Диференційний захист: принцип дії, пристрій, схема. Диференційний захист трансформатора. Поздовжній диференційний захист ліній

Технології 03 липня 2022 Перегляди: 339

У статті ви дізнаєтеся, що таке диференційний захист, як він працює, якими позитивними якостями володіє. Також буде розказано про те, які є недоліки у дифзахисту ліній електропередач. Також ви ознайомитеся з практичними схемами захисту пристроїв і ліній електропередач.

Диференційний тип захисту на даний момент вважається найпоширенішим і швидкодіючим. Він здатний убезпечити систему від міжфазних замикань. А в тих системах, в яких використовується глухозаземлена нейтраль, він може без зусиль запобігти виникненню однофазних КЗ. Диференційний тип захисту застосовується для того, щоб убезпечити лінії електропередач, електродвигуни підвищеної потужності, трансформатори, генератори.

Всього є два типи дифзахисту:

1. З напругами, що зрівноважують один одного.
2. З циркулюючим струмом.

У цій статті будуть розглянуті обидва ці типи дифзахисту, щоб дізнатися якомога більше про них.

Дифзахист з використанням циркулюючих струмів

Принцип полягає в тому, що порівнюються струми. А якщо бути точніше, то відбувається порівняння параметрів на початку елемента, захист якого здійснюється, а також в кінці. Використовується ця схема при здійсненні поздовжнього типу і поперечного. Перші використовуються для забезпечення безпеки одиночної лінії електропередачі, електромоторів, трансформаторів, генераторів. Поздовжній диференційний захист ліній дуже поширений у сучасній електроенергетиці. Другий тип дифзахисту застосовується при використанні ліній електропередач, що функціонують паралельно.

Поздовжній диференційний захист ліній і пристроїв

Щоб здійснити захист поздовжнього типу, необхідно з обох кінців встановити однакові трансформатори струму. Їх вторинні обмотки повинні бути з’єднані один з одним послідовно за допомогою додаткових електропроводів, якими необхідно підключати струмові реле. Причому ці струмові реле необхідно з’єднувати з вторинними обмотками паралельно. За нормальних умов, а також за наявності зовнішнього короткого замикання в обох первинних обмотках трансформаторів протікатиме однаковий струм, який виявиться рівним як за фазою, так і за величиною. По обмотці електромагнітного струму реле буде протікати трохи менше його значення. Обчислити його можна за простою формулою:

I_r=I₁-I₂.

Припустимо, що струмові залежності трансформаторів будуть повністю збігатися. Отже, вищезгадана різність значень струмів близько або дорівнює нулю. Іншими словами, I_r = 0, а захист в цей час не працює. У допоміжній електропроводці, яка з’єднує вторинні обмотки трансформаторів, відбувається циркуляція струму.

Схема поздовжнього типу диференційного захисту

Така схема диференційного захисту дозволяє отримати за величиною рівні значення струмів, які протікають по вторинному ланцюгу трансформаторів. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що цю схему захисту назвали так через принцип дії. При цьому в зону захисту потрапляє та ділянка, яка знаходиться безпосередньо між струмовими трансформаторами. У тому випадку, якщо є коротке замикання, в зоні захисту при живленні з одного боку від трансформатора з обмотки електромагнітного реле протікає струм I₁. Направляється він у вторинний ланцюг трансформатора, який встановлений на іншій стороні лінії. Необхідно звернути увагу на те, що у вторинній обмотці дуже великий опір. Отже, струм практично не протікає через неї. За таким принципом працює диференційний захист шин, генераторів, трансформаторів. У тому випадку, коли I₁ виявиться рівним або великим, ніж I_r, починає спрацьовувати захист, виробляючи розмикання контактної групи вимикачів.

