Дифференциальная защита шин
Для прекращения КЗ на шинах из РЗ должна действовать на отключение всех присоединений, питающих шины. В связи с этим специальные РЗ шин приобретают особую ответственность, так как их неправильное действие приводит к отключению целой подстанции либо их секций. Поэтому принцип действия РЗ шин и их практическое выполнение должны отличаться повышенной надежностью, исключающей возможность их ложного срабатывания. В качестве быстродействующей и селективной РЗ шин получила распространение защита, основанная на дифференциальном принципе.
Принцип построения схем ДЗШ
Поскольку защита должна реагировать на все виды междуфазных повреждений и КЗ на землю, токовые цепи ДЗШ всегда выполняются в трехфазном исполнении, а ТТ присоединений собираются по схеме — полная звезда. ТТ устанавливаются таким образом, чтобы выключатели всех присоединений защищаемой СШ входили в зону действия ДЗШ.
При сквозном КЗ суммарный вторичный ток в дифференциальных цепях (избирателях), а также в общей дифференциальной (пусковой) будут определяться только небалансом за счет погрешности ТТ.
При КЗ на системе шин, ток в месте повреждения будет определяться суммой токов присоединений 1 СШ (2 СШ) и шиносоединительного выключателя. Соответствующие вторичные токи будут проходить через реле общей дифференциальной цепи (пусковой орган) и в дифференциальной цепи (избирателе) что обеспечит срабатывание ДЗШ и отключение присоединений 1(2) системы шин.
Защита шин электростанций и подстанций — Принцип действия ДЗШ
Глава третья
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ШИН
3.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Дифференциальной токовой защитой шин называется защита, основанная на сравнении токов в присоединениях защищаемых шин. Принципиальная схема простейшей дифференциальной токовой защиты шин приведена на рис. 3.1. В рассматриваемом случае на всех присоединениях установлены ТТ с одинаковыми коэффициентами трансформации. Пусковой орган (реле Р на рис. 3.1) включен в дифференциальную цепь на сумму токов присоединений.
Зона действия защиты ограничивается ТТ, устанавливаемыми так, чтобы выключатели присоединений входили в зону действия.
При КЗ в зоне действия и отсутствии погрешностей у ТТ ток в реле Р равен (рис. 3.1,а) приведенному току КЗ: 
где i’K- приведенный ток КЗ; i21, i22, i23, . i2n— токи в плечах защиты.
В условиях нормальной работы и при внешних КЗ в защите с идеальными ТТ ток в реле Р равен нулю.
Рис. 3.1. Принцип действия дифференциальной защиты шип
Однако в реальных условиях, особенно при внешних КЗ, из-за неидентичности характеристик ТТ и нагрузок на них в реле проходит ток небаланса (рис. 3.1, б) 
Ток срабатывания защиты выбирается несколько выше тока небаланса: 
(3.1) где — коэффициент запаса, или надежности; Iнб — действующее значение тока небаланса.
Величина Iнб определяется полной погрешностью ε ТТ (см. гл. 2): Iнб = εIк, где Iк — ток КЗ.
При выполнении дифференциальной токовой защиты нагрузку на ТТ выбирают по условию ε≤10 % при максимальном токе внешнего КЗ. При этом ток небаланса составляет Iнб,max=0,1Iк,max, а ток срабатывания защиты Iс,з=0,1rнIк,max, что не всегда приемлемо по условию чувствительности при КЗ в зоне действия. Для снижения ε, т. е. для повышения чувствительности защиты, необходимо уменьшать нагрузку на ТТ, что сводится к увеличению сечения контрольных кабелей.
На первой стадии развития защит шин в СССР в качестве дифференциальных применялись токовые электромагнитные реле, обладающие максимальной простотой и надежностью. Однако в переходных режимах КЗ при наличии в токах апериодических составляющих намагничивающие токи и, следовательно, токи небаланса по сравнению с установившимся режимом существенно возрастают. Отстройка от тока небаланса переходного режима приводила к снижению чувствительности защиты. Это обусловило необходимость разработки реле, не реагирующих на токи небаланса, обусловленные апериодической составляющей в токе внешнего КЗ.
