Дифференциальная защита: принцип действия, устройство, схема. Дифференциальная защита трансформатора. Продольная дифференциальная защита линий

В статье вы узнаете о том, что такое дифференциальная защита, как она работает, какими положительными качествами обладает. Также будет рассказано о том, какие имеются недостатки у дифзащиты линий электропередач. Также вы ознакомитесь с практическими схемами защиты устройств и линий электропередач.

Дифференциальный тип защиты на данный момент считается самым распространенным и быстродействующим. Он способен обезопасить систему от межфазных замыканий. А в тех системах, в которых используется глухозаземленная нейтраль, он может без труда предотвратить возникновение однофазных КЗ. Дифференциальный тип защиты применяется для того, чтобы обезопасить линии электропередач, электродвигатели повышенной мощности, трансформаторы, генераторы.

Всего имеется два типа дифзащиты:

1. С напряжениями, уравновешивающими друг друга.
2. С циркулирующим током.

В этой статье будут рассмотрены оба этих типа дифзащиты, чтобы узнать как можно больше о них.

Дифзащита с использованием циркулирующих токов

Принцип заключается в том, что сравниваются токи. А если быть точнее, то происходит сравнение параметров в начале элемента, защита которого осуществляется, а также в конце. Используется данная схема при осуществлении продольного типа и поперечного. Первые используются для обеспечения безопасности одиночной линии электропередачи, электромоторов, трансформаторов, генераторов. Продольная дифференциальная защита линий очень распространена в современной электроэнергетике. Второй тип дифзащиты применяется при использовании линий электропередач, функционирующих параллельно.

Продольная дифференциальная защита линий и устройств

Чтобы осуществить защиту продольного типа, необходимо с обоих концов установить одинаковые трансформаторы тока. Их вторичные обмотки должны быть соединены друг с другом последовательно при помощи дополнительных электропроводов, которыми необходимо подключать токовые реле. Причем эти токовые реле необходимо соединять со вторичными обмотками параллельно. При нормальных условиях, а также при наличии внешнего короткого замыкания в обеих первичных обмотках трансформаторов будет протекать одинаковый ток, который окажется равным как по фазе, так и по величине. По обмотке электромагнитного тока реле будет протекать немного меньшее его значение. Вычислить его можно по простой формуле:

I_r=I₁-I₂.

Предположим, что токовые зависимости трансформаторов будут полностью совпадать. Следовательно, вышеупомянутая разность значений токов близко или равна нулю. Другими словами, I_r=0, а защита в это время не работает. Во вспомогательной электропроводке, которая соединяет вторичные обмотки трансформаторов, происходит циркуляция тока.

Схема продольного типа дифференциальной защиты

Такая схема дифференциальной защиты позволяет получить по величине равные значения токов, которые протекают по вторичной цепи трансформаторов. Исходя из этого, можно сделать вывод, что эту схему защиты назвали так из-за принципа действия. При этом в зону защиты попадает тот участок, который находится непосредственно между токовыми трансформаторами. В том случае, если имеется короткое замыкание, в зоне защиты при питании с одной стороны от трансформатора по обмотке электромагнитного реле протекает ток I₁. Направляется он во вторичную цепь трансформатора, который установлен на другой стороне линии. Необходимо обратить внимание на то, что во вторичной обмотке очень большое сопротивление. Следовательно, ток практически не протекает через нее. По такому принципу работает дифференциальная защита шин, генераторов, трансформаторов. В том случае, когда I₁ окажется равным или большим, нежели I_r, начинает срабатывать защита, производя размыкания контактной группы выключателей.

Короткое замыкание и защита цепи

В случае короткого замыкания внутри защищенной зоны, с обеих сторон через электромагнитное реле протекает ток, равный сумме токов каждой обмотки. В этом случае также включается защита, размыкая контакты выключателей. Все вышеизложенные примеры предполагают, что все технические параметры трансформаторов полностью одинаковы. Следовательно, I_r=0. Но это идеальные условия, в реальности из-за небольших различий при выполнении магнитных систем первичных токов, электроприборы существенно отличаются друг от друга, даже однотипные. Если имеются различия в характеристиках токовых трансформаторов (когда реализуется дифференциально-фазная защита конструкции), то величины токов вторичных цепей будут различаться, даже если первичные абсолютно одинаковы. Теперь нужно рассмотреть, как работает схема дифференциальной защиты при внешнем коротком замыкании на линии электропередач.

Внешнее короткое замыкание

При наличии внешнего короткого замыкания через электромагнитное реле дифзащиты будет проходить ток небаланса. Его значение напрямую зависит от того, какой ток проходит по первичной цепи трансформатора. В режиме нормальной нагрузки его значение невелико, но при наличии внешнего КЗ он начинает увеличиваться. Его значение зависит также от времени после начала КЗ. Причем максимального значения он должен достичь в первые несколько периодов после начала замыкания. Именно в это время по первичным цепям трансформаторов протекает весь I КЗ.

