Дифференциальная защита

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:

Проект РЗА

Сайт о релейной защите и цифровых технологиях в энергетике

Защита и автоматика мощного синхронного двигателя 6(10) кВ

Рассмотрим вариант синхронного двигателя мощностью более 5 МВт, либо просто СД с наличием дифференциальной защиты. Сегодня дифф. защита может применяться и на двигателях меньшей мощности, тем более, что в ПУЭ есть оговорка про чувствительность токовой отсечки (п. 5.3.46 .)

В принципе и асинхронные двигатели бывают большой мощности и синхронники меньше 5 МВт. Мы объединим эти два параметра (СД и большую мощность) для того, чтобы показать максимальный по составу набор защит двигателя. Поэтому в нашем случае мы получаем те же защиты, что и в предыдущей статье плюс ряд новых. Давайте их рассмотрим.

Дифференциальная защита двигателя

Это быстродействующая защита двигателей большой мощности от междуфазных коротких замыканий. Обычно состоит из двух степеней — дифференциальной отсечки (ДТО) и дифф. защиты с торможением (ДЗТ). Последняя может быть выбрана с уставкой срабатывания ниже или выше номинального тока двигателя.

Если ДЗТ выбирается с уставкой срабатывания ниже номинала, то она оказывается более чувствительной, но при этом возможны ложные срабатывания при обрыве токовых цепей. На современных защитах используются различные комбинации пусковых органов и блокировок, чтобы повысить чувствительность ДЗТ, но при этом своевременно выявить нарушение токовых цепей. Например, работа ДЗТ с уставкой выше номинала и автоматическое очувствление при КЗ. Алгоритмы дополняются сигнализацией небаланса в токовых цепях для оповещения оперативного персонала.

ДТО является грубой ступенью, которая отстраивается от броска апериодической составляющей тока при включении двигателя. Основное назначение ДТО — резервирование ДЗТ, которая имеет ряд алгоритмических блокировок и может отказать при сложных повреждениях.

Защита от потери питания (ЗПП)

Защита от потери питания отключает двигатель после его перехода в генераторный режим, т.е. когда мощность на установке начинает протекать от двигателя в сеть. Такое направление мощности означает КЗ или отключение оборудования в вышестоящей сети.

Для определения генераторного режима используется алгоритм направления мощности (токи через статор и напряжения на шинах).

ЗПП может отключать двигатель для обеспечения самозапуска более ответственных. В принципе данная защита может применяться и на АД, а также в качестве групповой на секции шин (ток через ввод). Кроме того схожий с ЗПП пусковой орган применяется в быстродействующих АВР (БАВР), которые сегодня активно внедряются в сетях промышленных предприятий.

Защита от асинхронного режима

Защита от асинхронного режима отключает синхронный двигатель при потере возбуждения. Кроме того может быть предусмотрена простая или комбинированная (с предварительной разгрузкой) ресинхронизация СД для восстановления параметров нормальной работы.

Способов определения нарушений в цепях возбуждения несколько, начиная с простейшей фиксации увеличения тока в обмотках статора (ПУЭ 5.3.50) и заканчивая более совершенными органами сопротивления. В современных терминалах РЗА обычно используют второй способ.

Отключение от технологических защит

Мощные двигатели 6(10) кВ являются сложными устройствами с рядом вспомогательных систем. Например, системой обеспечения давления масла в подшипниках двигателя. Или системой принудительного охлаждения. Кроме того в двигатель могут устанавливаться термодатчики со своим блоком контроля.

Такие системы образуют собственные технологические защиты двигателя, с которыми должен взаимодействовать терминал релейной защиты.

Это взаимодействие осуществляется через дискретные входы терминала

При отключении синхронного двигателя защита должна действовать не только на выключатель в ячейке 6(10) кВ, но и на автомат гашения поля, который обесточивает цепь возбуждения СД.

В следующий раз мы рассмотрим дуговую защиту ячеек КРУ и завершим цикл статей по типовым присоединениям 6(10) кВ.

Терминал защиты и автоматики двигателя 6(10) кВ типа БМРЗ-УЗД.

Разработчик НТЦ «Механотроника», www.mtrele.ru

Терминал содержит все перечисленные в статье защиты и автоматику

Что такое дифференциальная защита

В целях обеспечения безопасности электроустановок и оборудования выполняются различные действия, одним из которых является дифференциальная защита. Ее отличает быстрота действия и абсолютная селективность, то есть способность точно выявлять неисправные сети или установки и быстро отключать их от нормально функционирующих участков. Данные устройства защищают трансформаторы и генераторы, электродвигатели, сборные шины, линии электропередач.

