Дифференциальные защиты

Для воздушных и кабельных линий в сетях напряжением 3-10 кВ с изолированной нейтралью в соответствии с требованими ПЭУ следует предусматривать установку продольной дифференциальной токовой защиты (для коротких

линий) в том случае, если токовая ступенчатая защита не обеспечивает требуемых быстродействия и селективности.

На коротких одиночных линиях 20 и 35 кВ с двусторонним питанием, когда это требуется по условиям быстродействия, допускается применение продольной дифференциальной защиты в качестве основной.

Рис. 4.5. Структурная схема продольной дифзащиты линии

 

Для воздушных линий в сетях напряжением 110-500 кВ с эффективно заземленной нейтралью в соответствии с ПУЭ при необходимости прокладки специального кабеля использование продольной дифференциальной защиты должно быть обосновано технико-экономическим расчетом.

Все вышеизложенное относится к защитам с непосредственным сравнением токов. Это может быть осуществлено путем соединения цепей трансформаторов токов, например, через телефонный кабель.

На рис. 4.5 в качестве примера приводится структурная схема продольной дифференциальной защиты линии типа 7 SD 60 с соединительными проводами. Защита состоит из двух полукомплектов S 1 и S 2, расположенных по концам защищаемой линии W.

В схеме используются суммирующие промежуточные трансформаторы СТ1, СТ2 при трехфазном исполнении защиты. Комплекты соединены двумя проводами, каждый из которых имеет сопротивление R _п/2.

В защите вычисляется дифференциальный ток , как абсолютное значение суммы векторов токов левого и правого плеч и . Тормозной ток вычисляется как сумма абсолютных значений этих же векторов .

Тем самым реализуется алгоритм с торможением сравниваемыми токами.

Контроль исправности соединительных проводов и обмен отключающими сигналами между полукомплектами S 1 и S 2 обеспечиваются наложением на схему сравнения первичных токов высокочастотной последовательности импульсов. Кодирования последовательность импульсов генерируется одним из полукомплектов («ведущим») и принимается обоими полукомплектами. Трансформаторы ВЧ1 и ВЧ2 условно отображают гальваническое разделение цепей при передаче и приеме ВЧ-импульсов частоты 2000 Гц, форма которых изменяется в зависимости от передаваемой информации.

Дифзащиты с непосредственным сравнением токов по проводам ограничиваются длиной защищаемой линии (15¸20 км) и наличием помех.

Рис. 4.6 демонстрирует два полукомплекта дифзащиты с обменом цифровыми сигналами, передаваемыми по волоконно-оптической линии связи (ВО) или по коммуникационной сети (КС). Защита содержит два полукомплекта S1 и S2 и коммуникационные преобразователи (КП).

Дифференциальные продольные защиты на основе обмена цифровыми сигналами могут быть дифференциально-фазными, но такие защиты применяются на линиях высоких классов напряжения и в настоящем издании не рассматриваются.

 

Рис. 4.6. Структурная схема продольной дифзащиты линии

 

На параллельных линиях в сетях напряжением 3-35 кВ в соответствии с требованиями ПУЭ могут применяться ступенчатые защиты тока или ступенчатые защиты тока и напряжения такие же как и на одиночных линиях, а в сети 35 кВ – дистанционные.

Для ускорения отключения поврежденной линии на линиях с двухсторонним питанием может быть применена дополнительная защита с контролем направления мощности в параллельной линии. Эта защита может быть выполнена в виде отдельной поперечной токовой направленной защиты или только в виде цепи ускорения установленных защит (МТЗ, дистанционной) с контролем направления мощности.

На приемном конце двух параллельных линий с односторонним питанием, как правило, должна быть использована поперечная дифференциальная направленная защита.

Если защита, выполненная по вышеприведенным условиям, не удовлетворяет требованиям быстродействия, а защита с контролем направления мощности в параллельной линии неприменима или нежелательна, в качестве основной защиты на параллельных линиях с двусторонним питанием и на питающем конце двух параллельных линий с односторонним питанием следует применять поперечную дифференциальную направленную защиту.

Для режима работы одной из параллельных линий и отключенной второй линии на работающей линии должны быть предусмотрены ступенчатые токовые защиты.

На коротких параллельных линиях в отдельных случаях допускается применение продольной дифференциальной защиты.

