Принципы дифференциальной защиты
Дифференциальная защита - очень полезный метод защиты, который может применяться для защиты любого сетевого компонента, такого как трансформаторы, машины, сборные шины, линии и фидеры.
Дифференциальная защита трансформаторов, машин, шин, линий и фидеров (фото кредит: proenergo.net)
Дифференциальное реле сравнивает входящие фазные токи объекта с исходящими фазными токами одного и того же объекта. Если эти токи отличаются друг от друга по амплитуде или фазовому углу, или оба значения, превышающие значения уставок реле, реле срабатывает.
Принцип измерения гарантирует, что реле работает исключительно на неисправностях внутри области защиты, что означает, что защита абсолютно избирательна.
Поэтому время работы защиты очень короткое, обычно короче одного цикла. Площадь защиты определяется как площадь между точками измерения тока.
Еще одно преимущество, связанное с принципом измерения, - высокая чувствительность. Защита может реагировать на ток повреждения всего в несколько процентов от номинального тока. Получаемая чувствительность зависит от используемого типа реле, характеристик трансформаторов тока и защищенного объекта.
В соответствии с их принципами работы дифференциальную защиту можно разделить на следующие дифференциальные схемы:
- Низкоимпедансные и
- Высокоимпедансный
Низкоимпедансный дифференциальный принцип
Дифференциальная схема с низким импедансом измеряет токи по обе стороны защищаемого объекта и формирует из них дифференциальный ток I d. Рисунок 1. На практике небольшой дифференциальный ток, вызванный главным образом ошибками измерения трансформаторов тока и реле, можно заметить, несмотря на то, что в области защиты нет неисправности.
В приложениях защиты трансформаторов так называемый кажущийся дифференциальный ток, подобный этому, дополнительно вызван током без нагрузки трансформатора, положением переключателя ответвлений и мгновенно пусковым током трансформатора, который полностью появляется как дифференциальный ток.
Величина дифференциального тока, вызванная ошибками измерения и положением переключателя ответвлений, прямо пропорциональна току нагрузки трансформатора. Особенно критическая ситуация с кажущейся дифференциальной токовой точки зрения возникает при ошибках, находящихся за пределами зоны защиты.
Ток перегрева является высоким и может содержать компонент постоянного тока, который может вызвать насыщение трансформаторов тока, что приводит к мгновенному увеличению дифференциального тока. Чтобы избежать ложной работы дифференциального реле, реле должно быть стабилизировано, что означает, что чем выше ток сквозного тока, тем выше дифференциальный ток для отключения.
Стабилизирующий ток I b формируется из фазных токов, измеренных с обеих сторон защищаемого объекта.
Эксплуатационная характеристика стабилизированного дифференциального реле
Пример рабочей характеристики стабилизированного дифференциального реле показан на рисунке 1. Форма характеристики определяется базовой установкой, стартовым отношением и второй точкой поворота, Рисунок 1.
Для стабилизации значений тока, превышающих вторую точку поворота, коэффициент запуска фиксируется.
Рисунок 1 - Эксплуатационная характеристика дифференциального токового реле с низким импедансом
Как следует из названия, базовая настройка определяет базовую чувствительность реле в условиях отсутствия нагрузки защищаемого объекта.
Базовая установка должна быть выше, чем, например, ток возбуждения трансформатора или ток зарядки линии при максимальном рабочем напряжении, чтобы избежать ложной работы реле. Базовая установка также влияет на уровень всей характеристической кривой и, следовательно, также на рабочую чувствительность при более высоких уровнях стабилизирующего тока.
Стартовый коэффициент предназначен для источников кажущегося дифференциального тока, которые прямо пропорциональны сквозному току. В основном это стартовый коэффициент вместе со вторым поворотным пунктом, который определяет рабочую чувствительность реле для внутреннего трансформатора или неисправности машины при загрузке этих объектов.
