Diferencijalni rele

Reliji koji se koriste u zaštiti električnih sistema su različitih tipova. Među njima diferencijalni relej često se koristi za zaštitu transformatora i generatora od lokalizovanih grešaka.
Diferencijalni releji su vrlo osetljivi na greške koje se desavaju unutar zone zaštite, ali su najmanje osetljivi na greške koje se desavaju van zaštićene zone. Većina relija radi kada neka veličina premaši predodređenu vrednost, na primer, preopterećeni relej radi kada struja kroz njega premaši predodređenu vrednost. Međutim, princip rada diferencijalnog releja je malo drugačiji. On radi zavisno o razlici između dve ili više sličnih električnih veličina.

Definicija diferencijalnog releja

Diferencijalni relej je onaj koji radi kada razlika između dve ili više sličnih električnih veličina premaši predodređenu vrednost. U shemi diferencijalnog releja, postoje dve struje koje dolaze iz dva dela električne mreže. Ove dve struje se susreću u tački spoja gde je povezan bobinjak releja. Prema Kirchhoffovom zakonu struje, rezultujuća struja koja teče kroz bobinjak releja jeste ništa drugo do suma ove dve struje, koje dolaze iz dva različita dela električne mreže. Ako su polarnost i amplituda obeju struja tako podešene da fazona suma ove dve struje bude nula u normalnim radnim uslovima, tada neće postojati struja koja teče kroz bobinjak releja u normalnim radnim uslovima. Međutim, zbog bilo kakve anomalije u mreži, ako se ovaj ravnoteža prekine, to znači da fazona suma ove dve struje više nije nula i da će kroz bobinjak releja teći nenulta struja, time aktivirajući relej.

U shemi diferencijalne struje, postoje dva seta transformatora struje, svaki povezan sa jedne strane opreme zaštićene diferencijalnim relejem. Omjeri transformatora struje su tako izabrani da sekundarne struje oba transformatora struje budu međusobno jednake po intenzitetu.
Polarnosti transformatora struje su takve da sekundarne struje ovih CT-ova suprotstavljaju jedna drugoj. Iz sheme je jasno da samo ako se stvori nenulta razlika između ove dve sekundarne struje, tada će diferencijalna struja teći kroz operativnu bobinu releja. Ako je ova razlika veća od pikne vrednosti releja, on će raditi kako bi otvorio prekidnike da izoluje zaštićenu opremu od sistema. Relujski element korišćen u diferencijalnom releju je privlačni armaturni trenutni relej, jer diferencijalna shema služi isključivo za očišćavanje grešaka unutar zaštićene opreme, drugim rečima, diferencijalni relej treba da očisti samo interne greške opreme, stoga treba da se zaštićena oprema izoluje čim se dešava greška unutar same opreme. Ne treba da postoji vremenska kašnjenja za koordinaciju sa drugim relejima u sistemu.

Vrste diferencijalnog releja

Prema principu rada, postoje uglavnom dve vrste diferencijalnog releja.

1. Relej ravnoteže struje

2. Relej ravnoteže napona

U diferencijalnom releju struje dva transformatora struje su montirana na svakoj strani opreme koja se treba zaštititi. Sekundarne šeme CT-ova su povezane serijalno tako da nosilice sekundarne struje CT-ova teku u istom smeru.

Operativna bobina relujskog elementa je povezana preko sekundarne šeme CT-ova. Pod normalnim radnim uslovima, zaštićena oprema (bilo step-down transformator ili alternator) nosi normalnu struju. U ovoj situaciji, recimo, sekundarna struja CT1 je I1, a sekundarna struja CT2 je I2. Jasnog je iz sheme da je struja koja prolazi kroz bobinu releja ništa drugo do I1-I2. Kao što smo ranije rekli, omjer i polarnost transformatora struje su tako izabrani da je I1 = I2, stoga neće postojati struja koja teče kroz bobinu releja. Sada, ako se dogodi greška van zone pokrivene CT-ovima, grešna struja prolazi kroz primarne delove oba transformatora struje, a sekundarne struje oba transformatora struje ostaju iste kao u normalnim radnim uslovima. Stoga, u toj situaciji, relej neće biti aktiviran. Ali, ako se dogodi zemlja greška unutar zaštićene opreme, kao što je prikazano, dve sekundarne struje više neće biti jednake. U tom slučaju, diferencijalni relej se aktivira kako bi izolovao grešnu opremu (transformator ili alternator) od sistema.
Principi ovog tipa relujskih sistema trpe od nekih nedostataka