В СССР для отстройки от переходных токов небаланса широко используются насыщающиеся трансформаторы тока. Их применение, в частности, для защиты шин предложено в 1946 г. в Томском политехническом институте проф. И. Д. Кутявиным. Большие исследования насыщающихся трансформаторов, обеспечившие широкое внедрение их в эксплуатацию, были проведены М. И. Царевым, И. И. Соловьевым, В. Л. Фабрикантом, Г. Т. Греком и др. В дальнейшем в Новочеркасском политехническом институте А. Д. Дроздовым [6] было разработано реле типа РНТ с быстро насыщающимся трансформатором, которое в настоящее время в нескольких модификациях серийно выпускается Чебоксарским электроаппаратным заводом.
Дифференциальная защита шин с реле РНТ эффективна при выборе нагрузок на ТТ по условию 10 %, определяемых длиной и сечением контрольных кабелей. Однако в ряде случаев при выборе сечений контрольных кабелей возникают большие трудности, обусловленные значительными протяженностью токовых цепей и значениями токов КЗ. Часто применение реле РНТ невозможно из-за того, что при КЗ в зоне действия ток в минимальном режиме оказывается меньше, чем ток небаланса при внешнем КЗ в максимальном режиме.
По условию чувствительности защиты
где Rч≥2,0 — коэффициент чувствительности; Imin — ток КЗ на шинах в минимальном режиме.
Если
, то применение реле РНТ недопустимо.
Основными достоинствами защиты на дифференциальном токовом принципе являются:
быстродействие в сочетании с селективностью; принципиальная простота реализации, так как реле и другие элементы устанавливаются только в дифференциальных цепях, общих для всей защиты;
на работу защиты не оказывают влияния токи нагрузки при несимметричных КЗ в зоне действия.
Одним из недостатков дифференциального принципа является возможность ложного срабатывания защиты при обрыве соединительных проводов. Для устранения этого недостатка ток срабатывания выбирают несколько превышающим максимальный рабочий ток наиболее мощного присоединения: 
(3.2)
Расчетным является то из условий (3.1) и (3.2), которое дает большое значение тока срабатывания. Существует возможность построения дифференциальной защиты шин, которая не срабатывает ложно при обрыве соединительных проводов.
Это достигается при помощи дополнительного пуска по напряжению или применением двух защит шин, подключенных к двум независимым комплектам ТТ. Выходные органы обеих защит включаются по схеме совпадения «И», т. с. поврежденные шины отключаются, если срабатывают оба комплекта защиты. Так как вероятность одновременного обрыва токовых цепей в обеих защитах крайне мала, то необходимость отстройки от тока нагрузки отпадает. Это мероприятие дает возможность повысить чувствительность защиты.
Помимо отмеченного выше недостатка, опыт эксплуатации показал, что эффективность функционирования защит шин на дифференциальном принципе относительно низка по ряду причин [7], среди которых в первую очередь следует выделить ошибки персонала при изменениях во вторичных цепях защиты, вызванных оперативными переключениями в РУ. Нормальным является фиксированное присоединение элементов к сборным шинам и, следовательно, фиксированная схема коммутации реле и вторичных обмоток ТТ. В процессе оперативных переключений присоединений с одной системы шин на другую, замены выключателя присоединения обходным производятся с помощью испытательных блоков соответствующие изменения во вторичных цепях защиты. Ошибки с испытательными блоками в ряде случаев приводят к неселективным срабатываниям защит шин. Автоматизация изменений вторичных цепей защиты шин при оперативных переключениях затрудняется двумя причинами:
недостаточной надежностью датчиков положения шинных разъединителей (вспомогательных контактов — повторителей положения разъединителей);
относительной сложностью автоматизированной коммутации вторичных цепей ТТ.
Указанные недостатки дифференциальной токовой защиты шин привели к необходимости проведения исследований и разработок по защитам шин на дифференциальном токовом и других принципах. Дифференциальные токовые защиты шин могут быть полными ι неполными. В полной защите токовые реле включаются на геометрическую сумму токов всех без исключения присоединений. В неполной защите токовые реле включаются на геометрическую сумму токов только питающих элементов (генераторов, секционных выключателей и трансформаторов связи). Неполные защиты примени ются на генераторном напряжении ТЭЦ при наличии токоограничивающих реакторов. Чувствительность защиты ограничивается условием отстройки от тока КЗ за реакторами. Ввиду ограниченного применения неполных защит в данной работе они не рассматриваются.
