Дифференциальная токовая защита

Дифференциальная токовая защита
Дифференциальная защита является одной из наиболее распространенных быстродействующих защит от междуфазных коротких замыканий, а в системах с глухозаземленной нейтралью — и от однофазных коротких замыканий. Дифференциальные защиты широко применяют для защиты линий электропередачи, синхронных генераторов, силовых трансформаторов, а также синхронных и асинхронных электродвигателей большой мощности.
Возможны два принципа выполнения дифференциальных защит: 1) циркулирующими токами и 2) с уравновешенными напряжениями. Защиты с циркулирующими токами в настоящее время имеют преимущественное применение. Их мы и рассмотрим.
Дифференциальной защитой с циркулирующими токами называют защиту, работа которой основана на принципе сравнения токов, например, в начале и конце защищаемого элемента. Дифференциальный принцип применяют для продольных, а также для поперечных защит. Продольные дифференциальные защиты применяют для одиночных линий электропередачи, для синхронных генераторов, силовых трансформаторов, а также для электродвигателей, а поперечные дифференциальные защиты—для параллельно работающих линий электропередачи.
Для осуществления дифференциальной продольной защиты линии на обоих ее концах устанавливают однотипные трансформаторы тока, вторичные обмотки которых с помощью вспомогательных проводов соединяют между собой последовательно; к вспомогательным проводам параллельно присоединяют токовое реле.
При нормальном режиме работы, а также при внешнем коротком замыкании, например в точке К-1, токи в первичных обмотках трансформаторов тока равны по величине и совпадают по фазе. Через обмотку реле протекает разность вторичных токов, т. е. Ip = I1 – I2.
Если предположить, что характеристики токовых зависимостей трансформаторов тока полностью совпадают, то указанная разность токов равна нулю, т. е. Ip = 0, защита не действует. Во вспомогательных проводах защиты при этом циркулирует ток, равный по величине вторичному току трансформаторов тока. По этой причине данную схему и называют схемой с циркулирующими токами. Защищаемой зоной является участок, заключенный между трансформаторами тока. В случае короткого замыкания в защищаемой зоне и при одностороннем питании через обмотку реле проходит ток I1 от трансформатора тока, установленного со стороны питания (во вторичную обмотку трансформатора тока, установленного с другой стороны линии, при этом ток почти совершенно не проходит вследствие большого сопротивления его вторичной обмотки). Если Ip = I1 будет равен или больше Ip, то защита сработает и отключит выключатели В-1 и В-2.
При коротком замыкании в защищаемой зоне и двустороннем питании через реле проходит ток (принимаем ток короткого замыкания чисто индуктивным) Ip = I1 + I2, защита срабатывает и отключает В-1 и В-2.
Выше при рассмотрении короткого замыкания в точке К-1 мы предполагали, что характеристики трансформаторов тока полностью совпадают, и поэтому принимали Ip = 0. В действительности же благодаря некоторому различию в выполнении магнитных систем первичного тока, трансформаторов тока характеристики
токовых зависимостей двух даже однотипных трансформаторов тока никогда точно не совпадают. Различие указанных характеристик трансформаторов
тока обусловливает и различие в величинах их вторичных токов при одном и том же значении первичного тока.
Вследствие этого при нормальном режиме работы, а также при внешнем коротком замыкании (точка К-1) через реле дифференциальной защиты протекает некоторый тон Інб, называемый током небаланса. Значение последнего при прочих равных условиях зависит от величины первичного тока. При нормальной нагрузке Інб ток небаланса сравнительно невелик (Інб.н) при внешнем коротком замыкании ток небаланса увеличивается, достигая, например, при первичном токе Ік-1 значения Інб.к-1.
Значение тока небаланса зависит также от момента времени после короткого замыкания. Наибольшего значения Інб.макс. ток небаланса достигает в первые периоды внешнего короткого замыкания, когда через первичные обмотки трансформаторов тока проходит полный ток короткого замыкания. Отметим, что первое время ток короткого замыкания состоит из двух токов переменного и постоянного, называемых периодической и апериодической слагающими. Наличие в первые периоды в токе короткого замыкания апериодической слагающей вызывает насыщение магнитных систем трансформаторов тока и как следствие резкое увеличение тока небаланса. По мере затухания тока короткого замыкания уменьшается и ток небаланса.
Дифференциальные защиты выполняют быстродействующими. При внешних коротких замыканиях они не должны работать. В связи с этим ток срабатывания их реле выбирают с учетом максимального возможного тока небаланса при внешнем коротком замыкании Іс.р.> Інб.макс. максимальный ток небаланса при внешнем коротком замыкании.
