13.3.5. Селективность с помощью дифференциальной защиты

Алгоритм работы. Принцип действия дифференциальной защиты рассмотрим на примере защиты линии. Данная защита основана на сравнении значений токов на двух концах защищаемой линии (рис. 13.15).

При нормальной работе или сквозном КЗ токи в начале и конце линии равны по величине и фазе. Любое расхождение по амплитуде и фазе между этими значениями токов означает наличие повреждения на линии, т.е. защита срабатывает только при внутренних повреждениях в защищаемой зоне и не чувствительна к внешним повреждениям. В организации защиты использован принцип селективности – измерение дифференциального тока (разности токов) Id = IА – IБ ≠ 0. Работа защиты возможна при условии

Рис. 13.15. Принцип дифференциальной защиты

использования трансформаторов тока с одинаковыми характеристиками.

В реальных условиях при отсутствии повреждения на линии дифференциальный ток I_d будет отличаться от нуля из-за целого ряда факторов – несовпадение характеристик трансформаторов тока; их погрешности из-за насыщения при протекании больших токов КЗ; наличие ёмкостного тока линии и др.

Указанные факторы вызывают протекание некоторого тока, называемого током небаланса I_НБ. Устойчивость дифференциальной защиты обусловлена тем, что в случае отсутствия повреждений в защищаемой зоне защита остается нечувствительной при выполнении условия

I_НБ < I_d.

Дифференциальная защита срабатывает при повреждении внутри зоны защиты, когда ток небаланса, определяемый в основном током внутреннего КЗ, становится больше дифференциального тока

I_НБ > I_d.

При применении дифференциальной защиты для защиты силовых трансформаторов имеются ещё другие факторы – схема соединения обмоток Y/Δ трансформатора обусловливает наличие сдвига между измеряемыми токами; при включении трансформатора возникают броски тока намагничивания; регулирование коэффициента трансформации силового трансформатора и др.

Преимущества.

1. Срабатывание защиты при значениях тока повреждения меньше номинального тока защищаемого участка сети.

2. Мгновенное отключение в защищаемой зоне.

Недостатки.

1. Значительная стоимость затрат на организацию такой защиты.

2. Тонкость и сложность использования.

3. Необходимость оборудования аварийной максимальной токовой защиты.

Применение. Данная функция используется для защиты всех основных элементов сети, имеющих большую мощность – двигателей, генераторов, трансформаторов, сборных шин, кабелей, линий.

Дифференциальные защиты выполняются:

– продольными – используются для защиты линий (см. рис. 13.15,а), трансформаторов, двигателей;

– поперечными, например для защиты кабельной линии, состоящей из двух кабелей (рис. 13.15,б).

13.3.6. Комбинированная селективность

Достигается сочетанием разных видов селективности. Имеется несколько вариантов практического использования комбинированной селективности:

1. Селективность по току + временная селективность.

2. Логическая селективность + временная селективность.

3. Временная селективность + селективность направленной защиты.

4. Логическая селективность + селективность направленной защиты.

5. Селективность дифференциальной защиты + временная селективность.

Комбинированная селективность по сравнению с простой селективностью создает дополнительные преимущества, обеспечивая

– общую селективность между разными защитами;

– аварийное резервирование при отказе нижестоящей защиты.

13.3.6.1. Селективность по току + временная селективность

На рис. 13.16 показана двухступенчатая электрическая схема – это может быть электрическая сеть одного напряжения или два участка сети разного напряжения, связанные силовым трансформатором. Во втором случае токи должны быть приведены к одному из напряжений рассматриваемой схемы.

Рис. 13.16. Селективность по току + временная селективность

Нижестоящая защита Б выполнена в виде защиты от перегрузок с уставками по току и времени , а вышестоящая имеет две ступени защиты – защиту от перегрузок (А1) и селективную токовую отсечку (А2) соответственно с уставками .

Селективность работы двух защит, установленных на разных ступенях электрической схемы будет обеспечена при одновременном выполнении следующих условий (см. рис. 13.16,б):

1. Селективности по току между защитами А1 и Б

.

2. Временной селективности между защитами А1 и Б

.

При этом, естественно, уставка по току селективной токовой отсечки А2 всегда больше уставки по току защиты от перегрузок А1

> ,

а уставка по времени защиты от перегрузок Б всегда значительно больше уставки по времени селективной токовой отсечки А2

> .

Таким образом, достигается общая селективность между защитами разных уровней электрической схемы, а также защита А обеспечивает аварийное резервирование для защиты Б.

13.3.6.2. Логическая селективность + резервная временная селективность

На рис. 13.17 показан фрагмент секции сборных шин 1СШ распределительного пункта РП. Рассматривается вариант согласования защит Б и А, установленных соответственно на отходящей от РП линии (выключатель Q2) и на вводе РП (выключатель Q1).

Рис. 13.17. Логическая селективность + резервная временная селективность

Защита А состоит из основного А1 и резервирующего А2 блоков и имеет одну уставку по току .