Дифференциальная защита шин – краткое описание и принцип работы
Для того чтобы снизить негативные последствия влияния КЗ на потребителей тока необходимо обеспечить выключение участка, где произошло КЗ, за минимально возможное время. Для защиты шин обычно применяется дифференциальная защита, принцип работы которой основан на сравнении фаз и величин токов в присоединениях шин. В цепи защиты при нормальном режиме работы системы шин протекает только ток небаланса. В случае возникновения КЗ по цепи ДЗШ начинает протекать ток КЗ, при этом защита срабатывает на выключение реле шин, питающих КЗ.
ДЗШ позволяет также снизить негативный эффект при:
- утрате устойчивости системы;
- разладе и повреждении оборудования;
- существенном уменьшении напряжения на шинах.
Если в защищаемых объектах отсутствует КЗ, то дифференциальный ток в идеальных условиях должен быть равен нулю. В реальных условиях протекает ток небаланса, который может быть вызван разными коэффициентами трансформации ТТ, устройствами защиты и др. факторами. При возникновении КЗ ток в цепи ДЗШ увеличивается, в результате чего отключаются присоединения, питающие КЗ.
Главные достоинства такой системы защиты – это большая скорость срабатывания и селективность отключения. Кроме того, ДЗШ проста в реализации и срабатывают при любых видах КЗ. Среди недостатков дифференциальной защиты находится возможность срабатывания, если происходит обрыв соединительных проводов. Чтобы избежать ложного срабатывания, ток срабатывания устанавливается немного превышающим рабочий ток наиболее мощного присоединения.
Чаще всего ДЗШ используется для обеспечения безопасности на подстанциях с двойной системой шин, которые у нас наиболее распространены, причём используется одна ДЗШ для обоих систем, также как и в одиночной системе шин.
В ДЗШ входят следующие исполняющие элементы:
- избирательные органы;
- чувствительный орган;
- пусковые органы;
- контролирующий напряжение на шинах орган.
Дифференциальная защита является основной для шин. Для повышения надёжности защиты используются следующие методы:
- снижение токов небаланса.
- отстройка дифференциального реле от токов небаланса;
- контроль исправности токовых цепей.
Проект РЗА
Сайт о релейной защите и цифровых технологиях в энергетике
Home » Релейная защита и автоматика » Сети 6-35 кВ » Логическая защита шин (ЛЗШ)
Логическая защита шин (ЛЗШ)
Дмитрий Василевский 07.03.2016 15.03.2020 27 комментариев к записи Логическая защита шин (ЛЗШ)
Сегодня логическая защита шин является неотъемлемой частью системы релейной защиты и автоматики распределительных устройств 6-35 кВ. Ее распространению способствовал переход от электромеханической элементной базы к микропроцессорным блокам РЗА. Еще 15-20 лет назад вы вряд ли бы увидели ЛЗШ в проекте.
Назначение ЛЗШ
Логическая защита шин нужна, чтобы сократить время отключения коротких замыканий на шинах 10 кВ.
При коротком замыкании на шинах 10 кВ логическая защита шин устраняет его практически без выдержки времени (0,1-0,15 с), а при замыкании на присоединении – ЛЗШ блокируется, позволяя устранить КЗ нижестоящим защитам.
Простые защиты, вроде максимальной токовой, не могут выполнить селективное отключение короткого замыкания на шинах 6-35 кВ без выдержки времени, что приводит к увеличению повреждения в распределительном устройстве, особенно на уровнях распределения “ПС” и “РТП”, где уровень токов коротких замыканий обычно высок.
Стандартное время срабатывания МТЗ ввода 6-10 кВ – 1-2 секунды, против 0,1-0,15 секунд у ЛЗШ. Выигрыш в быстродействии очевиден.
Область применения ЛЗШ
В основном логическую защиту шин применяют для радиальных распределительных сетей 6-35 кВ, особенно массово для напряжения 6-10 кВ.