Стоит также отметить, что сначала I КЗ состоит из двух типов тока – постоянного и переменного. Их еще называют апериодическими и периодическими составляющими. Устройство дифференциальной защиты таково, что при этом наличие в токе апериодической составляющей всегда должно вызывать чрезмерное насыщение магнитной системы трансформатора. Следовательно, разность потенциалов небаланса резко увеличивается. Когда ток короткого замыкания начинает уменьшаться, снижается и значение небаланса системы. По такому принципу осуществляется дифференциальная защита трансформатора.

Чувствительность защитных конструкций

Все типы дифзащиты быстродействующие. И они не работают при наличии внешних КЗ, поэтому необходимо выбирать электромагнитные реле, учитывая максимально возможный ток небаланса в системе при наличии внешнего короткого замыкания. Стоит обратить внимание на то, что у защиты такого типа получается крайне низкая чувствительность. Чтобы ее повысить, необходимо соблюсти множество условий. Во-первых, нужно применять трансформаторы тока, у которых не происходит насыщения магнитопроводов в момент, когда по первичной цепи протекает ток (независимо от его значения). Во-вторых, желательно использовать электроприборы быстронасыщающегося типа. Их нужно подключать к вторичным обмоткам элементов, защита которых производится. Электромагнитное реле подключается к быстронасыщающемуся трансформатору (дифференциальная токовая защита становится максимально надежной) параллельно его вторичной обмотке. Именно так работает дифференциальная защита генератора или трансформатора.

Увеличение чувствительности

Допустим, произошло внешнее КЗ. При этом по первичным цепям защитных трансформаторов протекает некоторый ток, состоящий из апериодической и периодической составляющих. Такие же «компоненты» присутствуют в токе небаланса, который протекает по первичной обмотке быстронасыщающегося трансформатора. При этом апериодическая составляющая тока значительно насыщает сердечник. Следовательно, трансформация тока при этом во вторичную цепь не происходит. При затухании апериодической составляющей происходит значительное уменьшение насыщения магнитопровода, и постепенно во вторичной цепи начинает появляться некоторое значение тока. Но максимальный уровень тока небаланса окажется намного меньшим, нежели в случае отсутствия быстронасыщающегося трансформатора. Следовательно, увеличить чувствительность можно путем установки значения тока защиты меньше или равным максимальному значению разности потенциалов небаланса.

Положительные качества дифференциальной защиты

Во время первых периодов магнитопровод насыщается очень сильно, трансформация практически не происходит. Но после того как затухнет апериодическая составляющая, периодическая часть начинает трансформироваться во вторичной цепи. Стоит обратить внимание на то, что у нее очень большое значение. Следовательно, электромагнитное реле срабатывает и производит отключение защищаемой цепи. Очень низкий уровень трансформации первые примерно полтора периода времени замедляет действие цепи защиты. Но это не играет большой роли при построении практических схем защиты электроцепей.

Дифференциальная защита трансформатора не срабатывает в случаях, если имеются повреждения электрической цепи вне зоны защиты. Поэтому временная выдержка и селективность не требуется. Время срабатывания защиты колеблется в интервале от 0,05 до 0,1 секунды. Это огромное преимущество такого типа дифзащиты. Но есть еще одно преимущество — очень высокая степень чувствительности, в особенности при использовании быстронасыщающегося трансформатора. Среди более мелких преимуществ стоит отметить такие, как простота и очень высокая надежность.

Отрицательные свойства

Но как продольная, так и поперечная дифференциальная защита имеет и недостатки. Например, она не способна защитить электрическую цепь при воздействии коротких замыканий извне. Также она не способна разомкнуть электрическую цепь при воздействии сильной перегрузки.

К сожалению, защита может сработать при повреждении вспомогательной электроцепи, к которой произведено подключение вторичной обмотки. Но все преимущества дифзащиты с циркулирующим током перебивают эти мелкие недостатки. Но они способны защитить линии электропередач очень маленькой протяженности, не более километра.

Они очень часто используются при реализации защиты проводов, с помощью которых запитываются разнообразные устройства, необходимые для функционирования электрических станций, генераторов. В том случае, если длина электролинии очень большая, например составляет несколько десятков километров, защиту по данной схеме выполнить очень сложно, так как необходимо использовать провода с очень большим сечением для соединения электромагнитных реле и вторичной обмотки трансформаторов.

В том случае, если использовать стандартные провода, то нагрузка на трансформаторы тока окажется чересчур большой, равно как и ток небаланса. А вот что касается чувствительности, то она оказывается крайне низкой.

Конструкции реле защиты и область применения схем

В электролиниях очень большой протяженности используется схема, в которой находится защитное реле, имеющие особую конструкцию. С его помощью можно обеспечить нормальный уровень чувствительности, а соединительные провода применить стандартные. Поперечная дифзащита срабатывает при помощи сравнения тока в двух линиях по фазам и величинам.

