Диференційний захист: принцип дії, пристрій, схема. Диференційний захист трансформатора. Поздовжня диференційний захист ліній

У статті ви дізнаєтеся про те, що таке диференційний захист, як вона працює, якими позитивними якостями володіє. Також буде розказано про те, які є недоліки у дифзахисту ліній електропередач. Також ви ознайомитеся з практичними схемами захисту пристроїв і ліній електропередач. Диференціальний тип захисту на даний момент вважається найпоширенішим і швидкодіючим. Він здатний забезпечити систему від міжфазних замикань. А в тих системах, в яких використовується глухозаземленная нейтраль, він може без праці запобігти виникненню однофазних КЗ. Диференціальний тип захисту застосовується для того, щоб убезпечити лінії електропередач, електродвигуни підвищеної потужності, трансформатори, генератори.
Всього є два типи дифзахисту:

З напругами, врівноважують один одного.

З циркулюючим струмом.

У цій статті будуть розглянуті обидва цих типу дифзахисту, щоб дізнатися якомога більше про них.

Дифзащита з використанням циркулюючих струмів

Принцип полягає в тому, що порівнюються струми. А якщо бути точніше, то відбувається порівняння параметрів на початку елемента, захист якого здійснюється, а також в кінці. Використовується дана схема при здійсненні поздовжнього типу і поперечного. Перші використовуються для забезпечення безпеки одиночної лінії електропередачі, електромоторів, трансформаторів, генераторів. Поздовжня диференційний захист ліній дуже поширена в сучасній електроенергетиці. Другий тип дифзахисту застосовується при використанні ліній електропередач, що функціонують паралельно.

Поздовжня диференційний захист ліній і пристроїв

Щоб здійснити захист поздовжнього типу, необхідно з обох кінців встановити однакові трансформатори струму. Їх вторинні обмотки повинні бути з'єднані один з одним послідовно за допомогою додаткових електропроводів, якими необхідно підключати струмові реле. Причому ці струмові реле необхідно з'єднувати з вторинними обмотками паралельно. При нормальних умовах, а також при наявності зовнішнього короткого замикання в обох первинних обмотках трансформаторів буде протікати однаковий струм, який виявиться рівним як по фазі, так і за величиною. По обмотці електромагнітного реле струму буде протікати трохи менше його значення. Обчислити його можна за простою формулою: I r =I 1 -I 2 . Припустимо, що струмові залежності трансформаторів будуть повністю збігатися. Отже, вищезазначена різниця значень струмів близький або дорівнює нулю. Іншими словами, I r =0 а захист в цей час не працює. У допоміжній електропроводку, яка з'єднує вторинні обмотки трансформаторів, відбувається циркуляція струму.

Схема повздовжнього типу диференціальної захисту

Така схема диференційного захисту дозволяє отримати за величиною рівні значення струмів, які протікають по вторинному ланцюзі трансформаторів. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що цю схему захисту назвали так за принципу дії. При цьому в зону захисту потрапляє ту ділянку, який знаходиться безпосередньо між струмовими трансформаторами. У тому випадку, якщо є коротке замикання, в зоні захисту при харчуванні з одного боку від трансформатора по обмотці електромагнітного реле протікає струм I 1 . Подається він у вторинну ланцюг трансформатора, який встановлений на іншій стороні лінії. Необхідно звернути увагу на те, що у вторинній обмотці дуже великий опір. Отже, струм практично не протікає через неї. За таким принципом працює диференційний захист шин, генераторів, трансформаторів. У тому випадку, коли I 1 виявиться рівним або більшим, ніж I r , починає спрацьовувати захист, виробляючи розмикання контактної групи вимикачів.

