o toku je rezultantni tok, ki teče skozi relejni člen, nič drugega kot vsota dveh tokov, ki prihajata iz dveh različnih delov električnega omrežja. Če sta polariteta in amplituda obeh tokov tako prilagojena, da je fazorska vsota teh dveh tokov pri normalnem delovanju enaka nič, ne bo pri normalnem delovanju noben tok tekla skozi relejni člen. Vendar zaradi kakršne koli nenormalnosti v električnem omrežju, če ta ravnotežje preneha veljati, to pomeni, da fazorska vsota teh dveh tokov ni več enaka nič, in bo skozi relejni člen tekla neničelna tok, kar bo povzročilo delovanje releja.

V shemi diferencialnega toka obstajata dva niza pretvornikov toka, ki sta povezana na obeh straneh opreme, zaščitenih s diferencialnim relejem. Razmerje med pretvorniki toka je tako izbrano, da se sekundarni toki obeh pretvornikov toka ujemata v velikosti.
Polariteta pretvornikov toka je takšna, da se sekundarni toki teh CT-jev nasprotno odpirata. Iz sheme je jasno, da bo skozi delovni člen releja teklo le, če bo med temi dvema sekundarnima tokoma nastala neničelna razlika. Če je ta razlika večja od vrha vrednosti releja, bo deloval, da bo odprl preklopnike, da bi izoliral zaščitno opremo od sistema. Element, uporabljen v diferencialnem releju, je tip armature, ki se trenutno privlači, ker je diferencialna shema prilagodljiva samo za čiščenje napak znotraj zaščitne opreme, z drugimi besedami, diferencialni relej mora čistiti le notranje napake opreme, zato mora biti zaščitna oprema takoj izolirana, ko se karkoli zgodi znotraj same opreme. Ni potrebno nobenega časovnega zamika za uskladitev z drugimi releji v sistemu.

Vrste diferencialnega releja

Obstajata predvsem dve vrsti diferencialnega releja, odvisni od načela delovanja.

1. Diferencialni relej za ravnotežje toka

2. Diferencialni relej za ravnotežje napetosti

V diferencialnem releju za ravnotežje toka sta nameščena dva pretvornika toka na obeh straneh opreme, ki jo želimo zaščititi. Sekundarni kraki CT-jev sta povezana zaporedno tako, da nosita sekundarni tok CT-jev v isti smeri.

Delovni člen relejnega elementa je povezan na sekundarni krak CT-jev. Pri normalnem delovanju nosi zaščitna oprema (ali pa je to močni transformator ali alternator) normalni tok. V tej situaciji, recimo, je sekundarni tok CT1 I1 in sekundarni tok CT2 I2. Je tudi jasno iz sheme, da je tok, ki teče skozi relejni člen, nič drugega kot I1-I2. Kot smo dejali prej, so razmerje in polariteta pretvornikov toka tako izbrana, da je I1 = I2, zato ne bo nobenega toka tekla skozi relejni člen. Če se zdaj kakšna napaka pojavi zunaj območja, pokrito s CT-ji, gre napaka tok skozi primarne dele obeh pretvornikov toka, zato ostanejo sekundarni toki obeh pretvornikov toka enaki kot v primeru normalnega delovanja. Zato v tej situaciji relej ne bo deloval. Vendar, če se kdaj zgodijo napake na zemlji znotraj zaščitne opreme, kot je prikazano, bosta sekundarni toki više neenaka. V tem primeru bo deloval diferencialni relej, da bo izoliral nepopravljivo opremo (transformator ali alternator) od sistema.
Principno ta vrsta sistemov relejev trpi zaradi nekaterih slabosti

1. Lahko je verjetno, da bo prišlo do neujemanja impedanc pilotnih kabelov od sekundarnih delov CT-jev do oddaljenega relejnega plošča.

2. Capacitance teh pilotnih kabelov lahko povzroči napačno delovanje releja, ko se zunanje napake pojavijo znotraj opreme.

3. Natančno ujemanje lastnosti pretvornikov toka ni mogoče doseči, zato lahko pri normalnem delovanju skozi relej teče kapljica toka.

