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 надежно защищают трансформаторы и генераторы, электродвигатели, сборные шины, линии электропередач.
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.
Принцип действия
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 &mdash, 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.