Коротке замикання і захист ланцюга

У разі короткого замикання всередині захищеної зони, з обох сторін через електромагнітне реле протікає струм, рівний сумі струмів кожної обмотки. У цьому випадку також включається захист, розмикаючи контакти вимикачів. Всі вищевикладені приклади припускають, що всі технічні параметри трансформаторів повністю однакові. Отже, I r =0. Але це ідеальні умови, в реальності з-за невеликих відмінностей при виконанні магнітних систем первинних струмів, електроприлади істотно відрізняються один від одного, навіть однотипні. Якщо є відмінності в характеристиках струмових трансформаторів (коли реалізується диференціально-фазна захист конструкції), то величини струмів вторинних ланцюгів будуть відрізнятися, навіть якщо первинні абсолютно однакові. Тепер потрібно розглянути, як працює схема диференційного захисту при зовнішньому короткому замиканні на лінії електропередач.

Зовнішнє коротке замикання

При наявності зовнішнього короткого замикання через електромагнітне реле дифзахисту буде проходити струм небалансу. Його значення залежить від того, який струм проходить по первинній ланцюга трансформатора. У режимі нормальної навантаження його значення невелике, але при наявності зовнішнього КЗ він починає збільшуватися. Його значення залежить також від часу після початку КЗ. Причому максимального значення він має досягти в перші кілька періодів після початку замикання. Саме в цей час за первинним ланцюгах трансформаторів протікає весь I КЗ.
Варто також відзначити, що спочатку I КЗ складається з двох типів струму – постійного і змінного. Їх ще називають апериодическими і періодичними складовими. Пристрій диференціальної захисту таке, що при цьому наявність в струмі апериодической складової завжди повинно викликати надмірне насичення магнітної системи трансформатора. Отже, різниця потенціалів небалансу різко збільшується. Коли струм короткого замикання починає зменшуватися, знижується і значення небалансу системи. За таким принципом здійснюється диференційний захист трансформатора.

Чутливість захисних конструкцій

Всі типи дифзахисту швидкодіючі. І вони не працюють при наявності зовнішніх КЗ, тому необхідно вибирати електромагнітні реле, враховуючи максимально можливий струм небалансу в системі при наявності зовнішнього короткого замикання. Варто звернути увагу на те, що у захисту такого типу виходить вкрай низька чутливість. Щоб підвищити її, необхідно дотримати безліч умов. По-перше, потрібно застосовувати трансформатори струму, у яких не відбувається насичення магнітопроводів в момент, коли по первинному ланцюзі протікає струм (незалежно від його значення). По-друге, бажано використовувати електроприлади быстронасыщающегося типу. Їх потрібно підключати до вторинних обмоток елементів, захист яких виробляється. Електромагнітне реле підключається до быстронасыщающемуся трансформатора (диференціальна струмовий захист стає максимально надійною) паралельно його вторинній обмотці. Саме так працює диференційний захист генератора або трансформатора.

Збільшення чутливості

Припустимо, відбулося зовнішнє КЗ. При цьому за первинним захисних ланцюгів трансформаторів протікає певний струм, що складається з апериодической і періодичної складових. Такі ж «компоненти» присутні в струмі небалансу, який протікає по первинній обмотці быстронасыщающегося трансформатора. При цьому апериодическая складова струму значно насичує сердечник. Отже, трансформація струму при цьому у вторинну ланцюг не відбувається. При загасання апериодической складової відбувається значне зменшення насичення магнітопроводу, і поступово у вторинній ланцюга починає з'являтися деяке значення струму. Але максимальний рівень струму небалансу виявиться набагато меншим, ніж у випадку відсутності быстронасыщающегося трансформатора. Отже, збільшити чутливість можна шляхом установки значення струму захисту менше або рівним максимальному значенню різниці потенціалів небалансу.