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.

Современные устройства дифференциальной защиты на микропроцессорах способны самостоятельно учитывать эту разницу. Соединение вторичных обмоток измерительных трансформаторов осуществляется на обоих концах способом звезда, о чем указывается в настройках защитного устройства.

Продольная дифференциальная защита

В состав релейной защиты входят различные устройства, обеспечивающие надежную и безопасную работу трансформаторов, оборудования, линий электропередачи. Одной из ее разновидностей является продольная дифференциальная защита, которая в обязательном порядке используется с трансформаторами мощностью 6300 кВа и выше. Ее основная функция заключается в предупреждении аварий и выхода из строя оборудования, причиной которых могут стать многофазные замыкания на выводах и внутри обмоток.

Продольный вид защиты устанавливается и на трансформаторах, работающих параллельно, при мощности каждого из них 4000 кВа и более. Трансформаторные устройства с небольшой мощностью, не превышающей 1000 кВа, также оборудуются защитой, если отсутствует газовая защита. При этом, максимальная токовая защита имеет большую выдержку по времени, а токовая отсечка обладает низкой степенью чувствительности.

Аварийное отключение трансформатора с помощью дифференциальной продольной защиты осуществляется практически мгновенно, сразу же после возникновения неисправности.

Поперечная дифференциальная защита

Поперечная защита, работает также по принципу сравнивания токовых значений. Однако в отличие от продольной системы, установка трансформаторов тока выполняется не на концах защищаемого участка, а на отдельных линиях, подключенных к одному источнику питания. Это могут быть, например, параллельные кабельные линии, отходящие от общего выключателя.

При внешнем коротком замыкании поперечная дифференциальная защита его не сможет определить, поскольку разница значений силы тока на этих линиях будет нулевой. Если же короткое замыкание произойдет на одной из защищаемых линий, в этом случае разница токов будет иметь определенное значение, необходимое для срабатывания защиты. С помощью данной системы в основном выполняется дифференциальная защита линии электропередачи, проложенной по воздуху. В случае аварии выбирается и отключается только поврежденная линия.

В конструкцию системы входит токовое реле, выполняющее пусковую функцию, и включающееся также, как и в продольной защите с участков направления мощности. Оно включается на разницу токов в защищаемых линиях и в соответствии с напряжением шин на подстанции. Подача оперативного тока осуществляется на реле защиты путем последовательного соединения вспомогательных контактов, установленных на защищаемых линиях. За счет этого защита автоматически выводится из действия, когда отключается хотя-бы одна из линий. Таким образом, исключается не селективное действие защиты в случае внешнего короткого замыкания.

Дифференциальная защита генератора

В электрической сети иногда могут возникнуть межфазные короткие замыкания на участке от оборудования до трансформатора тока. Для предупреждения подобных ситуаций применяется дифференциальная токовая защита устройств, в том числе и генераторов. В основном используются продольные системы, отличающиеся абсолютной селективностью. Они наиболее эффективны для генераторов, обладающих средней и высокой мощностью. В состав защиты входят дифференциальные реле в количестве трех единиц.

При наличии заземления нейтрали генератора обеспечивается дифференциальная защита от коротких замыканий на землю. Однофазные короткие замыкания предупреждаются с помощью чувствительной защитной системы, при которой выполняется сравнение токов нулевой последовательности. Данные токи протекают с обеих сторон обмоток статора.

Для того чтобы исключить неправильное действие защиты при внешнем коротком замыкании, выполняется блокировка дифференциальной защитной системы. В первую очередь это касается больших токов, при которых возникает насыщение трансформаторов тока. Блокировка производится, когда один из максимальных токов фаз превышает свое установленное заданное значение. Защитные устройства срабатывают в тех случаях, когда появляется напряжение с нулевой последовательностью и определенной величиной. Дополнительно происходит контроль над величиной угла между токами нулевой последовательности сторон в обмотках статора. За счет этого значительно повышается селективность в случае внешнего однофазного короткого замыкания.

В некоторых случаях допускается применение поперечной дифференциальной защиты генератора. Таким образом, предупреждаются витковые замыкания в обмотке статора, когда имеются параллельные ветви статорных обмоток и существует возможность для сравнения токов в ветвях всех фаз. Дифференциальная защита генератора устанавливается отдельно для каждой фазы, поэтому реакция на межвитковые замыкания касается только своей фазы.

Дифференциальная защита трансформатора

Дифференциальный автоматический выключатель

Что такое дифференциальный ток

Токовая защита нулевой последовательности

УЗО или дифференциальный автомат: что выбрать и как отличить