Дифференциальная защита: принцип работы и виды

Дифференциальная защита – подтип релейной защиты. Характеризуется быстротой действия и абсолютной селективностью. Область применения – безопасная работа двигателей, ЛЭП, сборных шин, трансформаторов и генераторов, автотрансформаторов, предохранение генераторов от многофазных коротких замыканий (КЗ).

Дифференциальная защита двигателя

Дифференциальные устройства защищают электроаппараты от межфазных замыканий. В системах с глухозаземленной нейтралью дифзащита предназначена для предотвращения коротких замыканий.

Выделяют два вида дифзащиты: продольную и поперечную.

Продольная дифзащита

Преимущества:

• абсолютная селективность;
• можно применять без ограничений с другими видами;
• безотказна для ЛЭП небольшой длины;
• без задержки во времени отключает аварийный участок сети.

Недостатки:

• при проектировании дифзащиты для длинных ЛЭП значительно снижается эффективность ее действия. Для корректировки работы необходимы устройства контроля отказа вспомогательных проводов;
• возникает ток небаланса;
• высокая стоимость в случае применения реле с торможением;
• сложность реализации – необходимо сооружение линии связи между участками проводников, к которым производится подключение трансформатора тока.

Области действия:

• защита автотрансформатора и трансформатора;
• защита на ПС одиночного трансформатора или автотрансформатора с установленной мощностью более 6300 кВА;
• дифзащита параллельно работающих трансформаторов мощностью более 1000 кВА, если токовая отсечка выполняет корректно свою функцию.

Дифференциальная защита трансформатора

Принцип действия

Принцип работы аппаратов дифзащиты построен на сравнении значения токовых нагрузок, протекающих через защитные устройства на участках линии. Для замеров силы тока целесообразно применение трансформатора. Цепи двух ТТ соединяют с реле так, чтобы на него не действовала разница значений тока между обмотками трансформаторов. В реальных условиях эксплуатации всегда присутствует электроток небаланса.

Возникновение тока небаланса

• Возникновение намагничивающихся токов в обмотках трансформатора.  В некоторых случаях, например, от действия переключения из режима ХХ на полную нагрузку, его значение может превышать номинальное. В связи с этим, ток уставки реле выбирают большим, чем максимальное значение намагничивающегося тока.
• ТТ не всегда абсолютно точно совпадают друг с другом по техническим характеристикам. Чтобы избежать негативных последствий, принцип испытаний трансформаторов на производстве заключается в подборе подходящих пар, которые поставляются в комплектах.
• Соединение обмоток. При разных соединениях (звезда-треугольник, например) также возникают токи небаланса. Уравнивание значений электротока невозможно решить путем подбора витков токового трансформатора. Сдвиг угла компенсируется соединением обмоток: треугольник для звезды и, наоборот.

Поперечная дифзащита

Применяется для предохранения нескольких линий электропередачи от КЗ, подключенных под одну систему шин.

Принцип работы

Поперечная дифзащита включает токовое реле также, как и продольная – от разности токов защищаемых линий.

Токовое реле сравнивает значения нагрузок каждого трансформатора. В отличие от продольной, для поперечной защиты ТТ могут быть установлены на разных ЛЭП, отходящих от единого источника электропитания. Пример – несколько фидеров, действующих от одного автоматического выключателя. Принцип действия защиты дифференциальной не позволяет ей срабатывать от действия внешних КЗ. Поперечная защита срабатывает, когда разница значений не будет равна нулю, т.е. возникает аварийная ситуация на одной из линий.

Схема срабатывания защиты

Токовые цепи подключаются на разность значений двух ЛЭП. Если происходит короткое замыкание на одной из линий, токовая нагрузка одного трансформатора (подключенном к ЛЭП с КЗ) становится больше, чем другого. Реле реагирует на разность значений и срабатывает отключение аварийной ЛЭП. Устройство защиты рассчитано на выбор и отключение только той линии, которая повреждена.

Таким образом, если срабатывает поперечная дифференциальная защита, обслуживающий персонал самостоятельно определяет поврежденный участок линии, отключает его, выводит реле из действия и включает работоспособные участки ЛЭП.

Преимущества:

• 100% селективность;
• не влияет на работу других реле;
• не имеет временного промежутка отключения – срабатывает мгновенно.