1. Postoji mogućnost neusklađenosti impedancije kabla od sekundarnog dela CT-a do udaljenog relejnog panela.

2. Kapacitivnost ovih pilotnih kabela uzrokuje pogrešan rad releja kada se dogodi velika greška van opreme.

3. Tačno usklađivanje karakteristika transformatora struje ne može biti dostignuto, stoga može postojati struja koja teče kroz relej u normalnim radnim uslovima.

Diferencijalni relej procenata

Ovaj je dizajniran da reaguje na diferencijalnu struju u smislu njenog frakcijskog odnosa prema strujama koje teku kroz zaštićeni deo. U ovom tipu releja, osim operativne bobine, postoje i bobine ograničavanja. Bobine ograničavanja proizvode moment suprotan operativnom momentu. Pod normalnim i prodornim uslovima, moment ograničavanja je veći od operativnog momenta. Tako relej ostaje neaktiviran. Kada se desi interna greška, operativna sila prevazilazi pristranu silu, stoga relej radi. Ova pristrana sila se može podesiti promenom broja zavojnica na bobinama ograničavanja. Kao što je prikazano na slici ispod, ako je I1 sekundarna struja CT1, a I2 sekundarna struja CT2, tada struja kroz operativnu bobinu je I1 – I2, a struja kroz bobinu ograničavanja je (I1 + I2)/2. Pod normalnim i prodornim uslovima, moment proizveden od strane bobina ograničavanja zbog struje (I1+ I2)/2 je veći od momenta proizvedenog od strane operativne bobine zbog struje I1– I2, ali u internoj grešnoj situaciji, ovi postaju suprotni. Podešenje pristrane sile definisano je kao odnos (I1– I2) do (I1+ I2)/2.

Jasno je iz prethodnog objašnjenja, veća struja koja teče kroz bobine ograničavanja, veća je vrednost struje potrebna za operativnu bobinu da radi. Relej se naziva procentualni relej jer se operativna struja potrebna za tripovanje može izraziti kao procent prodorne struje.

Omjer i povezivanje transformatora struje za diferencijalni relej

Ovaj jednostavan pravilo je da transformatori struje na bilo kom zvezdastom navijanju treba da budu povezani u delta, a transformatori struje na bilo kom deltastom navijanju treba da budu povezani u zvezdu. To se radi kako bi se eliminirala nultorazredna struja u relujskoj šemi.
Ako su CT-ovi povezani u zvezdu, omjer CT-ova će biti In/1 ili 5 A
CT-ovi treba da budu povezani u delta, omjer CT-ova će biti In/0.5775 ili 5×0.5775 A

Diferencijalni relej ravnoteže napona

U ovoj shemi transformatori struje su povezani sa obe strane opreme na način da se EMF inducirana u sekundarnom delu oba transformatora struje suprotstavlja jedna drugoj. To znači da su sekundarni delovi transformatora struje sa obe strane opreme povezani serijalno sa suprotnom polarnošću. Diferencijalna bobina releja je umetnuta negde u petlu kreiranu serijalnim povezivanjem sekundarnih delova transformatora struje, kao što je prikazano na slici. Pod normalnim radnim uslovima i u situaciji prodorne greške, EMF inducirane u sekundarnim delovima oba transformatora struje su jednake i suprotne jedna drugoj, stoga neće postojati struja koja teče kroz bobinu releja. Ali čim se desi interna greška u opremi pod zaštitom, ove EMF više nisu uravnotežene, stoga struja počinje da teče kroz bobinu releja, time aktivirajući prekidnik.

Postoje neki nedostaci u diferencijalnom releju ravnoteže napona, kao što je potreba za konstrukcijom transformatora sa više navijanja kako bi se postigla tačna ravnoteža između parova transformatora struje. Sistem je prikladan za zaštitu kablova relativno kratke dužine, inače kapacitivnost pilotnih žica ometa performanse. Na dugačkim kabl