Назначение: защита электрических объектов от токов аварий, возникающих внутри контролируемой зоны с абсолютной степенью селективности без выдержки времени.
Принцип работы дифференциальной зашиты
Измерительным комплексом работает дифференциальный орган, состоящий из трансформаторов тока и реле, постоянно отслеживающих направление токов на различных участках и срабатывающих при их изменениях.
В номинальном, рабочем режиме ток нагрузки протекает от генераторонго конца к потребителям и по всей линии имеет одно направление. Его отслеживают и учитывают измерительные реле. Если на контролируемом участке возникает короткое замыкание, то токи начинают его подпитывать со всех сторон. На конце линии потребителя ток меняет направление на противоположное.
Это учитывается дифференциальным органом: он срабатывает и запускает логическую схему защит на отключение. Диф защиты работают по двум различным принципам:
Она используется для линий электропередач. Измерительные трансформаторы тока и реле устанавливаются по концам линии на разных подстанциях. Токовые цепи соединяются протяженными кабельными линиями.
У продольной диф защиты измерительное токовое реле подключают так, чтобы вектора токов, приходящие от измерительных трансформаторов, подавались на обмотку встречно. В этом случае при номинальном рабочем режиме или возникновении внешнего КЗ вне контролируемой зоны вектора токов будут взаимно компенсироваться и уничтожаться на обмотке. Поводов для срабатывания не будет.
При возникновении КЗ внутри линии через обмотку токового реле начинают протекать токи. Оно срабатывает.
Более перспективные высокочастотные дифференциальные защиты (ДФЗ, БЧБ и др.) используют этот же принцип, но связь между концами линий для сравнения направлений токов на них осуществляется по каналам связи за счет передачи высокочастотных импульсов.
Ее создают для объектов, расположенных на одной подстанции, например, силовых трансформаторов, блоков двигателей, генераторов и др.
Измерительные трансформаторы тока работают на одной подстанции, но на разных присоединениях защищаемого объекта. Обмотка токового реле также подключается встречно к направлению векторов токов линий. В остальном поперечная дифференциальная защита повторяет принцип работы продольной.
Подробнее различные виды дифференциальных защит рассмотрены тут:
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Поперечная дифференциальная защита
Продольная диф. защита генератора не действует при витковых замыканиях в обмотке статора, так как токи, проходящие со стороны главных и нулевых выводов в этом случае одинаковы.
Защиту от витковых замыканий на генераторах, не имеющих параллельных ветвей в обмотке статора вследствие отсутствия простых способов её исполнения, не предусматривают.
На мощных генераторах, имеющих две и более параллельных ветви в фазах обмотки статора, применяют специальную поперечную дифференциальную защиту, предназначенную для защиты генератора от витковых замыканий в обмотке статора. При этом со стороны нулевых выводов каждая параллельная ветвь должна иметь изолированный вывод.
Принцип действия поперечной диф. защиты основан на сравнении геометрической суммы токов в параллельных ветвях фаз обмотки статора генератора.
Такое сравнение можно осуществлять с помощью трёхсистемной или односистемной схемы поперечной защиты. Обычно применяется односистемная схема, которая выполняется при помощи одного трансформатора тока устанавливаемого в цепь между двумя нулевыми точками соединённых в звезду параллельных ветвей обмотки статора и одного реле сравнивающего сумму токов параллельных ветвей всех трёх фаз обмотки статора генератора.
Упрощённая схема односистемной поперечной дифференциальной защиты генератора представлена на рис. 7-5.
В нормальном режиме и при внешнем к.з. геометрическая сумма токов каждой группы параллельных ветвей фаз, соединённых в звезду, равна нулю и в реле защиты попадает только ток небаланса.
Принцип действия
Основной функцией дифференциальной защиты является предотвращение межфазных и коротких замыканий в электрической аппаратуре и системах с глухозаземленной нейтралью. Она считается разновидностью релейной защиты и работает путем сравнения токовых величин и направлений тока по сторонам объекта.
В основе работы дифференциальной защиты лежит сравнение фазных токов, которые протекают через защищаемый участок сети или проходят через защищаемую аппаратуру. Сила тока измеряется на концах участков с помощью двух трансформаторов тока, соединенных вторичными цепями с токовым реле. В результате, на обмотку реле поступает разница токов каждого из трансформаторов. Таким образом, дифференциальная защита — это система срабатывания, основанная на разнице токов.
