5.8. Дифференциальные защиты.

Очень часто по соображениям сохранения устойчивости, снижения возможных последствий КЗ требуется отключать оборудование без выдержки времени при КЗ в любой точке данного электрооборудования.

МТЗ и токовые отсечки отключение КЗ без выдержки времени не выполняют, что связано с их принципами действия и особенностями. Одним из видов защит, позволяющих выполнять отключение без выдержки времени при КЗ в любой точке защищаемого элемента являются дифференциальные защиты. Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величин и фаз токов в начале и конце защищаемого элемента (рис. 5.27).

Дифференциальные защиты делятся на продольные и поперечные. В продольных дифзащитах токи сравниваются по концам защищаемого элемента (линии, трансформатора и др.), а в поперечных дифзащитах токи сравниваются в параллельных ветвях защищаемого элемента (параллельных линиях, параллельных ветвях обмотки статора генератора).

На рис. 5.27 показано распределение токов по концам защищаемого элемента при КЗ на линии (К2) и вне линии (К1). При КЗ в точке К1 токи и равны по величине и направлены в одну сторону. При КЗ в точке К2 ток меняет направление и .

Сравнение величин и направлений токов производится в реле, которое подключается к вторичным обмоткам одинаковых трансформаторов тока (ТА), установленных с обеих сторон защищаемого элемента и соединенных между собой проводами. Соединение выполняется таким образом, чтобы при КЗ К1 в реле протекала разность токов и , , а при КЗ K2 (см. рис. 5.28).

Основное распространение в продольных дифференциальных защитах получила схема с циркулирующими токами. Существует также схема с уравновешенными ЭДС, но она не применяется, т.к. для ее работы требуются специальные ТА, которые в нормальном режиме работают в режиме холостого хода.

Рассмотрим подключение реле и ТА в схеме с циркулирующими токами (см. рис. 5.28).

В нормальном режиме и при КЗ К1 (рис. 5.28, а) в реле протекает ток при и условии, что ; , , т.е. реле не работает.

При КЗ в зоне защиты (рис. 5.28, б) и реле работает, отключая защищаемый элемент с обеих сторон без выдержки времени. Продольная дифзащита - абсолютно селективная, она действует при КЗ только на своем участке, следовательно, ее не нужно согласовывать по времени с защитами соседних элементов. Зона защиты охватывает участок сети, расположенный между ТА.

Для того чтобы защита не работала при внешних КЗ, . При определении учитывают следующие условия:

1) . (5.38)

Это первое условие, по которому рассчитывается дифзащит. Ток определяется по максимальному току, протекающему через защиту при внешнем КЗ, когда трехфазное КЗ возникает в конце линии;

2) . (5.39)

Это условие отстройки от броска тока намагничивания при включении (трансформаторов) и отстройки от обрыва соединительных проводов защиты.

В расчете из условий 1 и 2 выбирают наибольшее значение и его принимают за окончательное значение .

От величины зависит чувствительность защиты. Наличие обусловлено:

1. неидентичностью ТА;

2. резко возрастает в первый момент КЗ, когда состоит из периодической ( ) и апериодической ( ) составляющих. Ток быстро затухает и не отражает истинной картины КЗ. Но влияет на увеличение ТА, что увеличивает погрешность ТА;

3. на увеличение оказывает влияние остаточное намагничивание сердечников ТА.

Для снижения необходимо:

1. подбирать ТА с идентичными характеристиками намагничивания;

2. ТА должны иметь зону насыщения при большом значении . Трансформаторы тока класса D, рекомендуемые для применения в дифференциальных защитах, удовлетворяют этому требованию;

3. для выравнивания и необходимо выравнивать нагрузки вторичных обмоток ТА , а также уменьшать величину либо ограничивать вторичную ЭДС ТА путем увеличения ;

4. производить отстройку от , возникающего в первый момент КЗ (при t  0).

Поперечные дифференциальные защиты. Принцип действия поперечных дифзащит основан на сравнении величин токов в одноименных фазах двух параллельных линий или в двух параллельных ветвях статорной обмотки генератора.