Diferencialni relej z odstotkom

Ta je zasnovan, da odgovori na diferencialni tok v smislu njegove frakcijske relacije do toka, ki teče skozi zaščitno sekcijo. V tej vrsti releja obstajajo vzdrževalni členi poleg delovnega člena releja. Vzdrževalni členi ustvarjajo torke, nasprotne delovnim. Pri normalnih in skozi napakah je vzdrževalna sila večja od delovne. Tako relej ostane neaktiviran. Ko se pojavi notranja napaka, preseže operativna sila bias silo, zato relej deluje. To bias silo je mogoče prilagoditi z variacijo števila zavojnic na vzdrževalnih členih. Kot je prikazano na spodnjem prikazu, če je I1 sekundarni tok CT1 in I2 sekundarni tok CT2, potem je tok skozi delovni člen I1 – I2 in tok skozi vzdrževalni člen (I1 + I2)/2. Pri normalnem in skozi napakah je torque, ustvarjen vzdrževalnimi členi zaradi toka (I1+ I2)/2, večji od torque, ustvarjen delovnim členom zaradi toka I1– I2, vendar pri notranjih napakah postanejo nasprotne. In bias postavitev je definirana kot razmerje (I1– I2) do (I1+ I2)/2.

Je jasno iz zgornjega razlage, večji tok, ki teče skozi vzdrževalne člene, višja je vrednost toka, potrebna za delovanje delovnega člena. Relej se imenuje procentualni, ker se operativni tok, potreben za odpal, lahko izrazi kot odstotek prehodnega toka.

Razmerje in povezava CT-jev za diferencialni relej

Enostaven pravilo je, da se pretvorniki toka na katerem koli zvezdnem navijevanju povežejo v delta, pretvorniki toka na katerem koli deltastem navijevanju pa se povežejo v zvezdo. To se stori, da se izklopi nulta zaporedna komponenta v relejnem okolu.
Če so CT-ji povezani v zvezdo, bo razmerje CT-jev In/1 ali 5 A
CT-ji, ki so povezani v delta, bo razmerje CT-jev In/0.5775 ali 5×0.5775 A

Diferencialni relej za ravnotežje napetosti

V tej postavitvi so pretvorniki toka povezani na obeh straneh opreme tako, da se EMF, inducirana v sekundarnih delih obeh pretvornikov toka, nasprotujejo. To pomeni, da so sekundarni deli pretvornikov toka z obeh strani opreme povezani zaporedno z nasprotno polariteto. Diferencialni relejni člen je vstavljen nekje v zanke, ustvarjene zaporedno povezanimi sekundarnimi deli pretvornikov toka, kot je prikazano na prikazu. Pri normalnem delovanju in tudi pri skozi napakah so EMF, inducirani v obeh sekundarnih delih CT-jev, enaki in nasprotne, zato ne bo nobenega toka tekla skozi relejni člen. Vendar takoj, ko se pojavi notranja napaka v opremi, ki jo zaščitujemo, ti EMF več ni uravnotežen, zato se začne tok teči skozi relejni člen, kar povzroči odpal preklopnika.

V diferencialnem releju za ravnotežje napetosti obstajajo nekatere slabosti, kot je potreba po konstrukciji večtapnega transformatorja za natančno uravnoteženost med paroma pretvornikov toka. Sistem je primeren za zaščito kabelov relativno kratke dolžine, sicer capacitance pilotnih vodov moti delovanje. Na dolgih kabelih bo nabijanje toka dovolj, da bo deloval relej, tudi če je doseženo popolno uravnoteženost pretvornikov toka.
Te slabosti je mogoče odstraniti iz sistema z uvajanjem Translay sistema/skheme, ki je nič drugega kot modificiran sistem diferencialnega releja za ravnotežje napetosti. Translay shema se predvsem uporablja za diferencialno zaščito prenosnikov.

Tukaj sta dva niza pretvornikov toka povezana na obeh koncih prenosnika. Sekundarni del vsakega pretvornika toka je opremljen z individualnim dvokratnim navijalnim indukcijskim relejem. Sekundarni del vsakega pretvornika toka krpi primarni krak dvokratnega navijalnega indukcijskega releja. Sekundarni krak vsakega releja je povezan zaporedno, da tvori zaprt zanki z uporabo pilotnih vodov. Povezava mora biti tako, da bo inducirana napetost v sekundarnem členu enega releja nasprotovala istemu drugemu. Kompensacijski naprava neutralizira učinke kapacitivnih tokov pilotnih vodov in učinke nedostatka uravnoteženosti med dvema pretvornikoma toka.

Pri normalnem delovanju in skozi napakah je tok na obeh koncih prenosnika enak, zato bo tudi tok, induciran v sekundarnih delih CT-jev, enak. Zaradi teh enakih tokov v sekundarnih delih CT-jev, inducirajo primarni del vsakega releja enak EMF. Posledično je EMF, induciran v sekundarnih delih releja, tudi enak, vendar so členi tako povezani, da so ti EMF v nasprotni smeri. Kot rezultat ne bo nobenega toka tekla skozi pilotno zanko in zato ne bo ustvarjen noben operativni torques v nobenem od relejev.