В обычном режиме работы происходит вычитание одного значения тока из другого. Идеальным результатом считается нулевое значение тока в обмотке токового реле. Если же на защищаемом участке возникает короткое замыкание, на обмотку реле поступает не разница, а сумма токов. Под их воздействием контакты реле замыкаются, отдавая команду отключить поврежденный участок.
В реальных условиях эксплуатации ток, протекающий через обмотку реле, всегда будет отличаться от нуля. Он известен как ток небаланса, а его наличие зависит от ряда факторов.
- Во-первых, оба трансформатора не идентичны и различаются между собой техническими характеристиками. Для уменьшения влияния данного фактора, изготовление трансформаторов тока, участвующих в системе дифференциальной защиты, происходит попарно, с подгонкой между собой еще на стадии изготовления. В качестве дополнительной меры у измерительного трансформатора изменяется количество витков, подгоняемое под коэффициент трансформации защищаемого устройства.
- Другой причиной появления тока небаланса может стать возникновение намагничивающего тока в обмотках защищаемого трансформатора. При нормальном рабочем режиме значение этого тока может составлять 5% от номинала. Ток намагничивания в некоторых случаях в несколько раз превышает номинальное значение, особенно во время переключения трансформатора с холостого хода на нагрузку и при других переходных процессах. С учетом этого фактора, ток срабатывания в реле устанавливается выше максимального значения тока намагничивания.
- Ток небаланса иногда появляется из-за неодинакового соединения обмоток, установленных на первичной и вторичной сторонах защищаемого трансформаторного устройства. В таких случаях вектор тока вторичной цепи смещается по отношению к току первичной цепи на 30 градусов. Отрегулировать и компенсировать эту разницу путем подбора витков на трансформаторе, практически невозможно. Данная проблема решается соединением обмоток: на стороне треугольника – звездой, а на стороне звезды – треугольником.
8.1. Назначение и виды дифференциальных защит
На линиях отходящих от шин электростанций или узловых подстанций, часто по условиям устойчивости требуется обеспечить отключение КЗ в пределах всей защищаемой линии без выдержки времени. Это требование нельзя выполнить с помощью мгновенных токовых отсечек, защищающих только часть линии. Кроме того, отсечки неприменимы по условию селективности, на коротких ЛЭП, где токи КЗ в начале и в конце линии примерно одинаковы. В этих случаях используются дифференциальные защиты (ДЗ), обеспечивающие мгновенное отключение КЗ в любой точке защищаемого участка и не действующие при КЗ за пределами зоны действия.
Дифференциальные защиты подразделяются на:
продольные – для защит как одинарных, так и параллельных линий;
поперечные – для защиты только параллельных линий.
Защита генераторов и блоков
В соответствии с ПУЭ на современных турбогенераторах устанавливаются следующие защиты:
Продольная дифференциальная защита.
Защита является основной быстродействующей защитой, действует, без выдержки времени при междуфазных повреждениях в генераторе и на выводах в зоне между трансформаторами тока дифзащиты. При условии достаточной чувствительности защита может реагировать также на двойные замыкания на землю, когда одна точка замыкания на землю находится в зоне действия дифзащиты генератора.
Поперечная дифференциальная защита.
Устанавливаются на турбогенераторах, имеющих выведенные параллельные ветви обмотки статора каждой фазы.
Защита действует без выдержки времени при витковых замыканиях в обмотке статора.
Защита от замыканий на землю в обмотке статора.
Для защиты генераторов, работающих на сборные шины напряжением выше 1 кВ, от однофазных замыканий в обмотке статора предусматривается токовая защита, реагирующая на полный ток замыкания на землю или на его составляющие высших гармоник. Защита отстроена от переходных процессов и действует:
– при емкостном токе замыкания на землю 5 А и более – на отключение всех выключателей генератора и гашение его поля;
– при емкостном токе замыкания на землю менее 5 А – на сигнал.
