Лекция №14 ВЭФ Дифференциальные защиты

Лекция 14

14.1. Продольная дифференциальная токовая защита

14.2. Поперечная дифференциальная токовая защита

14.3. Дифференциально-фазная защита

14.1. Продольная дифференциальная токовая защита

Селективность токовых защит и дистанционной защиты обеспечивается соответствующим выбором параметров их срабатывания, т.е. это защиты с относительной селективностью. Продольная дифференциальная токовая защита не реагирует на внешние короткие замыкания по принципу действия, т.е. относится к защитам с абсолютной селективностью, а следовательно, является быстродействующей защитой.

Измерительный орган (реле тока) продольной дифференциальной токовой защиты включается на разность токов по концам защищаемого объекта (Рис. 14.1, а).

Рис. 14.1. Продольная дифференциальная токовая защита:

а – схема включения реле тока защиты; б – векторная диаграмма токов при внешнем КЗ (точка К1); в – векторная диаграмма токов при КЗ в защищаемом объекте (точка К2); ЭС1, ЭС2 – питающие энергосистемы; Q1, Q2 – выключатели защищаемого объекта; ТА1, ТА2 – трансформаторы тока; КА – реле тока защиты; I₁, I₂ – токи на входе и выходе защищаемого объекта; I₁₂, I₂₂ – вторичные токи трансформатора тока; I_р – ток в реле тока защиты

В реле защиты проходит ток I_р, равный разности вторичных токов измерительных трансформаторов тока ТА1 и ТА2 I₁₂ и I₂₂. При внешнем коротком замыкании в точке К1 токи I₁ и I₂ по концам защищаемого объекта одинаковы, и ток I_р = I₁₂ – I₂₂ принципиально равен нулю (Рис. 14.1, б). При коротком замыкании на защищаемом объекте в точке К2 в реле защиты проходит практически арифметическая сумма вторичных токов короткого замыкания от источников питания ЭС1 и ЭС2 и защита срабатывает (Рис. 14.1, в).

Теоретически ток срабатывания защиты мог бы быть равен нулю. Однако, если учитывать наличие погрешностей измерительных трансформаторов тока защиты, ток в реле защиты при отсутствии короткого замыка­ния на защищаемом объекте равен току небаланса, значение которого тем больше, чем больше ток в первичных обмотках трансформаторов тока. Поэтому ток срабатывания защиты отстраивается от тока небаланса, имеющего место при максимальном токе, проходящем через защищаемый объект при внешнем КЗ:

(16)

Различные модификации продольной дифференциальной токовой защиты широко используются для защиты от коротких замыканий генераторов, трансформаторов, сборных шин, мощных электрических двигателей и других объектов. Реализация такой защиты на линии электропередачи встречает серьезные трудности, связанные с большой протяженностью этого защищаемого объекта. Необходимость прокладки вдоль защищаемой линии электропередачи проводной линии связи, требуемой для объединения вторичных обмоток трансформаторов тока защиты, усложняет и удорожает защиту, а также значительно снижает ее надежность. Поэтому продольная дифференциальная токовая защита используется для защиты линий электропередачи протяженностью не более 15 км и только в случае необходимости отключения короткого замыкания без выдержки времени.

14.2. Поперечная дифференциальная токовая защита

Принцип действия этой защиты основан на сравнении токов параллельно включенных элементов энергосистемы, например токов двух линий электропередачи, коммутируемых одним выключателем (сдвоенная линия) (рис. 14.2). В измерительном органе защиты (реле тока КА) проходит разность токов параллельно работающих линий I_р = I₁ – I₂. Если параметры защищаемых линий одинаковы, ток в измерительном органе защиты в рабочем режиме и при внешнем коротком замыкании (точка К1 на рис. 14.2) принципиально равен нулю. При коротком замыкании на одной из линий (точка К2 на рис. 14.2) разность токов I₁ – I₂ ≠ 0 и защита срабатывает.