Коротке замикання і захист ланцюга

У разі короткого замикання всередині захищеної зони, з обох сторін через електромагнітне реле протікає струм, що дорівнює сумі струмів кожної обмотки. У цьому випадку також включається захист, розмикаючи контакти вимикачів. Всі вищевикладені приклади припускають, що всі технічні параметри трансформаторів повністю однакові. Отже, I_r = 0. Але це ідеальні умови, в реальності через невеликі відмінності при виконанні магнітних систем первинних струмів, електроприлади істотно відрізняються один від одного, навіть однотипні. Якщо є відмінності в характеристиках струмових трансформаторів (коли реалізується диференційно-фазний захист конструкції), то величини струмів вторинних ланцюгів будуть відрізнятися, навіть якщо первинні абсолютно однакові. Тепер потрібно розглянути, як працює схема диференційного захисту при зовнішньому короткому замиканні на лінії електропередач.

Зовнішнє коротке замикання

При наявності зовнішнього короткого замикання через електромагнітне реле дифзахисту буде проходити струм небалансу. Його значення безпосередньо залежить від того, який струм проходить по первинному ланцюгу трансформатора. У режимі нормального навантаження його значення невелике, але при наявності зовнішнього КЗ він починає збільшуватися. Його значення залежить також від часу після початку КЗ. Причому максимального значення він повинен досягти в перші кілька періодів після початку замикання. Саме в цей час по первинних ланцюгах трансформаторів протікає весь I КЗ.

Варто також зазначити, що спочатку I КЗ складається з двох типів струму — постійного і змінного. Їх ще називають аперіодичними і періодичними складовими. Пристрій диференційного захисту такий, що при цьому наявність у струмі аперіодичної складової завжди має викликати надмірне насичення магнітної системи трансформатора. Отже, різність потенціалів небалансу різко збільшується. Коли ток короткого замикання починає зменшуватися, знижується і значення небалансу системи. За таким принципом здійснюється диференційний захист трансформатора.

Чутливість захисних конструкцій

Всі типи дифзахисту швидкодіючі. І вони не працюють при наявності зовнішніх КЗ, тому необхідно вибирати електромагнітні реле, враховуючи максимально можливий струм небалансу в системі при наявності зовнішнього короткого замикання. Варто звернути увагу на те, що у захисту такого типу виходить вкрай низька чутливість. Щоб її підвищити, необхідно дотримати безліч умов. По-перше, потрібно застосовувати трансформатори струму, у яких не відбувається насичення магнітопроводів у момент, коли по первинному ланцюгу протікає струм (незалежно від його значення). По-друге, бажано використовувати електроприлади швидкопосиченого типу. Їх потрібно підключати до вторинних обмотків елементів, захист яких проводиться. Електромагнітне реле підключається до трансформатора (диференційний струмовий захист стає максимально надійним) паралельно його вторинній обмотці. Саме так працює диференційний захист генератора або трансформатора.

Збільшення чутливості

Припустимо, відбулося зовнішнє КЗ. При цьому по первинних ланцюгах захисних трансформаторів протікає деякий струм, що складається з аперіодичної та періодичної складових. Такі ж «компоненти» присутні в струмі небалансу, який протікає по первинній обмотці трансформатора. При цьому аперіодична складова струму значно насичує сердечник. Отже, трансформація струму при цьому у вторинний ланцюг не відбувається. При загасанні аперіодичної складової відбувається значне зменшення насичення магнітопроводу, і поступово у вторинному ланцюгу починає з’являтися деяке значення струму. Але максимальний рівень струму небалансу виявиться набагато меншим, ніж у разі відсутності трансформатора. Отже, збільшити чутливість можна шляхом встановлення значення струму захисту менше або рівним максимальному значенню різниці потенціалів небалансу.

Позитивні якості диференційного захисту

Під час перших періодів магнітопровід насичується дуже сильно, трансформація практично не відбувається. Але після того як загасне аперіодична складова, періодична частина починає трансформуватися у вторинному ланцюгу. Варто звернути увагу на те, що у неї дуже велике значення. Отже, електромагнітне реле спрацьовує і проводить відключення захищуваного ланцюга. Дуже низький рівень трансформації перші приблизно півтора періоду часу уповільнює дію ланцюга захисту. Але це не відіграє великої ролі при побудові практичних схем захисту електроланцюгів.