На генераторах, работающих в блоке с трансформатором (автотрансформатором),мощностью более 30 МВт предусматривается защита от замыканий на землю в цепи генераторного напряжения, охватывающая, как правило, всю обмотку статора.В зону действия защиты входит также обмотка низкого напряжения блочного трансформатора и ошиновка генераторного напряжения.
При мощности генератора блоков 30 МВт и менее применяется защита, охватывающая не менее 85% обмотки статора со стороны линейных выводов генератора.
Защита действует с выдержкой времени не более 0,5 сек на отключение блока.
Токовая защита обратной последовательности.
Она является обязательной для современных турбогенераторов для защиты от протекания токов обратной последовательности.Время действия защиты определяется тепловой характеристикой генератора. Защита, как правило, выполняется с выдержкой времени,зависимой от величины тока обратной последовательности (чем больше ток
обратной последовательности, тем быстрее должен быть отключен
генератор). В отдельных случаях защита выполняется ступенчатого
действия по току и по времени.
Защита от внешних симметричных к.з..Эта защита выполняется на реле сопротивления. В старых схемах защита выполняется в виде одного токового реле с пуском напряжения. Защита действует на отключение с выдержкой времени.
Защита от несимметричных токов перегрузки генератора. Используется чувствительная ступень защиты обратной последовательности и действует с выдержкой времени на сигнал.
Защита от симметричных токов перегрузки генератора выполняется отдельным токовым реле и действует с выдержкой времени на сигнал.
Защита от повышения напряжения предназначена для недопущения повышения напряжения более 1,2 Uном. на выводах статора генератора, работающего на холостом ходу.
Повышение напряжения может происходить из-за неисправности системы возбуждения. Защита вводится в действие автоматически после перевода генератора на холостой ход и выводится после включения генератора под нагрузку. Защита действует на гашение поля генератора.
Защита от асинхронного режима (потери возбуждения).
Асинхронный режим возникает, когда генератор остается без возбуждения. Защита выполняется на реле сопротивления и реагирует на изменение направления реактивной мощности, когда при потере возбуждения генератор начинает потреблять реактивную мощность и продолжает нести активную нагрузку.
Защита обмотки ротора от замыкания на землю.
Замыкание в одной точке ротора генератора не является опасным режимом. Однако при появлении второго замыкания обмотки ротора на землю повышается ток обмотки ротора, что приводит к ее перегреву. Кроме того, появление двойного замыкания на землю приводит к нарушению симметрии магнитного потока и к сильной вибрации. Поэтому на турбогенераторах с непосредственным охлаждением обмотки ротора, как правило, установлена защита от замыкания обмотки ротора в одной точке типа КЗР-3 с действием на сигнал. По поступлению сигнала такие турбогенераторы должны быть разгружены и отключены.
Для турбогенераторов с косвенным охлаждением обмотки ротора допускается длительная работа с замыканием в одной точке, но с вводом защиты от замыканий на землю в двух точках на сигнал.
Защита ротора от перегрузки током.
Перегрузка ротора током возбуждения возникает при работе регулятора или устройства форсировки возбуждения. Длительное протекание увеличенных токов возбуждения может привести к перегреву обмотки ротора. Наиболее современной является защита с интегральной характеристикой типа РЗР-1 (выдержка времени зависит от величины тока ротора). Защита состоит из сигнального органа и органа, действующего на развозбуждение и отключение генератора.
На большинстве ранее введенных в эксплуатацию генераторов защита ротора от перегрузки выполнена по принципу косвенного контроля перегрузки, фиксируя повышение напряжения на потенциометре, включенном на обмотку ротора. Защита также действует на развозбуждение (расфорсировку) и откл.блока.
На блоках генератор – трансформатор (автотрансформатор) дополнительно к перечисленным защитам на генераторе устанавливаются:
Дифзащита блока,действующая без выдержки времени на отключение блока;
Газовая защита трансформатора и вольтодобавочного трансформатора с РПН от внутренних повреждений. Защита действует на сигнал и отключение блока.
Токовая защита нулевой последовательности от коротких замыканий на землю в сети с заземленной нейтралью. Защита дейс-
твует с первой выдержкой времени на отключение выключателя с высокой стороны блока и со второй выдержкой времени – на отключение блока.