Рассмотрим вариант установки поперечных дифференциальных направленных защит на обоих концах параллельных линий с односторонним питанием. Питание подается на подстанцию A, электрическая энергия передается на приемную подстанцию B (рис. 4.7). На подстанциях A и B установлены защиты, показанные в виде блоков с обозначениями KA, KW, где KA – реле тока, KW – реле направления мощности. Эти обозначения условные и просто обозначают то, что защита токовая направленная. При дальнейшем изложении будем называть эти поперечные дифференциальные токовые защиты просто защитами A и B.

При КЗ в точке K 1 в середине линии W 1 (рис. 4.7, а) ток КЗ I _I по линии W 1 в три раза больше тока КЗ I _II, текущего по линии W 2. Со стороны шин подстанции B к точке K 3 K 1 течет ток , только этот ток находится в противофазе с током I _II.

Рис. 4.7. Поперечная дифференциальная направленная защита параллельных линий

 

Защита А реагирует на разность токов I _I и I _II, срабатывает и дает команду на отключение выключателя Q 1. Защита В реагирует на разность фаз токов I' _I и I _II, срабатывает и дает команду на отключение выключателя Q 3. Таким образом, поврежденная линия W 1 будет отключена с обеих сторон, а линия W 2 остается в работе.

На рис. 4.7, б показан случай КЗ в точке K 2 на середине линии W II. Защиты А и В срабатывают и отключают выключатели Q 2 и Q 4 линии W II.

Фазы токов на рис. 4.7, а и б показаны стрелками (направления токов).

Особенности поперечной дифференциальной направленной защиты параллельных линий легко обнаружить, детально рассмотрев поведение защит при различных точках КЗ.

Если КЗ случится на шинах приемной подстанции В защиты А и В не срабатывают, т. к. токи I _I и I _II по линиям W I и W II одинаковы. На самом деле за счет производственных допусков на сечения жил параллельных линий, сопротивления линий W I и W II оказываются неодинаковыми даже при одинаковых сечениях. Значит и токи КЗ будут отличаться. Вторичные токи трансформаторов тока также будут отличаться за счет их погрешностей по току и фазе.

Отсюда следует, что ток срабатывания защиты А и защиты В должен быть отстроен от тока небаланса при КЗ на шинах подстанции В.

Если мысленно перемещать точку K 1 (K 2) в сторону подстанции А, то она обязательно попадет в такое место на линии, при КЗ в котором ток КЗ со стороны шин подстанции В станет равен току срабатывания защиты В. При дальнейшем перемещении точки K 1 вверх ток КЗ будет меньше тока срабатывания защиты В. Значит эта точка есть граница мертвой зоны защиты В.

Аналогичная ситуация возникает при движении точки КЗ вниз – попадем в мертвую зону защиты А.

Следовательно, защита А имеет мертвую зону со стороны шин подстанции В, а защита В – со стороны шин подстанции А. При обеих установленных защитах мертвые зоны защит превращаются в зоны каскадного действия, т. к. действие одной из защит меняет картину растекания токов КЗ и вызывает действие другой защиты.

Но, т. к. защита А и В, являясь дифференциальными, обладают свойством абсолютной селективности, то они работают без выдержки времени.

Отсюда следует, что КЗ в любой точке линии W I, W II, отключается практически мгновенно.

Защита А сравнивает токи по амплитуде, защита В – по фазе.

Отключение любой из параллельных линий по любой причине лишает оставшуюся в работе линию вообще какой-либо защиты, поэтому в дополнение к защитам А и В следует предусматривать, например, МТЗ на выключателях Q 1 и Q 2. При этом защиты А и В оказываются бесполезными, поэтому обычно цепи питания этих защит включаются через последовательно соединенные блок-контакты выключателей: защита А – через блок-контакты выключателей Q 1 и Q 2, защита В – через блок-контакты выключателей Q 3 и Q 4.

И последняя особенность состоит в том, что МТЗ1 и МТЗ2 на выключателях Q 1 и Q 2, имеющие одинаковые выдержки времени, отстроения от МТЗ линии, отходящей от шин подстанции В, при КЗ на шинах подстанции В, за счет погрешности по времени будут срабатывать неодинаково. Это вызовет ложную работу защиты В. Для предотвращения этого в защиту В вводится задержка, перекрывающая разновременность защит МТЗ1 и МТЗ2.

Расчет поперечных дифференциальных направленных защит параллельных линий подробно описан в [4], там же приводится числовой пример расчета.

Параллельные линии под один выключатель могут защищаться поперечной ненаправленной защитой.