Какой принцип заложен в дифференциальную токовую защиту

Дифференциальные токовые защиты линий

Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемой линии. Очевидно, что при внешнем к.з. токи по концам защищаемой линии направлены в одну сторону и равны по величине, а при к.з. на линии они направлены в разные стороны и, как правило, не равны по величине (рис. 6‑1). Следовательно, сравнивая величину и фазу (направление) токов по концам линии можно определять, где возникло повреждение – на линии или за её пределами. Рис.6-1. Токи по концам линии (а) при внешних к.з. и (б) на линии. Для осуществления продольной дифференциальной защиты по концам защищаемой линии устанавливаются трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются при помощи соединительных проводов и подключаются к дифференциальному реле таким образом, чтобы при внешних к.з. ток в реле был равен разности токов в начале и конце защищаемой линии, а при к.з. на линии – их сумме. На рис. 6-2 представлена схема продольной дифференциальной защиты линии с циркулирующими токами. В этой схеме при прохождении по защищаемой линии сквозного тока (нагрузки или внешнего к.з.) по соединительным проводам, соединяющим вторичные обмотки трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 постоянно циркулирует ток, равный по величине вторичному току трансформаторов тока: . Параллельно вторичным обмоткам ТТ включается обмотка токового реле Т, которое совместно с ТТ1 и ТТ2 образует дифференциальную защиту. Вторичные обмотки ТТ соединяются так, чтобы при внешнем к.з. токи в соединительных проводах имели одинаковое направление, а ток в реле был равен разности вторичных токов трансформаторов тока: При равенстве коэффициентов трансформации ТТ1 и ТТ2: Таким образом, при прохождении по защищаемой линии сквозного тока нагрузки или внешнего к.з. ток в реле продольной дифференциальной защиты отсутствует и, следовательно, дифференциальная защита на такие режимы не реагирует. Поэтому защита не требует выдержки времени, т.е. является селективной по своему принципу действия. Однако, из-за имеющихся погрешностей трансформаторов тока в реле будет проходить ток небаланса: . Для того, чтобы дифференциальная защита не срабатывала ложно от токов небаланса, ток срабатывания защиты должен быть больше максимального значения тока небаланса при внешних к.з.

где:
Кн	—	коэффициент надёжности, больший единицы;
Iнб.макс.	—	максимальное значение тока небаланса при внешнем к.з.

При к.з. на защищаемой линии в условиях одностороннего питания (рис. 6-2, б) от подстанции А ток к.з. проходит только через трансформаторы тока ТТ-1. Вторичный ток , разветвляется по 2-м направлениям: в сторону обмотки релеТ и в сторону вторичной обмотки ТТ2. Однако, поскольку сопротивление вторичной обмотки ТТ находящегося в режиме холостого хода во много раз больше сопротивления обмотки реле, то практически весь ток I₁ замыкается через реле: т.е. в реле проходит полный ток к.з., дифференциальная защита срабатывает и производит отключение поврежденной линии. При к.з. на линии с двухсторонним питанием (рис. 6-2, в) первичные токи I_1к.з. и I_{II к.з.} по концам защищаемой линии направлены к месту к.з. от шин подстанций в линию. При этом направление первичного тока на одном из концов линии меняет направление на противоположное по сравнению с режимом внешнего к.з. (рис. 6-2, а). В этом случае ток в обмотке реле Т суммируется: Таким образом, и в случае двухстороннего питания в реле дифференциальной защиты проходит полный ток к.з., приходящий к месту к.з., следовательно, дифференциальная защита, реагируя на полный ток к.з., обладает необходимой чувствительностью. Коэффициент чувствительности продольной дифференциальной защиты определяется по формуле: .

где:
Iк.з. мин	—	минимальное значение тока к.з. при к.з. на защищаемой линии;
Iс.з.	—	ток срабатывания дифференциальной защиты.