На блоках генератор-трансформатор (автотрансформатор) при наличии выключателя между генератором и трансформатором вместо дифзащиты блока выполнена дифзащита трансформатора (автотрансформатора), действующая без выдержки времени на отключение блока. В этом случае действие защит генератора переводится на отключение генератора с целью сохранения ответвления на собственные нужды.
На некоторых блоках генератор-трансформатор установлена резервная дифзащита блока. Защита резервирует дифзащиту генератора, дифзащиту трансформатора и дифзащиту ошиновки высшего напряжения. Защита действует с выдержкой времени 0,5 сек на отключение блока.
Области применения
С помощью высокоскоростных устройств дифференциальной защиты того или иного типа удаётся обезопасить работу большинства образцов электротехнического оборудования. К ним могут быть отнесены электродвигатели, ЛЭП, трансформаторы и генераторы распределительных подстанций и прочее.
Дуговая защита
Продольная дифференциальная токовая защита традиционно применяется в цепях предупреждения замыканий следующего оборудования:
- Промышленные трансформаторные изделия;
- Отдельные образцы трансформаторов электрических подстанций с рабочей мощностью свыше 6,3 кВА;
- Параллельно включённые индуктивные устройства мощностью свыше 1000 кВА.
Основная область применения поперечных систем – высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП), рассчитанные на напряжения 35-220 кВ. Помимо этого, дифференциальная защита может применяться на параллельно включаемых линиях электропередач с подводами от двух различных подстанций.
Однако использование такой защиты ограничено следующими факторами:
- Сложность быстрого определения места КЗ;
- Невозможность применения дзл в ЛЭП с автоматами;
- Необходимость в выключении одной из линий, работающей на общую нагрузку.
Дополнительная информация. При двухстороннем питании высоковольтной трассы дифференциальная защита располагается с обоих её концов, а в случае одностороннего включения – только на источнике электроэнергии.
Дифференциальные автоматы
К тому же типу защитных устройств относятся бытовые дифференциальные автоматы, которые совмещают в себе функции автоматического выключателя и УЗО. Обычно эти устройства оформляются в одном общем корпусе с совмещёнными рабочими характеристиками (смотрите фото ниже по тексту).
Дифференциальный автомат
По принципу действия все защитные устройства этого класса делятся на электронные и электромеханические, а по своей конструкции они могут быть встроенными в автомат или изготавливаемыми отдельно. Непросвещённому в тонкости электротехники человеку важно научиться различать обычное УЗО от дифференциального автомата, поскольку это, в конечном счёте, может сказаться на его безопасности.
Дело в том, что при включении в питающую цепь электронного УЗО должно выполняться одно обязательное требование, состоящее в необходимости постоянно держать эту линию под напряжением. В том случае, если полноценное питание в ней по какой-либо причине отсутствует, при появлении тока утечки система защиты не сработает.
Обратите внимание! Указанная ситуация нередко возникает в случае обрыва внутренней цепи питания выключателя или повреждения нуля за пределами объекта.
В УЗО электромеханического типа защитное срабатывание устройства гарантировано в любой ситуации.
В заключительной части обзора систем дифференциальной защиты необходимо отметить, что её применение способствует повышению безопасности и надёжности работы электрооборудования и ЛЭП. Широкое внедрение в системы электроснабжения современных электронных технологий позволяет учесть особенности функционирования подавляющего большинства известных электротехнических устройств. Это способствует увеличению скорости срабатывания защиты, а также существенно повышает эффективность её действия.
Типовые продольные ДЗЛ[править]
На электромеханической базе с проводным каналом связи: ДЗЛ-1, ДЗЛ-2. На микропроцессорной базе с оптическим каналом связи: — отечественного производства ШЭ2607 09х, ШЭ2710 591 (НПП ЭКРА), Ш2600 05.52х, Ш2700 05.62Х (Релематика); — зарубежного производства UR L90 (General Electric), P541-546 (Alstom), RED 670 (ABB), 7SD522 (Siemens).
Поперечная дифференциальная защиты линий
(поперечная ДЗЛ) подключается на разность токов параллельных линий. При внешнем КЗ по параллельным ЛЭП протекают одинаковые по величине и направлению токи, в связи с чем дифференциальный ток в защите равен нулю. При КЗ на одной из линий дифференциальный ток приобретает значительную величину, достаточную для срабатывания защиты. Для определения отключаемой цепи в защите используется орган направления мощности. Поперечная дифференциальная защиты линий применяется для защиты параллельных линий с одинаковыми или незначительно различающимися параметрами. Защита получила не очень широкое распространение, вновь, как правило, не устанавливается.