Диференційний захист трансформатора не спрацьовує у випадках, якщо є пошкодження електричного ланцюга поза зоною захисту. Тому тимчасова витримка і селективність не потрібні. Час спрацювання захисту коливається в інтервалі від 0,05 до 0,1 секунди. Це величезна перевага такого типу дифзахисту. Але є ще одна перевага — дуже висока ступінь чутливості, особливо при використанні трансформатора. Серед дрібніших переваг варто відзначити такі, як простота і дуже висока надійність.

Негативні властивості

Але як поздовжній, так і поперечний диференційний захист має і недоліки. Наприклад, вона не здатна захистити електричний ланцюг при впливі коротких замикань ззовні. Також вона не здатна розімкнути електричний ланцюг при впливі сильного перевантаження.

На жаль, захист може спрацювати при пошкодженні допоміжного електроцепу, до якого зроблено підключення вторинної обмотки. Але всі переваги дифзахисту з циркулюючим струмом перебивають ці дрібні недоліки. Але вони здатні захистити лінії електропередач дуже маленької протяжності, не більше кілометра.

Вони дуже часто використовуються при реалізації захисту проводів, за допомогою яких живляться різноманітні пристрої, необхідні для функціонування електричних станцій, генераторів. У тому випадку, якщо довжина електролінії дуже велика, наприклад становить кілька десятків кілометрів, захист за даною схемою виконати дуже складно, так як необхідно використовувати дроти з дуже великим перерізом для з’єднання електромагнітних реле і вторинної обмотки трансформаторів.

У тому випадку, якщо використовувати стандартні дроти, то навантаження на трансформатори струму виявиться надто великим, так само як і струм небалансу. А ось що стосується чутливості, то вона виявляється вкрай низькою.

Конструкції реле захисту та область застосування схем

В електролініях дуже великою протяжності використовується схема, в якій знаходиться захисне реле, що мають особливу конструкцію. З його допомогою можна забезпечити нормальний рівень чутливості, а сполучні дроти застосувати стандартні. Поперечний дифзахист спрацьовує за допомогою порівняння струму в двох лініях за фазами і величинами.

Дифзахист швидкодіюча застосовується в лініях електропередач, в яких протікає напруга в діапазоні 3-35 тис. вольт. При цьому забезпечується надійний захист від міжфазного КЗ. Дифзахист виконується як двофазний через те, що електромережа з вищезгаданими робочими напругами не заземлена нейтралями. Або ж нейтральність з’єднана із заземленням за допомогою дугогасної котушки.

Допоміжні дроти в конструкції захисних ланцюгів

Трансформатори струму знаходяться у відносній близькості один до одного. Отже, допоміжні дроти мають досить малу довжину. При використанні дротів маленького діаметру на трансформатори впливатиме відносно низьке навантаження. Що стосується струму небалансу, то він також невеликий. А ось ступінь чутливості виявляється досить високою. У разі відключення будь-якої лінії дифзахист стає струмом, тимчасової витримки і селективності немає. Щоб виключити помилкові спрацьовування, блок-контакти ліній роз’єднують ланцюг.

Поперечно спрямований дифзахист ланцюгів

Поперечно спрямований захист широко використовується при розробці систем ліній, що функціонують паралельно. З обох сторін лінії встановлюються вимикачі. Суть в тому, що такі по конструкції лінії дуже складно захистити за допомогою простих схем. Причина — неможливо досягти нормального рівня селективності. Щоб поліпшити селективність, необхідно ретельно підбирати витримку часу. Але в разі використання поперечно спрямованого дифзахисту витримка часу не потрібна, селективність досить висока. У неї є основні органи:

1. Напрямок потужності. Найчастіше застосовуються реле напрямку потужності з двосторонньою дією. Іноді використовують пару реле диференційного захисту з односторонньою дією, які працюють при різних напрямках потужності.
2. Пусковий — як правило, в його ролі використовують швидкодіючі реле з максимально можливим струмом.