Между блоками защит Б и А1 имеется логическая селективность (см. рис. 13.17,а), позволяющая при КЗ на сборных шинах блоку А1 срабатывать с маленькой выдержкой времени – если блок Б не выдаёт логического запрета при КЗ на сборных шинах, то блок защиты А1 срабатывает с маленькой выдержкой времени .

Если блок А1 по каким-либо причинам не срабатывает, то с большей выдержкой времени сработает блок А2, резервируя блок А1. При этом между блоком Б и блоком А2 выполняется временная задержка t_З (см. п.3 и рис. 13.12)

.

Таким образом, логическая селективность позволяет быстро отключить КЗ на сборных шинах РП, а временная селективность в случае отказа блока А1 (например из-за сбоя в приёме логического сигнала) обеспечивает аварийное резервирование с помощью блока А2.

Развитием предыдущего рассматриваемой комбинированной селективности является применение «логической + временной» селективности на двух ступенях системы электроснабжения (рис. 13.18). Первая ступень – это сборные шины напряжением 6-10 кВ подстанции (СШ ПС), вторая – сборные шины напряжением 6-10 кВ распределительного пункта (СШ РП).

На рис. 13.18 показана организация защиты: 1. На каждой ступени выполняется «логическая + временная» селективность – между защитами Г и В, с одной стороны, Б и А, с другой стороны. При КЗ на сборных шинах РП или ПС логическая селективность позволяет отключать КЗ защитами В или А с минимальной выдержкой времени 0,1 с. Между защитами ПС и РП логическая связь не используется, т.к. сложно выполнить каналы связи. 2. Между защитами Г и Б разных ступеней используется только временная селективность между . При КЗ на отходящих от ПС или РП линиях действуют соответственно защиты Б или Г. Для обеспечения селективности между ними введена временная селективность. Нижестоящая защита Г при КЗ в своей зоне действия

Рис. 13.18. Сравнение значений времени срабатывания при комбинированной и временной селективности

отключает выключатель Q_Г с выдержкой времени 0,4 с. А защита Б в аналогичной ситуации отключает выключатель Q_Б с выдержкой времени 0,7 с.

3. Защиты В и А состоят содержат по основному и резервному блоку (см. рис. 13.17,а). В случае отказа например основного блока защиты А её резервный блок отключит КЗ с временем

.

В заключение отметим, что сопоставление времени срабатывания защиты с комбинированной селективностью и защиты с простой временной селективностью (см. рис. 13.18) показывает явное преимущество защиты с «логической + временной» селективностью.

13.3.6.3. Временная селективность + селективность направленной защиты

Данная комбинированная селективность может быть применена для защиты замкнутых сетей – рис. 13.19.

Выключатели Q1 и Q2 имеют максимальную токовую защиту, выполненную на устройствах КА1 и КА2, и действуют с выдержкой времени t_КА.

Выключатели Q3 и Q4 имеют направленную защиту, выполненную на устройствах KW3 и KW4, и действуют с меньшей выдержкой времени t_КW.

Выдержки времени срабатывания защит выбираются из условия;

tКА = tКА1 = tКА2; tКW = tКW3 = tКW4; tКА = tКW + Δt. В случае возникновения короткого замыкания в точке К1 три защиты токовые КА1 и КА2 и направленная KW3 обнаруживают повреждение и запускаются. Направленная защита KW4 не реагирует, поскольку имеет другое направление срабатывания. Сначала с выдержкой времени срабатывает защита KW3, отключая выключателем Q3 путь протекания тока КЗ снизу. В результате защита КА2 возвращается в исходное состояние. Далее через интервал времени Δt с выдержкой защита КА1 полностью локализует поврежденный участок сети. В работе остаётся линия с трансформатором Т2.

Рис. 13.19. Временная селективность + селективность направленной защиты

13.3.6.4. Логическая селективность + селективность направленной защиты

Данная комбинированная селективность может быть применена (рис. 13.20,а) в замкнутых сетях для защиты двух секций сборных шин 1СШ и 2СШ, подключенных с помощью выключателей Q1 и Q2 к источникам питания (это могут быть трансформаторы ПС или линии, питающие РП). Секции сборных шин соединены секционным выключателем Q3, который нормально включен.

Рис. 13.20. Логическая селективность + селективность направленной защиты

На секционном выключателе Q3 установлено реле направления мощности KW, которое имеет логические связи ЛС с токовыми защитами КА1 и КА2. Реле KW определяет, где находится точка КЗ, и меняет алгоритм действия РЗ, т.е. последовательность действия реле КА1 и КА2

В случае возникновения КЗ на 2СШ в точке К1 по всем защитам протекают токи повреждения. Реле KW определяет направление мощности и выдаёт сигнал логического запрета ЛС уже защите КА1, которая блокируется. Затем выключатели Q3 и Q2 отключают и локализуют место повреждения в точке К1. При этом секция сборных шин 1СШ сохраняет питание.

Аналогично работает схема, когда короткое замыкание возникает на 1СШ в точке К2 (рис. 13.20,б). Реле KW определяет направление мощности и выдаёт сигнал логического запрета ЛС защите КА2, которая блокируется. Затем выключатели Q3 и Q1 отключают и локализуют место повреждения в точке К2. При этом секция сборных шин 2СШ сохраняет питание.