Материалы
.
Федосеев А.М., Федосеев М.А. Релейная защита электроэнергетических систем. Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп.. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 528 с.: ил.
Виды дифзащиты
Рассматриваемая здесь дифференциальная токовая защита может исполняться в двух видах: как продольно действующая, с одной стороны, и работающая по схеме «поперечного» включения, с другой. В первом случае защищаемая обмотка трехфазного трансформатора или двигателя включается в разрыв между двумя сравнивающими дифференциальными катушками устройства защиты дзт (смотрите рисунок ниже по тексту).
Схема продольной защиты
Максимальная токовая защита
Из этого рисунка видно, что катушки трёх исполнительных реле располагаются между началом и концом обмоток каждой из фаз электропитания.
В отличие от продольной системы, поперечная защита предполагает параллельное включение тех же катушек и основана на учёте разности протекающих в них токов.
Необходимое пояснение. Этот пример подходит лишь для случая, когда рассматривается дифференциальная защита трансформатора, трехфазного двигателя или генератора.
Для всех других типов потребителей и нагрузок схема её включения будет немного отличаться от исходной.
Вторичная катушка исполнительного реле размещается в этой схеме в разрыве нейтральных проводов обмоток статора, то есть так, как это изображено на приводимом ниже рисунке.
Схема поперечной защиты
Продольная дифференциальная защита имеет следующие неоспоримые преимущества:
- Неплохой показатель селективности;
- Может применяться с другими видами защиты;
- Система безотказна в работе и имеет высокое быстродействие.
К её недостаткам относится снижение эффективности действия при большой протяженности контролируемых линий.
Защита бытовых сетей (УЗО)
Защита от перенапряжения в частном доме
Работа устройств с дифзащитой, устанавливаемых на вводах в административные и жилые здания, ничем существенно не отличается от уже рассмотренного ранее принципа действия для трансформаторов и двигателей. В них также имеется чувствительный элемент, реагирующий на дисбаланс втекающего и вытекающего тока и реагирующий при его появлении отключением потребителя от питающей линии.
Устройства этого класса, используемые в обозначенных выше целях, получили название УЗО (смотрите рисунок ниже).
Защита линии с УЗО
Причиной возникновения дисбаланса токов в бытовых условиях могут быть следующие факторы:
- Прикосновение человека или животного к оголенным токовым носителям (проводам) или к оказавшемуся под опасным потенциалом корпусу оборудования;
- Разрушение изоляции электропроводки с угрозой КЗ;
- Повышенная влажность в обслуживаемом помещении (в ванной, например);
- Повреждение кабелей бытовых электроприборов с образованием утечки на землю.
Обратите внимание! В тех случаях, когда система узо срабатывает без наличия нарушений в работе потребителя (без нагрузки токами утечки), следует считать, что этот прибор неисправен и подлежит ремонту.
Особенностью функционирования систем УЗО является реагирование на микроскопические токи утечки (мкА), фиксируемые при появлении малейшей «подозрительной» пассивной или емкостной связи с землёй. При этом такая система срабатывает практически мгновенно, обеспечивая стопроцентную защиту человека от поражения электричеством.
В электротехнике принимается за правило, что обеспечить эффективную дифференциальную защиту с помощью УЗО удаётся лишь при использовании трехуровневой схемы. Это означает, что в защищаемую линию последовательно включается несколько устройств, рассчитанных на три уровня значений токов утечки: 100-300, 30 и 10 мА, соответственно.
Важно! Такая токовая защита, работающая по дифференциальному принципу, может быть эффективной даже на объектах, где в составе проводки шина заземления отсутствует.
Ещё одной особенностью этого устройства является необходимость периодически (не реже раза в месяц) проверять его работоспособность, для чего на нём имеется специальная кнопка под названиями «Тест» или «Проверка». В проверочную схему, помимо контрольной кнопки, входит ограничительный резистор, через который во время тестирования пропускается определённый ток, соответствующий аварийной ситуации.