Обмотки и короткозамкнутые цепи и замыкания на землю в обмотках или в других местах защищенной зоны являются типами отказов, которые требуют чувствительной и быстрой работы защиты.
Второй поворотный момент также влияет на стабильность защиты при неисправностях вне зоны защиты.
В этой ситуации реле не должно работать некорректно и отключать автоматический выключатель под воздействием кажущегося дифференциального тока. Чем ниже настройка второй точки поворота, тем лучше будет достигнутая стабильность. С другой стороны, чувствительность реле для внутренних неисправностей может быть уменьшена в одно и то же время, особенно в приложениях защиты трансформатора. Принимая во внимание предельные коэффициенты точности ТТ, уровни тока повреждения и их направления подачи и требования к чувствительности защищаемого объекта, обычно легко устанавливается установка второй точки поворота.
При стабилизирующих токах выше второй точки поворота высокий стартовый коэффициент обеспечивает стабильность при ошибках, возникающих вне зоны защиты.
Проблемы стабильности
Проблемы стабильности могут быть вызваны переключением пусковых токов. Когда защищенный силовой трансформатор находится под напряжением, пусковой ток полностью появляется как дифференциальный ток, и в этом случае стабилизация только реле недостаточна для предотвращения ложных срабатываний реле.
Эта ситуация требует блокирующей функции, основанной на второй гармонике, для подавления работы стабилизированной ступени. Вторая гармоника обычно обильно присутствует в пусковом токе.
Проблемы также могут возникать, когда ток включения пуска трансформатора, подаваемый защищенным генератором, довольно высок по сравнению с номинальным током. В этих случаях несимметричные фазные токи, содержащие вторые гармоники, могут вызывать одновременное насыщение трансформаторов тока и, следовательно, кажущийся дифференциальный ток для реле.
Чтобы обеспечить работу реле в этих условиях, активация функции блокировки на основе второй гармоники часто оправдана.
В приложениях защиты трансформаторов стабильность также подвергается опасности из-за временного перенапряжения. Возрастающее напряжение генерирует растущий ток намагничивания из-за насыщения трансформатора, который полностью рассматривается как дифференциальный ток.
Когда соотношение между дифференциальным током и стабилизирующим током превышает настройки, реле работает. Операцию можно заблокировать, включив функцию блокировки, основанную на пятой гармонике.
Намагничивающий ток насыщенного силового трансформатора содержит большую часть этой конкретной гармоники. Если ситуация с перенапряжением ухудшается, доля пятой гармоники обычно возрастает до определенного уровня коленной точки. В этот момент может быть целесообразным снять блокировку и включить работу реле, чтобы предотвратить чрезмерное чрезмерное возбуждение трансформатора. Это можно сделать с помощью функции освобождения блокировки на основе пятой гармоники.
Для обеспечения как можно более быстрой и надежной работы реле при неисправностях внутри области защиты в дополнение к стабилизированной ступени используется высокоуровневая ступень. Этап с высоким уровнем не может быть заблокирован и нестабилен. Высокий уровень срабатывает, когда дифференциальный ток кратковременно превышает заданное начальное значение.
Для быстрой и надежной работы высокоуровневой ступени предел точности тока трансформаторов тока, используемых в защите, должен быть достаточно высоким. Это также предотвратит ненужную работу функции блокировки второй гармоники, и таким образом можно предотвратить дополнительную задержку в работе стабилизированной ступени.
С одной стороны, достаточное сходство в пределностях точности трансформаторов тока, используемых в защите, также гарантирует, что реле сохраняет свою устойчивость при ошибках вне зоны защиты.
Вернуться к содержанию ↑
Высокоимпедансный дифференциальный принцип
Благодаря принципу работы высокоимпедансная дифференциальная схема особенно проста в применении и имеет высокую эксплуатационную надежность, Рисунок 2. Стабилизация схемы с высоким импедансом осуществляется с помощью отдельного стабилизирующего резистора.