Большое количество присоединений в таких сетях не позволяют эффективно использовать дифференциальные защиты шин (дорого) и неполные дифференциальные защиты шин (обычно защищают реактированые линии, которые редко применяют в распределительных сетях).
В этих условия ЛЗШ является единственной недорогой защитой, позволяющей быстро отключить короткие замыкания на шинах 6-35 кВ.
С осторожностью нужно применять ЛЗШ на подстанциях с крупными двигателями 6-10 кВ, которые могут давать подпитку внешнего короткого замыкания с уровнем тока, достаточным для пуска защит присоединений и вводов РУ. Это может привести к ложной работе ЛЗШ с неселективным отключением секции 6-10 кВ или блокировки ЛЗШ при ложном пуске защит присоединений.
В последнее время ЛЗШ, для удешевления проектов, стали применять в кольцевых сетях с многосторонним питанием (шины 6-35 кВ ПС, РП, ГТЭС и т.д.). Для этого пусковые органы защит выполняют направленными. Данный вариант нужно всесторонне рассматривать с учетом надежности системы релейной защиты и в случае особо ответственных объектов, отдавать предпочтение дифференциальной защите шин!
Структура ЛЗШ
ЛЗШ — это распределенная защита. Она не находится в одном конкретном терминале, а распределена по защитам вводов, СВ и отходящих присоединений (линий, трансформаторов, двигателей, БСК и т.д.).
Так как защита шин 6-35 кВ осуществляется вводными и секционным выключателями, то именно в терминалах ввода и СВ реализована отключающая токовая ступень (ЛЗШ), работающая с минимальной выдержкой времени (0,1-0,15 с).
Пусковые органы защит нижестоящих присоединений дают информацию о том, есть ли замыкание на присоединении, и в случае его наличия, замыкают выходные контакты своего терминала для передачи сигнала на терминалы ввода и СВ. Это выходной сигнал называется “Блокировка ЛЗШ”.
Блоки защиты присоединений соединены с блоками ввода и секционного выключателями медными шинками для передачи сигнала по схеме “выходные контакты – дискретный вход”. В настоящее время, рассматривается вопрос передачи сигналов “Блокировка ЛЗШ” посредством информационных каналов (технология МЭК-61850 GOOSE)
Принцип работы
Принцип работы рассмотрим на примере возникновения внутреннего (на шинах) и внешнего (на присоединении) замыканий.
Замыкание на шинах 6-35 кВ (в зоне действия ЛЗШ)
- Ток КЗ протекает от энергосистемы, через ТТ защиты ввода, к точке КЗ;
- Защита ввода (и МТЗ и отдельная ускоренная ступень ЛЗШ) пускается от данного тока;
- Защиты присоединений не пускаются потому, что через них ток КЗ не протекает (подпитки “снизу” нет)
- Так как сигнал “Блокировка ЛЗШ” нижестоящими защитами не выдается, то защита ввода (ускоренная ступень ЛЗШ) отключает выключатель ввода с временем 0,1-0,15 секунд
Замыкание на присоединении (вне зоны действия ЛЗШ)
- Ток КЗ протекает от энергосистемы, через ТТ защиты ввода и ТТ защиты фидера, к точке КЗ;
- Происходит пуск защиты ввода (МТЗ и отдельной ускоренной ступени ЛЗШ) и защиты фидера (МТЗ и, возможно, ТО);
- Защита присоединения мгновенно выдает сигнал пуска собственных защит (Блокировка ЛЗШ) на защиты ввода (через сухой контакт);
- Защита ввода принимает сигнал “Блокировка ЛЗШ” и блокирует ускоренную ступень ЛЗШ (МТЗ ввода остается в работе);
- Защита фидера отключает свой выключатель для устранения КЗ, МТЗ ввода возвращается;
- При отказе защиты фидера, КЗ устраняет МТЗ ввода с выдержкой времени.
Зона действия ЛЗШ
Зона действия ЛЗШ показана на рис. 3
Стоит отметить, что несмотря на название, ЛЗШ защищает не только сами шины, но и зону выключателей. Как и для дифференциальной защиты шин, ее зона действия определяется местами установки трансформаторов тока.
На этом об Основах ЛЗШ все! В следующий раз поговорим о возможных схемах реализации логической защиты шин в реальных проектах.