Позитивні якості диференціальної захисту

Під час перших періодів магнітопровід насичується дуже сильно, трансформація практично не відбувається. Але після того як загасне апериодическая складова, періодична частина починає трансформуватися у вторинної ланцюга. Варто звернути увагу на те, що у неї дуже велике значення. Отже, електромагнітне реле спрацьовує і робить відключення захищається ланцюга. Дуже низький рівень трансформації перші приблизно півтора періоду часу уповільнює дію ланцюга захисту. Але це не грає великої ролі при побудові практичних схем захисту електричних ланцюгів. Диференційний захист трансформатора не спрацьовує у випадках, якщо є пошкодження електричної ланцюга поза зоною захисту. Тому тимчасова витримка і селективність не потрібно. Час спрацьовування захисту коливається в інтервалі від 005 до 01 секунди. Це величезна перевага такого типу дифзахисту. Але є ще одна перевага — дуже висока ступінь чутливості, особливо при використанні быстронасыщающегося трансформатора. Серед більш дрібних переваг варто відзначити такі, як простота і дуже висока надійність.

Негативні властивості

Але як поздовжнє, так і поперечна диференційний захист має і недоліки. Наприклад, вона не здатна захистити електричний ланцюг при впливі коротких замикань ззовні. Також вона не здатна розімкнути електричний ланцюг при впливі сильної перевантаження. На жаль, захист може спрацювати при пошкодженні допоміжної електроланцюга, до якої проведено підключення вторинної обмотки. Але всі переваги дифзахисту з циркулюючим струмом перебивають ці дрібні недоліки. Але вони здатні захистити лінії електропередач дуже маленькою протяжності, не більше кілометра. Вони дуже часто використовуються при реалізації захисту проводів, за допомогою яких живляться різноманітні пристрої, необхідні для функціонування електричних станцій, генераторів. У тому випадку, якщо довжина електролінії дуже велика, наприклад складає кілька десятків кілометрів, захист по даній схемі виконати дуже складно, так як необхідно використовувати дроти з дуже великим перетином для з'єднання електромагнітних реле і вторинної обмотки трансформаторів. У тому випадку, якщо використовувати стандартні дроти, то навантаження на трансформатори струму виявиться надто великий, так само як і струм небалансу. А ось що стосується чутливості, то вона виявляється вкрай низькою.

Конструкції реле захисту і область застосування схем

В електролініях дуже великої протяжності використовується схема, в якій знаходиться захисне реле, що мають особливу конструкцію. З його допомогою можна забезпечити нормальний рівень чутливості, а з'єднувальні дроти застосувати стандартні. Поперечна дифзащита спрацьовує за допомогою порівняння струму в двох лініях по фазах і величин. Дифзащита швидкодіюча застосовується в лініях електропередач, в яких протікає напруга в діапазоні 3-35 тис. вольт. При цьому забезпечується надійний захист від міжфазної КЗ. Дифзащита виконується як двофазна з причини того, що електромережу з вищезазначеними робочими напругами не заземлена нейтралями. Або ж нейтраль з'єднана з заземленням за допомогою дугогасящей котушки.

Допоміжні проводу в конструкції захисних ланцюгів

Трансформатори струму знаходяться у відносній близькості один до одного. Отже, допоміжні дроти мають досить малу довжину. При використанні проводів маленького діаметру на трансформатори буде впливати відносно низька навантаження. Що стосується струму небалансу, то він також невеликий. А от ступінь чутливості виявляється досить високою. У разі відключення якої-небудь лінії дифзащита стає токовий, тимчасової витримки і селективності немає. Щоб виключити помилкові спрацьовування, блок-контакти ліній роз'єднують ланцюг.

Поперечно спрямована дифзащита ланцюгів

Поперечно спрямована захист широко використовується при розробці систем ліній, що функціонують паралельно. З обох сторін лінії встановлюються вимикачі. Суть в тому, що такі конструкції лінії дуже складно захистити за допомогою простих схем. Причина – неможливо досягти нормального рівня селективності. Щоб поліпшити селективність, необхідно ретельно підбирати витримку часу. Але в разі використання поперечно спрямованої дифзахисту витримка часу не потрібна, селективність досить висока. У неї є основні органи:

Напрямок потужності. Найчастіше застосовуються реле напрямку потужності з двостороннім дією. Іноді використовують пару реле диференціальної захисту з одностороннім дією, які працюють при різних напрямках потужності.