Конструкція системи така, що на лініях проводиться установка трансформаторів струму з вторинними обмотками, з’єднаними в схему з циркулюючим струмом. А ось всі токові обмотки включаються послідовно, після чого їх з’єднують за допомогою додаткових проводів до трансформаторів струму. Щоб працював диференційно-фазний захист, до релі підводиться напруга за допомогою збірних шин установок. Саме на них проводиться монтаж всього комплекту. Якщо подивитися на схему включення вторинних ланцюгів трансформаторів і захисного реле, то можна зробити висновок про те, чому її називають «спрямованою вісімкою». Вся система виконана двома комплектами. На кожному кінці лінії знаходиться один комплект, завдяки якому забезпечується диференційний струмовий захист лінії електропередач.

Схема з однофазним реле

Напруга до рели захисту підводиться зворотним по фазі тому, що потрібно для відключення однієї лінії з пошкодженням. У нормальній роботі (в тому числі при наявності зовнішнього короткого замикання) за обмотками реле проходить лише струм небалансу. Щоб не сталося помилкових відключень, потрібно, щоб пускові реле мали струм спрацювання більше, ніж струм небалансу. Розгляньмо роботу захисту двох ліній.

У момент початку короткого замикання в зоні захисту другої лінії протікає деякий струм. Варто звернути увагу на те, що:

1. Пускове реле спрацьовує.
2. З боку однієї підстанції реле напрямків потужності розмикає контакти вимикача.
3. З боку другої підстанції також відбувається відключення лінії за допомогою вимикачів.
4. У релі напрямку потужності момент обертання негативний, отже, контакти розомкнуті.

В обмотках реле захисту першої лінії змінюється напрямок руху струму (відносно першої лінії) під час короткого замикання. Реле напрямків потужності утримує контактну групу в розімкнутому стані. Вимикачі з боку обох підстанцій розмикаються.

Тільки такий диференційний захист лінії може нормально функціонувати лише при паралельній роботі обох ліній. У тому випадку, якщо відключається одна з них, порушується принцип роботи дифзахисту. Отже, надалі захист призводить до неселективності відключення другої лінії під час зовнішніх коротких замикань. У цьому випадку вона стає звичайною спрямованою струмом, причому вона не має тимчасової витримки. Щоб уникнути цього, поперечно спрямований захист під час відключення однієї лінії автоматично виводиться за допомогою розриву блок-контактом ланцюга.

Додаткові типи захисту

Струми спрацювання пускових реле повинні бути більше, ніж струми небалансу під час зовнішнього короткого замикання. Щоб уникнути помилкових спрацьовувань при відключенні однієї з ліній і проходженні максимального струму навантаження, необхідно, щоб він був більше різниці потенціалів небалансу. За наявності на лінії дифзахисту поперечно спрямованого типу необхідно передбачити додаткові ступені.

Вони дозволять проводити захист однієї лінії при відключенні паралельно працюючої. Як правило, вони використовуються для захисту від надтоку перевантаження під час зовнішнього короткого замикання (в цьому випадку не відбувається реагування диференційного захисту). До всього іншого, допзахист є резервним до диференційного (в тому випадку, якщо остання відмовила).

Найчастіше застосовуються спрямовані і ненаправлені струмові захисти, відсічки тощо. Поперечно спрямований диференційний захист простий по конструкції, вельми надійний і отримав широке застосування в електромережах з напругою від 35 тис. вольт. Ось так і функціонує диференційний захист, принцип дії його досить простий, але все одно потрібно знати хоча б основи електротехніки, щоб розібратися у всіх тонкощах.