Так как значения Інб.макс. в первые периоды внешнего короткого замыкания велико, то чувствительность защиты с током срабатывания, выбранным согласно условию, получается обычно сравнительно малой. В целях повышения чувствительности защиты проводят целый ряд мероприятий, одним из которых является применение трансформаторов тока, магнитопроводы которых не насыщаются при протекании через их первичную обмотку тока любого значения в пределах до максимального возможного тока короткого замыкания данного участка. Из сравнения характеристик 1 и 2 трансформаторов следует, что при том же значении первичного тока Ік-1 ток небаланса І' нб.к-1 Другим весьма эффективным мероприятием является применение дополнительных трансформаторов тока специальной конструкции, являющихся и называемых быстронасыщающимися (сокращенно БНТ). Первичные обмотки БНТ подключают к соединительным проводам вторичных обмоток трансформаторов тока защищаемого элемента; к вторичным обмоткам БНТ присоединяют токовое реле. Сущность работы защиты с БНТ заключается в следующем. При внешнем коротком замыкании через первичные обмотки трансформаторов тока защиты протекает ток, состоящий, как указывалось выше, из периодической и апериодической слагающих. Ток небаланса, проходящий при этом через первичную обмотку БНТ, также содержит периодическую и апериодическую слагающие. Апериодическая слагающая тока вызывает быстрое и сильное насыщение сердечника БНТ, что препятствует трансформации во вторичную его обмотку как апериодической, так и периодической слагающих тока небаланса. По мере затухания апериодической слагающей насыщение сердечника БНТ уменьшается и периодическая слагающая тока небаланса начинает трансформироваться во вторичную обмотку БНТ. Однако максимальное значение тока небаланса, протекающего при этом через вторичную обмотку БНТ и обмотку реле, получается значительно меньше, чем при отсутствии БНТ. Последнее позволяет принимать ток срабатывания защиты меньше Інб.макс. и повышать тем самым чувствительность защиты.
При коротком замыкании в защищаемой зоне через первичную обмотку БНТ протекает уже не ток небаланса, а периодическая и апериодическая слагающие трансформированного тока короткого замыкания. Значение периодической слагающей при этом велико.
В первые периоды благодаря сильному насыщению сердечника БНТ, вызванному апериодической слагающей тока, периодическая слагающая тока трансформируется плохо. Однако после затухания апериодической слагающей тока периодическая слагающая полностью трансформируется во вторичную обмотку БНТ, и поскольку ее значение велико, то реле надежно срабатывает и отключает выключатели поврежденной цепи. Плохая трансформация периодической слагающей в первые периоды (до затухания апериодической слагающей) приводит не к отказу в срабатывании защиты, а только к некоторому замедлению ее действия (на 1—1,5 периода), что практического значения в большинстве случаев не имеет.
Дифференциальная защита, следовательно, не действует при повреждении вне защищаемой зоны и потому не требует введения выдержки времени по селективности с другими защитами сети. Время действия дифференциальной защиты составляет не более 0,05—0,1 сек. Такое быстродействие является большим достоинством дифференциальной защиты. Вторым ее достоинством является достаточно высокая чувствительность, особенно в случае применения БНТ. Кроме того, защита проста по выполнению и достаточно надежна в работе.
К недостаткам дифференциальной токовой защиты следует отнести то, что она не защищает цепь при внешних коротких замыканиях и от перегрузок, а также возможность ложного срабатывания защиты при повреждениях или обрыве вспомогательных соединительных проводов вторичной цепи. Благодаря своим преимуществам дифференциальная защита с циркулирующими токами нашла широкое применение в электрических системах. Схемы дифференциальной продольной защиты, находят применение для защиты линий сравнительно небольшой длины, исчисляемой десятками или сотнями метров. Например, такие схемы находят применение для защиты кабельных линий, питающих распределительные устройства собственных нужд электростанций.
Для линий большой длины, например в несколько километров, выполнить защиту по схеме затруднительно вследствие слишком большого сечения вспомогательных проводов, которые при этом пришлось бы проложить для соединения между собой вторичных обмоток трансформаторов тока. Если же для этой цели использовать провода с нормально применяемыми сечениями (2, 5, 4, 6 мм2), то нагрузка трансформаторов тока, а следовательно, и токи небаланса при внешних повреждениях получатся очень большими, а чувствительность защиты — очень низкой.
В связи с этим для линий большой длины применяют схемы защиты с реле специальной конструкции, обеспечивающими достаточно высокую чувствительность защиты и при соединительных проводах нормальных сечений.
Работа дифференциальной поперечной токовой защиты основана на сравнении токов двух линий по величине и фазе. Защита является быстродействующей. Дифференциальную поперечную защиту обычно применяют для защиты от междуфазных повреждений кабельных линий напряжением 3—35 кв, работающих по две параллельно и подключенных под один выключатель. Защиту выполняют двухфазной, так как сети указанного напряжения работают с незаземленной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку.
При нормальном режиме работы, а также при внешнем коротком замыкании по обеим параллельно работающим линиям протекают равные по величине токи. Через реле защиты протекает ток небаланса.
Так как трансформаторы тока линий установлены в одном распределительном устройстве недалеко друг от друга, то длина вспомогательных соединительных проводов, как правило, невелика, а нагрузка на трансформаторы тока, даже при небольшом сечении проводов, и ток небаланса сравнительно малы. Защита может быть выполнена достаточно большой чувствительности. При отключении одной из линий защита превращается в максимальную токовую без выдержки времени и становится неселективной. Во избежание ложного действия защиты цепь ее оперативного тока автоматически разрывает блок-контактами разъединителей линий.