Участок, ограниченный трансформаторами тока, называется зоной действия продольной дифференциальной защиты. Рис. 6-2. Прохождение токов в схеме продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами: а) при к.з. вне зоны защиты; б) при к.з. в зоне защиты при одностороннем питании; в) при к.з. в зоне защиты при двухстороннем питании. Одна из особенностей продольной дифференциальной защиты линий состоит в том, что для отключения линии с 2-х сторон необходимо включать в токовые цепи защиты два реле с обоих концов защищаемой линии (рис. 6-3). Рис. 6-3. Принцип выполнения продольной дифференциальной защиты линий (установка 2-х реле по концам защищаемой линии). Применение 2-х реле приводит к снижению чувствительности защиты, т.к. в каждом реле проходит только часть полного тока к.з. Кроме того, из-за большой протяженности соединительных проводов нагрузка на трансформаторы тока достаточно велика, что также является недостатком защиты. В нашей стране промышленностью выпускается и используется для защиты линий длиной до 10-12 км продольная дифференциальная защита типа ДЗЛ. Дифференциальная защита может быть выполнена по другой схеме – на равновесии напряжений. В этом случае вторичные обмотки ТТ соединяются так, чтобы при внешнем к.з. их э.д.с. были направлены встречно, а реле включаются последовательно в цепь соединительных проводов (рис. 6-4). Рис.6-4. Принцип действия продольной дифференциальной защиты на равновесии напряжений: а) при внешних к.з. б) при к.з. на защищаемой линии. В схеме дифференциальной защиты на равновесии напряжений при внешних к.з., а также при прохождении токов нагрузки вторичные э.д.с. ТТ равны и совпадают по фазе и т.к. токи по концам защищаемой линии равны и равны коэффициенты трансформации ТТ, то ток в реле:

где:
Z	—	полное сопротивление контура «трансформаторы тока – реле».

Из-за погрешностей ТТ появляется э.д.с. небаланса и в реле появляется ток небалансаI_нб и ток срабатывания защиты необходимо отстраивать от тока небаланса при внешних к.з. При к.з. в зоне защиты вторичные э.д.с. и складываются и вызывают появление тока в реле под действием, которого защита срабатывает. Однако, в нашей стране наибольшее распространение получила схема дифференциальной защиты основанная на принципе циркуляции токов. Выводы:

1. Принцип действия продольной дифференциальной защиты основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемой линии.
2. Продольная дифференциальная защита не требует замедления на срабатывание, т.е. является селективной по своему принципу действия.
3. Продольная дифференциальная защита применяется в качестве основной защиты линий небольшой протяжённости, а также в качестве основной защиты генераторов, трансформаторов, электродвигателей и сборных шин распределительных устройств напряжением 6–500 кВ.

Продольная дифференциальная защита линий

Продольная дифференциальная з ащита основана на принципе сравнения значений и фаз токов в начале и конце линии. Для этого вторичные обмотки трансформаторов тока с обеих сторон линии соединяются между собой проводами, как показано на рис. 1. По этим проводам постоянно циркулируют вторичные токи I1 и I2. Для выполнения дифференциальной защиты параллельно трансформаторам тока включают дифференциальное реле РТ. Ток в обмотке этого реле всегда будет равен геометрической сумме токов, приходящих от обоих трансформаторов тока

Если коэффициенты трансформации трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 одинаковы, то при нормальной работе, а также внешнем КЗ (точка К1 на рис. 1,а) вторичные токи равны по значению I1 = I2 направлены в реле встречно.

Рис. 1. Принцип выполнения продольной дифференциальной защиты линии и прохождение тока в реле при внешнем КЗ (а) и при КЗ на защищаемой зоне (б)

и реле не приходит в действие.

При КЗ в защищаемой зоне (точка К2 на рис. 1,б) вторичные токи в обмотке реле совпадут по фазе. И, следовательно, будут суммироваться

реле сработает и подействует на отключение выключателей линий.

Таким образом, дифференциальная продольная защита с постоянно циркулирующими токами в обмотке реле реагирует на полный ток КЗ в защищаемой зоне (участок линии, заключенный между трансформаторами тока ТТ1 и ТТ2), обеспечивая при этом мгновенное отключение поврежденной линии

Практическое исполнение схем дифференциальных защит потребовало внесения ряда конструктивных элементов, обусловленных особенностями работы этих защит на линиях энергосистем.

Во-первых, для отключения протяженных линий с двух сторон оказалось необходимым подключение по дифференциальной схеме двух реле: одно на подстанции 1, другое на подстанции 2 (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема продольной дифференциальной защиты линии: Ф — фильтры токов прямой и обратной последовательностей; ПТТ — промежуточный трансформатор тока; ИТ — изолирующий трансформатор; РДТ — дифференциальное реле с торможением; Р — рабочая и Т — тормозная обмотки реле

Подключение двух реле привело к неравномерному распределению вторичных токов между реле (токи распределялись обратно пропорционально сопротивлениям цепей), появлению тока небаланса и понижению чувствительности защиты.

Заметим также, что этот ток небаланса суммируется в реле с током небаланса, вызванным несовпадением характеристик намагничивания и некоторой разницей в коэффициентах трансформации трансформаторов тока. Для отстройки от токов небаланса в защите были применены не простые дифференциальные реле, а дифференциальные реле с торможением РДТ, обладающие большей чувствительностью.