Пусковий – як правило, в його ролі використовують швидкодіючі реле з максимально можливим струмом.

Конструкція системи така, що на лініях проводиться установка трансформаторів струму з вторинними обмотками, з'єднаними в схему з циркулюючим струмом. А ось всі струмові обмотки включаються послідовно, після чого їх з'єднують за допомогою додаткових проводів до трансформаторів струму. Щоб працювала диференціально-фазна захист, до реле підводиться напруга за допомогою збірних шин установок. Саме на них виробляється монтаж всього комплекту. Якщо подивитися на схему включення вторинних кіл трансформаторів і захисного реле, то можна зробити висновок про те, чому її називають «спрямованої вісімкою». Вся система виконана двома комплектами. На кожному кінці лінії знаходиться один комплект, завдяки якому забезпечується диференціальна струмовий захист лінії електропередач.

Схема з однофазним реле

Напруга на реле захисту підводиться зворотним по фазі того, що потрібно для відключення однієї лінії з ушкодженням. В нормальній роботі (в тому числі при наявності зовнішнього короткого замикання) по обмотках реле проходить лише струм небалансу. Щоб не сталося помилкових відключень, потрібно, щоб пускові реле мали струм спрацьовування більше, ніж струм небалансу. Розглянемо роботу захисту двох ліній. У момент початку короткого замикання в зоні захисту другої лінії протікає деякий струм. Варто звернути увагу на те, що:

Пускове реле спрацьовує.

З боку однієї підстанції реле напрямків потужності розмикає контакти вимикача.

З боку другої підстанції також відбувається відключення лінії за допомогою вимикачів.

В реле напрямку потужності момент обертання негативний, отже, контакти розімкнуті.

В обмотках реле захисту першої лінії змінюється напрямок руху струму (щодо першої лінії) під час короткого замикання. Реле напрямків потужності утримує контактну групу в розімкнутому стані. Вимикачі з боку обох підстанцій розмикаються. Тільки така диференційний захист лінії може нормально функціонувати лише при паралельній роботі обох ліній. У тому випадку, якщо відключається одна з них, порушується принцип роботи дифзахисту. Отже, у подальшому захист призводить до неселективности відключення другої лінії під час зовнішніх коротких замикань. В цьому разі вона стає звичайною спрямованої токовий, причому вона не має тимчасової витримки. Щоб уникнути цього, поперечно спрямовану на захист під час відключення однієї лінії автоматично виводиться за допомогою розриву блок-контактом ланцюга.

Додаткові типи захисту

Струми спрацювання пускових реле повинні бути більше, ніж струм небалансу під час зовнішнього короткого замикання. Щоб уникнути помилкових спрацьовувань при відключенні однієї з ліній і проходження залишилася максимального струму навантаження, необхідно, щоб він був більше різниці потенціалів небалансу. При наявності на лінії дифзахисту поперечно спрямованого типу необхідно передбачити додаткові ступеня. Вони дозволять проводити захист одній лінії при відключенні паралельно працює. Як правило, вони використовуються для захисту від надструмів перевантаження під час зовнішнього короткого замикання (у цьому випадку не відбувається реагування диференціальної захисту). До всього іншого, допзащита є резервною до диференціальної (у тому разі, якщо остання відмовила). Найчастіше застосовуються направлені і ненаправлені струмові захисту, відсічення і т. д. Поперечно спрямована диференційний захист проста по конструкції, дуже надійна і отримала широке застосування в електромережах з напругою від 35 тис. вольт. Ось так і функціонує диференційний захист, принцип дії досить простий, але все одно потрібно знати хоча б основи електротехніки, щоб розібратися у всіх тонкощах.