53 Принцип действия продольной дифференциальной защиты

Назначение и виды дифференциальных защит. На линиях, отходящих от шин .электростанций или узловых подстанций энергосистем, часто по условиям устойчивости требуется обеспечить отключение к.з. в пределах всей защищаемой линии без выдержки времени (t = 0). Это требование нельзя выполнить с помощью мгновенных токовых отсечек, так как зона их действия охватывает только часть защищаемой линии. Кроме того, отсечки неприменимы на коротких линиях, где токи к.з. в начале и конце линии не имеют существенного различия. В этих случаях используются защиты, принцип действия которых обеспечивает отключение повреждений без выдержки времени в пределах всей защищаемой линии, в том числе и на линиях малой протяженности.

К защитам такого типа относятся дифференциальные защиты. Они обеспечивают мгновенное отключение к.з. в любой точке защищаемого участка и обладают селективностью при к.з. за пределами защищаемой линии (внешние к.з.).

Дифференциальные защиты подразделяются на продольные и поперечные. Первые служат для защиты как одинарных, так и параллельных линий, вторые - только параллельных линий.

Принцип действия. Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величины и фазы токов в начале и конце защищаемой линии.

Как видно из рис. 10-1, при внешнем к.з. токи I1 и I2 на концах линии А В направлены в одну сторону и равны по величине, а при к.з. на защищаемой линии они направлены в разные стороны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопоставляя величину и фазу токов I₁ и I₂, можно определять, где возникло к.з. - на линии или за ее пределами. Такое сравнение токов по величине и фазе осуществляется в реагирующем органе (реле) дифференциальной защиты.

Для этой цели по концам линии устанавливаются трансформаторы тока ТI и ТII (рис. 10-2) с одинаковым коэффициентом трансформации. Их вторичные обмотки соединяются при помощи соединительного кабеля и подключаются к дифференциальному реле таким образом, чтобы при внешних к.з. ток в реле был равен разности токов в начале и конце линии, т. е. I₁ – I₂, а при к.з. на линии — их сумме I₁ + I₂.

Имеются две принципиально различные схемы дифференциальных защит: с циркулирующими токами и уравновешенными напряжениями.

В схеме с циркулирующими токами (рис. 10-2, а) вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются так, чтобы при внешнем к.з. их э.д.с. были направлены последовательно, а токи в соединительных проводах имели одинаковое направление. Дифференциальное реле Р включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока, образуя цепь для замыкания вторичных токов I_в1 и I_в2.

При к.з. вне защищаемой линии (рис. 10-2, а), а также в нормальном режиме, первичные токи I₁ и I₂ в начале и в rjywt линии равны по величине и направлены в одну сторону. Вторичные токи I_в1 и I_в2 каждого трансформатора тока замыкаются через обмотку реле Р и проходят по ней в противоположных направлениях, навстречу друг к другу. Поэтому ток в реле равен геометрической разности вторичных токов, т. е.

.

или выражая вторичные токи через первичные, получаем:

.

При равенстве коэффициентов трансформации kтт1 = kтт2 = kтт и отсутствии погрешностей в работе трансформаторов тока вторичные токи, поступающие в обмотку реле, балансируются, ток Iр = 0 и реле не работает. Аналогичное положение имеет место и при качаниях. Таким образом, по принципу действия дифференциальная защита не реагирует на внешние к.з,, токи нагрузки и качания, поэтому она осуществляется без выдержки времени и не должна отстраиваться от токов нагрузки и качания. В действительности трансформаторы тока работают с погрешностью (рис. 10-2, б), вследствие этого вторичные токи имеют некоторое различие по величине и по фазе, а их разность не равна нулю. В реле появляется ток небаланса

.

Для исключения неселективной работы защиты при внешних к.з. ток срабатывания дифференциальной защиты должен превышать максимальное значение тока небаланса:

.

При к.з. на защищаемой линии (рис. 10-2, в) первичные токи I₁ и I₂ направлены от щин подстанции в линию (к месту к.з.). При этом направление первичного тока на одном из концов липни, по сравнению с его направлением при внешнем к.з., меняется на противоположное (ток I₂ на рис. 10-2, в). Соответственно меняется направление вторичного тока I_в2 в трансформаторе тока на этом конце линии. Из показанного на рис. 10-2, а токораспределения видно, что вторичные токи I_в1 и I_в2 в этом случае проходят в обмотке реле Р в одном направлении, поэтому ток в реле равен их сумме

, (2)

Где I_кз – полный ток кз, равный сумме токов I₁ и I₂, притекающих к месту повреждения (к точке К).

Под влиянием этого тока защита срабатывает. Выражение (2) показывает, что дифференциальная защита реагирует на полный ток к.з. I_к.з. в месте повреждения, и поэтому в сети с двусторонним питанием она обладает большей чувствительностью, чем токовые защиты, реагирующие на ток, проходящий только по одному концу линии. Зона действия защиты охватывает участок линии, расположенный между трансформаторами тока Т1 и Т2.

В схеме с уравновешенным напряжением (рис. 10-3, а) вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются так, чтобы в условиях внешнего к.з. их э.д.с, были направлены встречно, а реле включается последовательно в цепь соединительных проводов.

При внешних к.з., а также при прохождении токов нагрузки вторичные э.д.с. трансформаторов тока равны и совпадают по фазе , поскольку I₁ = I₂, а k_тт1= k_тт2. Отсюда следует, что

,

где z – полное сопротивление контура «трансформаторы тока - реле».

Погрешности трансформаторов тока нарушают баланс вторичных э.д.с. и вызывают появление э.д.с. небаланса (E_нб = Е_в1 - Е_в2). Под действием E_нб в реле возникает ток небаланса I_нб. Так же как и d схеме с циркулирующими токами, для обеспечения селективности защиты при внешних к.з. ток срабатывания .реле должен превышать ток небаланса.

При к.з. в зоне защиты (рис. 10-3, б) вторичные э.д.с. Е_в1 и Е_в2 складываются и вызывают в реле ток I_р, под действием которого оно срабатывает.

В схемах дифференциальных защит, находят применение оба принципа. Ниже рассмотрены дифференциальные защиты, основанных на принципе циркуляции токов, так как защиты этого типа получили распространение в России.