Во-вторых, соединительные провода при их значительной длине обладают сопротивлением, во много раз превышающим допустимое для трансформаторов тока сопротивление нагрузки. Для понижения нагрузки были применены промежуточные трансформаторы тока ПТТ с коэффициентом трансформации n, с помощью которых был уменьшен в n раз ток, циркулирующий по проводам, и тем самым снижена в n2 раз нагрузка от соединительных проводов (значение нагрузки пропорционально квадрату тока).

Рис. 3. Прохождение тока в обмотках реле при обрыве (а) и замыкании между собой соединительных проводов (б): К1 — точка сквозного КЗ; К2 — точка КЗ в защищаемой зоне

В схеме продольной дифференциальной защиты были предусмотрены также изолирующие трансформаторы ИТ для отделения соединительных проводов от цепей реле и защиты последних от высокого напряжения, наводимого в соединительных проводах во время прохождения по линии тока КЗ.

Распространенные в электрических сетях продольные дифференциальные защиты типа ДЗЛ построены на изложенных выше принципах и содержат элементы, указанные на рис. 2. Наличие соединительных проводов во вторичных цепях ДЗЛ ограничивает область ее применения линиями малой протяженности (10—15 км).

Контроль исправности соединительных проводов.

В эксплуатации возможны повреждения соединительных проводов: обрывы, КЗ между ними, замыкания одного из проводов на землю.

При обрыве соединительного провода (рис. 3, а) ток в рабочей и тормозной обмотках реле становится одинаковым и защита может неправильно сработать при сквозном КЗ и даже при токе нагрузки (в зависимости от значения Iсз).

Замыкание между соединительными проводами (рис. 3,б) шунтирует собой рабочие обмотки реле, и тогда защита может отказать в работе при КЗ в защищаемой зоне.

Для своевременного выявления повреждений исправность соединительных проводов контролируется специальным устройством. Контроль основан на том, что на рабочий переменный ток, циркулирующий в соединительных проводах при их исправном состоянии, накладывается выпрямленный постоянный ток, не оказывающий влияния на работу защиты.

Выпрямленное напряжение подводится к соединительным проводам только на одной из подстанций, где устройство контроля имеет выпрямитель, получающий в свою очередь питание от трансформатора напряжения рабочей системы шин. Подключение устройства контроля к той или другой системе шин осуществляется вспомогательными контактами шинных разъединителей или реле-повторителями шинных разъединителей защищаемой линии.

При обрыве соединительных проводов постоянный ток исчезает и устройство контроля подает сигнал о повреждении, снимая оперативный ток с защиты на обеих подстанциях. При замыкании соединительных проводов между собой — подает сигнал и выводит защиту из действия, но только с одной стороны — со стороны подстанции, где выпрямитель отсутствует. В случае понижения сопротивления изоляции одного из соединительных проводов относительно земли (ниже 15—20 кОм) устройство контроля также подает соответствующий сигнал.

Если соединительные провода исправны, ток контроля, проходящий по ним, не превышает 5—6 мА при напряжении 80 В. Эти значения должны периодически проверяться оперативным персоналом в соответствии с инструкцией по эксплуатации защиты.

Оперативному персоналу следует помнить, что перед допуском к любого рода работам на соединительных проводах необходимо отключать с обеих сторон продольную дифференциальную защиту, устройство контроля соединительных проводов и пуск устройства резервирования при отказе выключателей УРОВ от защиты.

После окончания работ на соединительных проводах следует проверить их исправность. Для этого включается устройство контроля на подстанции, где оно не имеет выпрямителя. При этом должен появиться сигнал неисправности. Затем устройство контроля включают на другой подстанции (на соединительные провода подают выпрямленное напряжение) и проверяют, нет ли сигнала о повреждении. Защиту и цепь пуска УРОВ от защиты вводят в работу при исправных соединительных проводах.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Справочник по наладке вторичных цепей — Принципы выполнения дифференциальных токовых защит

Раздел четвертый
НАЛАДКА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ГЕНЕРАТОРОВ, ТРАНСФОРМАТОРОВ (АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ), ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
И ШИН
4.1. Принципы выполнения дифференциальных токовых защит, объем их проверок и необходимые приборы
Продольные дифференциальные токовые защиты относятся к за щитам с абсолютной селективностью, т. е. к таким защитам, которые реагируют только на КЗ в защищаемом элементе. В связи с этим продольные дифференциальные защиты являются основными защитами и выполняются с действием без выдержек времени. Принцип выполнения дифференциальных защит основан на применении схем с циркулирующими токами (рис. 4.1). Ток в исполнительном органе с учетом условных положительных направлений первичных токов, указанных на рис. 4.1 стрелками, равен геометрической сумме токов, подходящих к нему от трансформаторов тока:
При нормальной работе, качаниях и внешних КЗ (точка К1) первичные токи /гп и hn равны и сдвинуты по фазе на 180°, ток в исполнительном органе равен нулю:

При КЗ в защищаемой зоне (точка К2) токи /щ и hn в общем случай неодинаковы и в сумме равны току в месте КЗ, соответственно ток в исполнительном органе равен
i
При одностороннем питании, когда, например, /2п=0, можно приближенно принять, что вторичный ток /1в полностью протекает через исполнительный орган, так как сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока с hп=0, определяемое сопротивлением ветви намагничивания, очень велико.
Продольная дифференциальная защита генератора обычно выполняется в двух- или трехфазном исполнении с двумя или тремя токовыми реле. Схемы защит приведены на рис. 4.2. Трансформаторы тока в обоих плечах дифференциальной защиты имеют одинаковые коэффициенты трансформации. Двухфазные схемы применяются для генераторов небольшой и средней мощности. Трехфазные схемы применяются для генераторов, работающих в блоке с трансформаторами, а также для мощных генераторов, работающих на шины. Заземление цепей тока защиты выполняется в одном месте, обычно у реле, к которым подводятся провода от обеих групп трансформаторов тока. Этим исключается появление в реле дополнительных /Кб, обусловленных разными потенциалами двух мест заземления при КЗ на землю в пределах станции и ЭДС, наводимыми в петле вспомогательные провода — заземляющий контур.

Рис. 4.1. Однолинейная схема дифференциальной токовой защиты
Дифференциальные защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Особенности выполнения схем токовых цепей определяются главным образом неравенством вторичных токов в плечах защиты по величине из-за различных коэффициентов трансформации трансформаторов тока и по фазе из-за различных схем соединения первичных обмоток со стороны высшего, среднего (в случае трехобмоточных трансформаторов) и низшего напряжения. Несоответствие токов в плечах по фазе устраняется соединением вторичных обмоток трансформаторов тока, а по величине — использованием отдельных или встроенных в реле промежуточных трансформаторов.
При соединении обмоток силового трансформатора по схеме звезда — треугольник вторичные обмотки одной из групп трансформаторов тока также должны быть собраны в треугольник (рис. 4.3). При этом соединение трансформаторов тока в звезду и треугольник должно соответствовать схеме включения обмоток защищаемого трансформатора. Обычно в треугольник соединяются трансформаторы тока со стороны заземленной звезды силового трансформатора для исключения излишнего срабатывания защиты при КЗ на землю в питающей сети. В этом случае токи однофазного КЗ замыкаются по вторичным обмоткам трансформаторов тока, не протекая через реле и не вызывая тем самым его срабатывания. При изолированной нейтрали со стороны звезды возможно соединение трансформаторов тока в треугольник и со стороны треугольника силового трансформатора. Однако в целях однотипности такое соединение не используется. Защитное заземление выполняется, как и для дифференциальной защиты генератора, в одной точке — у места установки реле.
Схема соединения вторичных обмоток трансформаторов тока для трехобмоточных трансформаторов приведена на рис. 4.4.
Дифференциальная защита электродвигателей выполняется аналогично дифференциальной защите генератора в двух- или трехфазном исполнении. Трехфазное исполнение защиты используется для двигателей большой мощности.
Дифференциальная защита шин. Как и для защиты многоообмоточных трансформаторов, комплекты трансформаторов тока устанавливают на всех присоединениях, отходящих от защищаемых шин. При этом коэффициенты трансформации трансформаторов тока всех присоединений должны быть одинаковы вне зависимости от величины рабочих токов присоединений. Если присоединения имеют трансформаторы тока с различными nт, то в схеме защиты используются выносные или встроенные в реле промежуточные трансформаторы.