Дифзащита быстродействующая применяется в линиях электропередач, в которых протекает напряжение в диапазоне 3-35 тыс. вольт. При этом обеспечивается надежная защита от межфазного КЗ. Дифзащита выполняется как двухфазная по причине того, что электросеть с вышеупомянутыми рабочими напряжениями не заземлена нейтралями. Либо же нейтраль соединена с заземлением посредством дугогасящей катушки.

Вспомогательные провода в конструкции защитных цепей

Трансформаторы тока находятся в относительной близости друг к другу. Следовательно, вспомогательные провода имеют довольно малую длину. При использовании проводов маленького диаметра на трансформаторы будет воздействовать относительно низкая нагрузка. Что касается тока небаланса, то он также небольшой. А вот степень чувствительности оказывается весьма высокой. В случае отключения какой-либо линии дифзащита становится токовой, временной выдержки и селективности нет. Чтобы исключить ложные срабатывания, блок-контакты линий разъединяют цепь.

Поперечно направленная дифзащита цепей

Поперечно направленная защита широко используется при разработке систем линий, функционирующих параллельно. С обеих сторон линии устанавливаются выключатели. Суть в том, что такие по конструкции линии очень сложно защитить при помощи простых схем. Причина – невозможно достичь нормального уровня селективности. Чтобы улучшить селективность, необходимо тщательно подбирать выдержку времени. Но в случае использования поперечно направленной дифзащиты выдержка времени не нужна, селективность довольно высокая. У нее есть основные органы:

1. Направление мощности. Зачастую применяются реле направления мощности с двусторонним действием. Иногда используют пару реле дифференциальной защиты с односторонним действием, которые работают при различных направлениях мощности.
2. Пусковой – как правило, в его роли используют быстродействующие реле с максимально возможным током.

Конструкция системы такова, что на линиях производится установка трансформаторов тока со вторичными обмотками, соединенными в схему с циркулирующим током. А вот все токовые обмотки включаются последовательно, после чего их соединяют при помощи дополнительных проводов к трансформаторам тока. Чтобы работала дифференциально-фазная защита, к реле подводится напряжение при помощи сборных шин установок. Именно на них производится монтаж всего комплекта. Если посмотреть на схему включения вторичных цепей трансформаторов и защитного реле, то можно сделать вывод о том, почему ее называют «направленной восьмеркой». Вся система выполнена двумя комплектами. На каждом конце линии находится один комплект, благодаря которому обеспечивается дифференциальная токовая защита линии электропередач.

Схема с однофазным реле

Напряжение к реле защиты подводится обратным по фазе тому, что нужно для отключения одной линии с повреждением. В нормальной работе (в том числе при наличии внешнего короткого замыкания) по обмоткам реле проходит лишь ток небаланса. Чтобы не произошло ложных отключений, нужно, чтобы пусковые реле имели ток срабатывания больше, нежели ток небаланса. Рассмотрим работу защиты двух линий.

В момент начала короткого замыкания в зоне защиты второй линии протекает некоторый ток. Стоит обратить внимание на то, что:

1. Пусковое реле срабатывает.
2. Со стороны одной подстанции реле направлений мощности размыкает контакты выключателя.
3. Со стороны второй подстанции также происходит отключение линии при помощи выключателей.
4. В реле направления мощности момент вращения отрицательный, следовательно, контакты разомкнуты.

В обмотках реле защиты первой линии изменяется направление движения тока (относительно первой линии) во время короткого замыкания. Реле направлений мощности удерживает контактную группу в разомкнутом состоянии. Выключатели со стороны обеих подстанций размыкаются.

Только такая дифференциальная защита линии может нормально функционировать лишь при параллельной работе обеих линий. В том случае, если отключается одна из них, нарушается принцип работы дифзащиты. Следовательно, в дальнейшем защита приводит к неселективности отключения второй линии во время внешних коротких замыканий. В этом случае она становится обычной направленной токовой, причем она не имеет временной выдержки. Чтобы избежать этого, поперечно направленная защита во время отключения одной линии автоматически выводится при помощи разрыва блок-контактом цепи.

Дополнительные типы защиты

Токи срабатывания пусковых реле должны быть больше, чем токи небаланса во время внешнего короткого замыкания. Чтобы избежать ложных срабатываний при отключении одной из линий и прохождении по оставшейся максимального тока нагрузки, необходимо, чтобы он был больше разности потенциалов небаланса. При наличии на линии дифзащиты поперечно направленного типа необходимо предусмотреть дополнительные степени.

Они позволят проводить защиту одной линии при отключении параллельно работающей. Как правило, они используются для защиты от сверхтока перегрузки во время внешнего короткого замыкания (в этом случае не происходит реагирование дифференциальной защиты). Ко всему прочему, допзащита является резервной к дифференциальной (в том случае, если последняя отказала).

Зачастую применяются направленные и ненаправленные токовые защиты, отсечки и т. д. Поперечно направленная дифференциальная защита проста по конструкции, весьма надежна и получила широкое применение в электросетях с напряжением от 35 тыс. вольт. Вот так и функционирует дифференциальная защита, принцип действия ее довольно простой, но все равно нужно знать хотя бы основы электротехники, чтобы разобраться во всех тонкостях.