При коротких замыканиях вблизи шин противоположной подстанции разность токов, протекающих на линиях, может быть мала, а ток, протекающий через реле, может быть меньше его тока срабатывания; защита работать не будет. Расстояние при коротком замыкании, в пределах которого это происходит, называют мертвой зоной защиты.
Дифференциальные поперечные направленные защиты широко применяют для защиты параллельно работающих линий с выключателями на обоих концах. Такие линии защитить с помощью простейших токовых защит не представляется возможным, так как они не могут обеспечить селективности отключения линий. Селективности отключения последних можно добиться, например, с помощью направленных токовых защит с селективно подобранными выдержками времени. Однако при дифференциальных поперечных направленных защитах для селективного отключения линий не требуется выдержки времени; дифференциальные защиты выполняются быстродействующими и поэтому имеют большее применение.
Дифференциальная поперечная направленная защита имеет два основных органа: пусковой и направления мощности. В качестве пускового органа используют быстродействующие реле максимального тока, а в качестве органа направления мощности—реле направления мощности двустороннего действия или два реле одностороннего действия, срабатывающие при разном направлении мощности.
На каждой линии устанавливают однотипные трансформаторы тока, вторичные обмотки которых соединяют по схеме с циркулирующими токами. Токовые обмотки пускового органа и органа (или органов) направления мощности соединяют между собой последовательно и подключают параллельно к соединительным проводам трансформаторов тока. Напряжение к реле направления мощности подводят от трансформаторов напряжения, присоединенных к сборным шинам установки, на которой смонтирован данный комплект защиты. Исходя из схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока и реле, эту схему защиты довольно часто называют направленной восьмеркой.
Защиту выполняют в двух комплектах, включаемых по одному с каждого конца защищаемых линий.
Принципиальная однолинейная схема защиты с однофазными реле напряжения мощности одностороннего действия. К реле подведено напряжение, по фазе обратное напряжению, подведенному к реле, что необходимо для селективного отключения только одной поврежденной линии. При нормальном режиме работы, а также при внешнем коротком замыкании через реле обеих защит протекает только ток небаланса. Во избежание ложного действия защит в этом случае необходимо, чтобы ток срабатывания их пусковых реле был больше Інб.макс. согласно.
При коротком замыкании в защищаемой зоне, например на линии Л-2 в точке К-1, через токовые обмотки реле защит проходят токи Ір. При этом срабатывают пусковое реле и реле направления мощности и со стороны подстанции П-1 отключается выключатель В-2 поврежденной линии Л-2; со стороны подстанции П-2 отключается выключатель В-4. Реле направления мощности благодаря указанному выше способу подведения напряжения имеет отрицательный момент вращения; его контакты удерживаются разомкнутыми.
При коротком замыкании в защищаемой зоне линии Л-1 направление тока в токовых обмотках реле изменяется (по сравнению с направлением тока при коротком замыкании на линии Л-2), благодаря чему срабатывает реле направления мощности и отключается выключатель В-1; со стороны подстанции П-2 отключается выключатель В-3. Реле направления мощности 3 удерживает контакты разомкнутыми.
Дифференциальная направленная защита правильно действует только при параллельной работе двух линий. В случае отключения одной из них дифференциальный принцип нарушается и дальнейшее оставление защиты в работе может привести к неселективному отключению второй линии при внешних коротких замыканиях, так как дифференциальная направленная защита превращается в обычную направленную токовую защиту без выдержки времени. Во избежание этого дифференциальные поперечные направленные защиты при отключении одной из линий автоматически выводят из работы путем разрыва оперативной цепи блок-контактами приводов выключателей.
Ток срабатывания пусковых токовых реле должен быть больше Інб.макс при внешнем коротком замыкании, и в то же время во избежание ложного срабатывания защиты в режиме, когда одна из линий отключена, а по оставшейся в работе линии проходит максимальный нагрузочный ток Ін.макс он должен быть больше Ін.макс Последний в большинстве случаев больше Інб.макс поэтому ток срабатывания пусковых реле обычно принимает в соответствии с (21-2).
На линиях, оборудованных дифференциальной поперечной направленной защитой, приходится предусматривать еще дополнительные защиты, которые при отключении одной из линий служат для защиты оставшейся в работе линии, а при параллельной работе линий используются в качестве защит от сверхтоков перегрузки и внешних коротких замыканий, на которые дифференциальная защита не реагирует. Дополнительные защиты являются также резервными к дифференциальной на случай отказа в работе последней.
В качестве дополнительных защит широко применяют максимальные токовые защиты (направленные и ненаправленные), токовые отсечки и т. д. Дифференциальную поперечную направленную защиту благодаря ее простоте выполнения и надежности действия широко применяют в сетях почти всех высоких напряжений и особенно широко в сетях напряжением 35 кв и выше.