Рис. 14.2. Поперечная дифференциальная токовая защита сдвоенной линии:

КА – реле тока; I₁, I₂ – вторичные токи трансформаторов тока ТА1 и ТА2; I_р – ток в реле тока защиты

Ток срабатывания защиты отстраивается от тока небаланса, обусловленного погрешностями трансформаторов тока защиты и имеющего максимальное значение при прохождении по защищаемой сдвоенной линии тока внешнего короткого замыкания.

Поперечная дифференциальная токовая защита обладает абсолютной селективностью, т.е. является быстродействующей защитой. К недостаткам этой защиты относятся наличие «мертвой зоны» при коротком замыкании в конце защищаемой линии, а также то обстоятельство, что защита не указывает, какой из параллельно работающих элементов поврежден.

Для защиты параллельных линий, каждая из которых коммутируется своими выключателями, поперечная дифференциальная токовая защита оснащается измерительным органом направления мощности, что позволяет выявить и отключить только поврежденную линию. Защита устанавливается на обоих концах защищаемых линий. Ток срабатывания поперечной дифференциальной токовой направленной защиты параллельных линий отстраивается не только от тока небаланса при внешнем КЗ, но и от рабочего тока, так как при оперативном отключении одной из параллельных линий разность токов линий, на которую реагирует защита, оказывается равной рабочему току. Во избежание неселективного срабатывания при внешнем коротком замыкании защита при отключении одной из параллельных линий выводится из работы.

Поперечная дифференциальная токовая защита, естественно, не может быть единственной защитой от коротких замыканий параллельно включенных элементов энергосистемы и должна использоваться совместно с другими устройствами релейной защиты.

14.3. Дифференциально-фазная защита

Принцип действия защиты основан на сравнении фаз тока по концам защищаемой линии. За условное положительное направление тока принимается направление тока от шин в линию.

Рис. 14.3

В неповрежденной линии (см. рис. 14.3) фазы токов 1 и 2 отличаются на 180°, а в поврежденной линии (см. рис. 14.3) практически совпадают. Информация о фазе тока передается на противоположный конец линии с помощью высокочастотного сигнала. Высокочастотный сигнал модулируется током промышленной частоты, т.е. генератор высокой частоты (ГВЧ) работает только в положительный полупериод тока. Приемник высокой частоты (ПВЧ) воспринимает сигнал высокой частоты как от своего ГВЧ, так и от ГВЧ комплекта защиты, установленного на противоположном конце защищаемой линии. На неповрежденной линии высокочастотный сигнал в канале связи присутствует постоянно (рис. 15.1, а), т.е. ГВЧ1 и ГВЧ2 работают в разные полупериоды промышленной частоты. Постоянное наличие высокочастотного сигнала на входах приемников высокой частоты ПВЧ1 и ПВЧ2 блокирует сраба­тывание защит линии.

Рис. 15.1. Токи (i₁, i₂) и периоды работы генераторов высокой частоты (ГВЧ1 и ГВЧ2) по концам защищаемой линии при внешнем КЗ (а) и при КЗ на линии (б)

На поврежденной линии ГВЧ1 и ГВЧ2 работают в один и тот же период промышленной частоты, т.е. высокочастотный сигнал на входах ПВЧ1 и ПВЧ2 прерывистый (рис. 15.1, б), что приводит к срабатыванию защит линии, и поврежденная линия без выдержки времени отключается с обеих сторон.

В дифференциально-фазной защите пусковые органы принципиально не требуются, так как в рабочем режиме защиты линии оказываются заблокированными. Однако в случае сбоя в работе одного из ГВЧ защиты сработают и отключат неповрежденную линию. Поэтому дифференциально-фазная защита имеет два пусковых органа тока, один из которых, с меньшим током срабатывания, запускает ГВЧ, а второй, с бóльшим током срабатывания, разрешает защите срабатывать при наличии прерывистого высокочастотного сигнала в канале связи.

Дифференциально-фазная защита широко используется для защиты линий 110 и 220 кВ.

5