Недостатки:

• необходим принудительный повторный запуск после срабатывания отключения;
• не может применяться как основная единственная защита;
• необходимо применение дополнительных мероприятий для мониторинга мертвых зон;
• не защищает концы линии и ошиновку на ПС – имеет несколько мертвых зон;
• самостоятельно не определяет место действия КЗ;
• не применяется для ЛЭП с автоматическими выключателями, где требуется отключение лишь поврежденных участков ЛЭП;
• необходимость полного выведения из действия одной линии.

Область применения

• Устанавливается на линиях 35-220 кВ.
• Поперечная дифференциальная защита используется на параллельных ЛЭП с двумя источниками напряжения как резервная, на линиях с односторонним питанием – как основная. При двухстороннем питании ТТ устанавливаются с обоих концов линии, при одностороннем – лишь на источнике питания. Имеет место на ЛЭП с одинаковым сопротивлением (провода и кабели одного сечения, одинаковая нагрузка).

Если мертвая зона на ЛЭП составляет не более 10%, то такую ЛЭП можно считать эффективно защищенной.

Дифзащита в сетях 0,23-0,4 кВ

Для повышения эффективности работы ЛЭП применяются устройства, принцип действия которых основан на магнитно-электрических реле.

Принцип работы

Дифаппараты (дифференциальные автоматы и устройства защитного отключения), установленные на вводах в жилые и административные здания, при прохождении электротока через них, сравнивают значения входящего и выходящего тока. Если величины, не совпадают, то происходит автоматическое разъединение цепи.

Причины возникновения тока утечки:

• прикосновение живых организмов к оголенным токопроводам;
• пробои в изоляции электропроводки, кабелей бытовых электроприборов.

Если автоматика срабатывает без нагрузки, то такой прибор нельзя считать исправным, или в самом распределительном щите протекают токи утечки. Если заведомо известно, что аппарат исправен, необходимо отключить все автоматы после УЗО. Принцип последовательного их переподключения определяет аварийный участок электроцепи.

Величины отсечки дифзащиты выбирают из стандартного ряда в зависимости от назначения: пожаробезопасность, вводные дифавтоматы, квартирные и фидерные УЗО, УЗО для влажных и детских комнат. УЗО на 10 и 30 мА защищают человека от фибрилляции желудочков.

Реализуется путем установки дифференциальных автоматов и УЗО на вводах в коттеджи, групповых щитках. Принято считать, что наиболее эффективная безопасность – трехуровневая, когда действуют несколько устройств: 100-300, 30 и 10 мА одновременно.

Устройство защитного отключения

Дифференциальные автоматы совмещают в себе функции выключателя и УЗО:

• защищают линии от перегрузки;
• расцепление контактов при наличии токов утечки.

Современная дифференциальная токовая защита способна обеспечить полную безопасность от поражения электричеством.

Поперечная дифзащита генераторов

Принцип действия

Схема включает в себя токовое реле, подключенное к ТТ. Реле устанавливается между нулевыми точками статора, включенными по схеме «звезда». При безаварийной работе разница токов равна нулю. Если происходит витковое замыкание, появляется разница и срабатывает дифференциальная защита. Также выполняет функцию защитного устройства от многофазных КЗ:

• на генераторах с прямым охлаждением устанавливаются токовые отсечки без задержки во времени;
• на устройствах с косвенным охлаждением с дифзащитой совместно устанавливают реле времени.

Защитный аппарат для генератора

Повышение эффективности дифзащиты

• Включение в цепь измерительных токовых реле дополнительных добавочных сопротивлений. Применяется для маломощных генераторов.
• Исключение апериодической величины токовых нагрузок небаланса.
• Отстройка отсечки от переходных токов небаланса. Единственным недостатком метода является снижение быстродействия дифференциальных устройств. Применяется в реле РНТ для повышения надежности работы насыщающегося трансформатора.
• Использование реле с торможением. Способ значительно удорожает систему защитных мероприятий.

Защита трансформаторов. Видео

Видео ниже рассказывает об особенностях дифференциальной защиты трансформаторов.

Дифференциальная защита – важное мероприятие для стабилизации работы электрооборудования и ЛЭП. Современные технологии разработаны с учетом особенностей работы практически каждого электротехнического устройства. Эффективно запроектированная дифзащита позволяет повысить надежность линий и оборудования и снизить стоимость их эксплуатации.