ТА установлены в одноименных фазах двух ЛЭП, причем , . Реле включено на разность токов .

В нормальном режиме и при внешних КЗ K1 для идеальных ТА (рис. 5.29) . Данное равенство справедливо, если и токовая погрешность ТА .

При КЗ на одной из линий (K2) (рис. 5.29) ток , и защита подействует на отключение без выдержки времени. Поскольку в реальных условиях существует некоторая разница в и и , в нормальных режимах и при внешних КЗ протекает ток, который называют током небаланса :

, (5.40)

где обусловлен погрешностью ТА;

- обусловлен неравенством сопротивлений линий.

Первое условие определения :

(5.41)

Второе условие : , (5.42)

где - суммарный ток нагрузки параллельных линий. Это условие предотвращает срабатывание защиты при отключении ЛЭП с противоположного конца.

Третье условие: (5.43)

Является условием недействия защиты при отключении одной из ЛЭП и внешнем КЗ.

Схема поперечной дифзащиты для двух параллельных ЛЭП с общим выключателем для обеих ЛЭП представлена на рис. 5.30.

В схеме используются два токовых реле КА1 и КА2, включенные на токи фаз А и С. Контакты разъединителей QS1 и QS2 выводят дифференциальную защиту из действия, если одна из параллельных ЛЭП отключена. Если обе ЛЭП включены, то QS1 и QS2 замкнуты, при КЗ на одной из линий работают КА1 и КА2 и через реле KL без выдержки времени отключается выключатель Q1. При отключении одной из ЛЭП дифзащита выводится из действия (разомкнуты QS1 и QS2) и КЗ на линии отключаются с помощью МТЗ (рис. 5.30).

Существенным недостатком поперечной дифзащиты является мертвая зона, которая находится у шин противоположной подстанции. Наличие мертвой зоны объясняется тем, что при КЗ на шинах (точка K3 на рис. 5.29) вблизи шин подстанции 2 токи по линиям мало отличаются друг от друга. Ток реле , и возможны случаи, когда , а это приводит к недействию защиты в пределах защищаемых линий.

Поперечная дифзащита может быть установлена на двух параллельных линиях с двухсторонним питанием. Тогда поперечная дифзащита выполняется направленной.

Направленная дифзащита отключает ту из параллельных ЛЭП, на которой произошло КЗ.

В случае двухстороннего питания поперечная дифзащита устанавливается с обеих сторон защищаемых линий.

Наличие «мертвых зон» поперечных дифзащит приводит к так называемому «каскадному» действию защиты. Поясним это подробнее.

«Мертвая зона» защиты З1 (рис. 5.31) расположена вблизи шин подстанции В, а - вблизи подстанции А. При возникновении КЗ К1 в «мертвой зоне» не работает З1 и не отключает Q1, защита З2 действует и отключается выключатель Q3. В этом случае весь ток от двух систем С1 и С2 течет в точку К1 через защиту З1, величина его возрастает, и, если , то защита З1 сработает и отключит Q1. Такое действие защиты называют каскадным. Время отключения КЗ в этом случае возрастает. Для сокращения зоны каскадного действия ( ) необходимо сокращать «мертвые зоны» защит, что достигается снижением .

Поперечные дифференциальные защиты на ЛЭП не получили широкого распространения из-за следующих недостатков: наличие «мертвой зоны» и зоны каскадного действия, относительно невысокое значение коэффициента чувствительности, поскольку рассчитывается по условию отстройки от . Кроме того, поперечная дифзащита может быть установлена только на параллельных линиях одинаковой длины, имеющих одинаковое сопротивление.

Продольные дифзащиты применяются в качестве основных защит трансформаторов, генераторов, системы сборных шин. На ЛЭП их применение ограничено наличием соединительных проводов, подключаемых к вторичным обмоткам ТА. При большой длине ЛЭП соединительные провода имеют большую длину, что значительно увеличивает вторичную нагрузку ТА и их погрешности, поэтому продольные дифференциальные защиты можно устанавливать на ЛЭП, длина которых не превышает 10 км.