Как следует из названия, этот резистор используется для предотвращения ложных срабатываний реле при неисправностях вне зоны защиты. Такие операции могут быть вызваны дифференциальным током, возникающим из-за несовместимого насыщения трансформаторов тока.
Поскольку схемы трансформаторов тока гальванически взаимосвязаны, все трансформаторы тока защиты должны иметь одинаковый коэффициент поворота !
Использование промежуточных трансформаторов тока не рекомендуется, так как это увеличивает требования, предъявляемые к основным трансформаторам тока, и снижает чувствительность защиты. Принцип высокого импеданса особенно хорошо подходит для защиты от короткого замыкания машин, коротких линий и систем сборных шин, а также защиты от замыканий на землю этих и трансформаторов в сетях с эффективной заземлением и с низким импедансом.
Конструкция стабилизации высокоимпедансной схемы основана на предположении, что один из трансформаторов тока защиты полностью насыщается при неисправностях вне зоны защиты, а остальные трансформаторы тока вообще не насыщаются. Идея состоит в том, чтобы направлять кажущийся дифференциальный ток, сформированный указанным образом, для прохождения через трансформатор насыщенного тока, а не через реле.
Поскольку импеданс трансформатора насыщенного тока низкий, высокое сопротивление, то есть стабилизирующий резистор, соединено последовательно с цепью реле.
Теперь весь дифференциальный ток вынужден проходить через вторичную цепь трансформатора насыщенного тока, который может быть описан путем короткого замыкания реактивного сопротивления намагничивания XE на рисунке 2.
Падение напряжения, сформированное по вторичному контуру, будет таким же, как и в цепи реле, рис. 2. Это стабилизирующее напряжение не должно вызывать работу реле.
Рисунок 2 - Однофазная эквивалентная принципиальная схема и принцип действия при ошибках вне зоны защиты и расчет стабилизирующего напряжения U S, являющийся критерием установки реле
Где:
- R S - стабилизирующий резистор,
- R U - резистор, зависящий от напряжения (варистор).
Когда защита реализована с использованием реле напряжения, выбранная настройка должна быть равна или превышать рассчитанное стабилизирующее напряжение. Значение стабилизирующего резистора определяется в соответствии с этим значением напряжения. В случае реле напряжения стабилизирующий резистор часто включается в реле.
Когда защита реализуется с использованием токового реле, сначала необходимо определить текущее значение, с которым должно работать реле.
С помощью стабилизирующего напряжения и установки тока получается значение стабилизирующего резистора. Обычно в случае реле тока стабилизирующий резистор должен быть отдельно установлен и подключен к цепи реле.
При неисправностях внутри области защиты трансформаторы тока пытаются подавать вторичный ток, пропорциональный току короткого замыкания через реле. Но поскольку импеданс цепи реле высок, вторичное напряжение может превышать номинальные значения реле и вторичной проводки.
По этой причине резистор, зависящий от напряжения, должен быть подключен параллельно реле, чтобы ограничить напряжение до безопасного уровня.
Влияние насыщения КТ на схемы дифференциальной защиты
Трансформаторы тока, используемые в приложениях с высокой сопротивляемостью, должны иметь достаточный предел точности, чтобы обеспечить достаточный ток в цепи ретрансляции при неисправностях внутри области защиты. Это требование выполняется, если напряжение в коленчатом валу трансформаторов тока, по меньшей мере, вдвое превышает выбранное стабилизирующее напряжение.
Таким образом, защита работает быстро и надежно также для дифференциальных токовых уровней, немного превышающих установленное значение.
Защита требует трансформаторов тока класса X или PX в соответствии с BS 3938 или IEC 60044-1 соответственно, вероятность повторения которых определяется напряжением коленной точки и сопротивлением вторичной цепи. В спецификации КТ класса X или PX также указывается ток намагничивания, соответствующий напряжению коленной точки. Это текущее значение необходимо для расчета общей чувствительности защиты.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Справочник по автоматизации распространения - Координация ретрансляции ABB