今回は、差動リレーと比率差動リレーの仕組み、そして誤動作の要因について解説します。最近の電験でも頻出の重要テーマです！
差動リレーとは？
差動リレーは、変圧器や母線などの被保護設備の両端に設置したCT（電流変成器）の電流差を利用して、内部故障を検出する保護方式です。
基本式は以下の通りです。
$$
|i_1 – i_2| > K
$$
ここで K は動作設定値です。下図は特性図で\(i_1)\と\(i_2)\の差が大きくなると動作することを表しています。
差動リレーとCT不平衡
ただし実際の差動リレーでは、CTの特性差や飽和、回路構成の違いにより電流が完全一致することはありません。そのため、単純な差電流比較だけでは誤動作が起こります。
CT不平衡の主な要因は以下になります。
これらにより誤差電流が発生し、内部故障でなくても差動電流が流れる場合があります。
誤差電流を抑制する「比率制御」
差動リレーはCTの特性によっては誤動作する可能性があるのか。。
その解決策は何だろう？
実際はそのような誤動作をなくすためには、差動リレーは比率要素（RC）を付加し、外部故障で大電流が流れた場合でも誤動作しにくくしています。これを比率差動リレーといいます。
ここで利用される量が 抑制電流（Ir） です。
端子電流の大きさを基準に差動動作値を変化させ、Irが大きいほど動作限界電流を大きく設定します。これにより外部故障時の誤動作を防ぎます。
比率差動リレーの動作式は抑制電流（Ir）と差動電流（Id）を用いて以下の式になります。
$$
|i_r| -k|i_d| > K
$$
これを表すと下図のようになります。K₀は固定分の誤差を加味して設定されます。抑制電流（Ir）はスカラ和電流（各端子電流の実効値の総和）あるいは最大スカラ和（各端子電流の実効値の最大）が用いられ、kは抑制電流の種類によって決まります。
励磁突入電流との誤動作対策
変圧器投入時に発生する励磁突入電流は、定格の数倍に達し内部故障電流と見分けがつきにくいため、差動リレーの誤動作要因となります。これを防ぐための対策について説明します。
防止策① 電圧回復後の感度調整
事故で系統電圧が低下し、復旧後に突入電流が発生するケースがあります。
このとき、電圧回復後一定時間は差動リレーの感度を鈍くすることで、誤動作を防止できます。
簡単に言えば、「しばらく様子を見る」仕組みです。
防止策② 第2高調波抑制機能
励磁突入電流には特徴があります。それは第2高調波成分が多く含まれること。
差動リレーはこの成分を検出し、一定割合以上なら突入電流と判断して動作をブロックします。
この機能により、故障電流と突入電流をスマートに見分けられるのです。
まとめ
・差動リレーはCT電流差で内部故障を検出する保護方式
・CT不平衡（特性差・回路差・飽和など）で誤差電流が発生
・比率差動リレーで抑制電流を利用し、外部故障時の誤動作を防止
・励磁突入電流対策
① 電圧回復後の感度調整（一定時間動作を遅延）
② 第2高調波検出で突入電流を識別
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