Рис. 4.2. Принципиальная схема продольной дифференциальной токов защиты генератора:
а — соединение трансформаторов тока с обратной полярностью; б — соединен) трансформаторов тока с прямой полярностью
На рис. 1 Показана принципиальная схема токовых цепей дифференциальной защиты двойной системы шин с фиксированным распределением присоединений. Защита имеет пусковой и избирательные органы, выявляющие поврежденную систему шин. При оперативном нарушении функции принимаются меры, обеспечивающие нормальную работу защит для чего в оперативных цепях предусматривается шунтирование контактов избирательных органов.
При наладке дифференциальных защит рекомендуется использовать приборы и устройства, приведенные в табл. 4.1.
Наладка дифференциальных защит включает в себя проверку вспомогательных аппаратов и основных реле. Первое подробно рассмотрено в разд. 2, поэтому в данном разделе рассматриваются вопросы, касающиеся проверки основных реле и защит в целом. В объем проверки защит входит:
внешний осмотр и проверка механической части отдельных элементов;

Ряс. 4,3. Принципиальная схема продольной дифференциальной токовой защиты трансформатора с соединением обмоток в группу У/Д-11:
а — соединение трансформаторов тока с прямой полярностью; б — соединение трансформаторов тока с обратной полярностью; в — соединение трансформаторов тока в треугольник со стороны треугольника силового трансформатора
Таблица 4.1. Перечень приборов и устройств, рекомендуемых для налаживания измерительной части дифференциальных защит

Мегаомметр 1000 В М4100/4 (Ф4101)

Мегаомметр 500 В М4100/3 (Ф4101)

Испытательное устройство ИУ65

Комплектное устройство У5052

Мост постоянного тока ММВ (РЗЗЗ)

Амперметр Э525 (Э513/4)

Комбинированный прибор Ц4313 (Ц4380, Ц4352, Ц353)

Миллисекундомер Ф738 (Ф209)

Милливольтмикроамперметр М1200 (Ml201, М2020)

Вольтамперметр М2038 (М2018)

Генератор низкой частоты ГЗ-ЗЗ (ГЗ-56)

Какой принцип заложен в дифференциальную токовую защиту

Ток срабатывания реле выбирают с учетом тока небаланса

Ток небаланса рассчитывается по формуле

где ε=10% — полная максимально возможная погрешность транс­форматоров тока при заданной вторичной нагрузке и пре­дельной кратности тока КЗ;

=0,5. 1,0. — коэффициентом однотипности. Учитывает разброс параметров трансформаторов тока.

=2.0 – коэффициент апериодичности. Учитывает влияние апериодической составляю­щей тока КЗ на ток небаланса;

должен быть в пределах =1,5…2.

При использовании обычных реле тока чувствительность дифференциальной защиты часто оказывается недостаточной.

Способы повышения чувствительности дифференциальной защиты.

1. Отстройка от переходных токов небаланса по времени.

Недостаток. Не дает использовать главное преимущество дифференциальной защиты — ее быстродействие.

2. Включение добавочных сопротивлений в цепь тока измерительных реле тока.

Применяется редко. Например, в дифференциальных защитах генераторов малой мощности.

3. Исключение апериодической составляющей из переходного тока небаланса.

Этот способ реализован в реле РНТ с насы­щающимся трансформатором тока (НТТ). При синусоидальном токе насыщающийся трансформатор не ока­зывает существенного влияния на работу реле. Если же в токе имеется апериодическая составляющая, то магнитопровод НТТ сильно насыщается, сопротивление намагничивания резко падает, ток намагничивания увеличивается, а вторичный ток уменьшается. Коэффициент трансформации НТТ автоматически увеличивается. Нормальная работа на­сыщающегося трансформатора восстанавливается после ис­чезновения апериодической составляющей.

Защита загрубляется на время существования переходного тока небаланса. При расчете тока небаланса можно не учитываь влияния апериодической состав­ляющей.

4. Использование в дифференциальной защите реле с торможением.

Токи небаланса могут быть большими не только в переходном, но и в установившемся режиме внешнего КЗ. В этом случае апериодическая составляющая отсутствует и реле РНТ непригодно.

Используется реле тока с магнитным торможением типа ДЗТ.

Реле позволяет автоматически с изменением тока внешнего КЗ I ’к.вн. изменять ток срабатывания реле I с.р. Реле имеет тормозную обмотку. Реле включается так, что обеспечивается пропорциональность между тормозным током и током внешнего КЗ I ’к.вн. Ток срабатывания реле определяется условием

Преимущества продольной дифференциальной защиты.

2. Имеет абсолютную селективность.

1.1 Не требует согласования параметров с другими защитами.

1.2 Не имеет выдержки времени. Обеспечивает быстрое отключение поврежденного участка.

3. Для участков небольшой длины проста и надежна.

При увеличении зоны защиты, увеличивается длина соединительных проводов, снижается надежность из-за отказов вспомогательных проводов. Требуется специальное устройство, контролирующее их исправность. Появляется дополнительный ток небаланса. Часто приходится использовать реле с торможением. Возрастает стоимость защиты.