5. Дифференциальные токовые защиты линий

Часто, по условиям устойчивости требуется обеспечить быстрое отключение к.з. на линии в пределах всей защищаемой зоны. Это требование невозможно выполнить с помощью рассмотренных ранее защит с относительной селективностью (ТО, МТЗ, дистанционных защит). В этих случаях необходимо использовать защиты с абсолютной селективностью, принцип действия которых обеспечивает отключение повреждений без выдержки времени в пределах всей защищаемой линии. К таким защитам относятся дифференциальные токовые защиты, которые обеспечивают практически мгновенное отключение к.з. в любой точке защищаемого участка и не срабатывают (обладают селективностью) при к.з. за пределами защищаемой линии (при внешних к.з.).

Дифференциальные токовые защиты подразделяются на продольные и поперечные.

Последние (поперечные дифференциальные защиты) используются только для защиты параллельных линий.

К защитам с абсолютной селективностью относятся также дифференциально-фазные высокочастотные защиты, которые нашли широкое применение в качестве основных защит линий в сетях напряжением 110-750 кВ.

1. Продольные дифференциальные защиты.

Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемой линии.

Очевидно, что при внешнем к.з. токи по концам защищаемой линии направлены в одну сторону и равны по величине, а при к.з. на линии они направлены в разные стороны и, как правило, не равны по величине (рис. 6‑1). Следовательно, сравнивая величину и фазу (направление) токов по концам линии можно определять, где возникло повреждение – на линии или за её пределами.

Рис.6-1. Токи по концам линии (а) при внешних к.з. и (б) на линии.

Для осуществления продольной дифференциальной защиты по концам защищаемой линии устанавливаются трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются при помощи соединительных проводов и подключаются к дифференциальному реле таким образом, чтобы при внешних к.з. ток в реле был равен разности токов в начале и конце защищаемой линии, а при к.з. на линии – их сумме.

На рис. 6-2 представлена схема продольной дифференциальной защиты линии с циркулирующими токами.

В этой схеме при прохождении по защищаемой линии сквозного тока (нагрузки или внешнего к.з.) по соединительным проводам, соединяющим вторичные обмотки трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 постоянно циркулирует ток, равный по величине вторичному току трансформаторов тока:

. Параллельно вторичным обмоткам ТТ включается обмотка токового реле Т, которое совместно с ТТ1 и ТТ2 образует дифференциальную защиту. Вторичные обмотки ТТ соединяются так, чтобы при внешнем к.з. токи в соединительных проводах имели одинаковое направление, а ток в реле был равен разности вторичных токов трансформаторов тока:

При равенстве коэффициентов трансформации ТТ1 и ТТ2:

Таким образом, при прохождении по защищаемой линии сквозного тока нагрузки или внешнего к.з. ток в реле продольной дифференциальной защиты отсутствует и, следовательно, дифференциальная защита на такие режимы не реагирует. Поэтому защита не требует выдержки времени, т.е. является селективной по своему принципу действия.

Однако, из-за имеющихся погрешностей трансформаторов тока в реле будет проходить ток небаланса:

.

Для того, чтобы дифференциальная защита не срабатывала ложно от токов небаланса, ток срабатывания защиты должен быть больше максимального значения тока небаланса при внешних к.з.

где:
Кн	-	коэффициент надёжности, больший единицы;
Iнб.макс.	-	максимальное значение тока небаланса при внешнем к.з.

При к.з. на защищаемой линии в условиях одностороннего питания (рис. 6-2, б) от подстанции А ток к.з. проходит только через трансформаторы тока ТТ-1.

Вторичный ток , разветвляется по 2-м направлениям: в сторону обмотки релеТ и в сторону вторичной обмотки ТТ2. Однако, поскольку сопротивление вторичной обмотки ТТ находящегося в режиме холостого хода во много раз больше сопротивления обмотки реле, то практически весь ток I₁ замыкается через реле:

т.е. в реле проходит полный ток к.з., дифференциальная защита срабатывает и производит отключение поврежденной линии.

При к.з. на линии с двухсторонним питанием (рис. 6-2, в) первичные токи I_1к.з. и I_{II к.з.} по концам защищаемой линии направлены к месту к.з. от шин подстанций в линию. При этом направление первичного тока на одном из концов линии меняет направление на противоположное по сравнению с режимом внешнего к.з. (рис. 6-2, а). В этом случае ток в обмотке реле Т суммируется:

Таким образом, и в случае двухстороннего питания в реле дифференциальной защиты проходит полный ток к.з., приходящий к месту к.з., следовательно, дифференциальная защита, реагируя на полный ток к.з., обладает необходимой чувствительностью.

Коэффициент чувствительности продольной дифференциальной защиты определяется по формуле:

.

где:
Iк.з. мин	-	минимальное значение тока к.з. при к.з. на защищаемой линии;
Iс.з.	-	ток срабатывания дифференциальной защиты.

Участок, ограниченный трансформаторами тока, называется зоной действия продольной дифференциальной защиты.

Рис. 6-2. Прохождение токов в схеме продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами:

а) при к.з. вне зоны защиты;

б) при к.з. в зоне защиты при одностороннем питании;

в) при к.з. в зоне защиты при двухстороннем питании.

Одна из особенностей продольной дифференциальной защиты линий состоит в том, что для отключения линии с 2-х сторон необходимо включать в токовые цепи защиты два реле с обоих концов защищаемой линии (рис. 6-3).

Рис. 6-3. Принцип выполнения продольной дифференциальной защиты линий (установка 2-х реле по концам защищаемой линии).

Применение 2-х реле приводит к снижению чувствительности защиты, т.к. в каждом реле проходит только часть полного тока к.з. Кроме того, из-за большой протяженности соединительных проводов нагрузка на трансформаторы тока достаточно велика, что также является недостатком защиты.

В нашей стране промышленностью выпускается и используется для защиты линий длиной до 10-12 км продольная дифференциальная защита типа ДЗЛ.

Дифференциальная защита может быть выполнена по другой схеме – на равновесии напряжений. В этом случае вторичные обмотки ТТ соединяются так, чтобы при внешнем к.з. их э.д.с. были направлены встречно, а реле включаются последовательно в цепь соединительных проводов (рис. 6-4).

Рис.6-4. Принцип действия продольной дифференциальной защиты на равновесии напряжений:

а) при внешних к.з.

б) при к.з. на защищаемой линии.

В схеме дифференциальной защиты на равновесии напряжений при внешних к.з., а также при прохождении токов нагрузки вторичные э.д.с. ТТ равны и совпадают по фазе и т.к. токи по концам защищаемой линии равны и равны коэффициенты трансформации ТТ, то ток в реле:

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

Из-за погрешностей ТТ появляется э.д.с. небаланса и в реле появляется ток небалансаI_нб и ток срабатывания защиты необходимо отстраивать от тока небаланса при внешних к.з.

При к.з. в зоне защиты вторичные э.д.с. и складываются и вызывают появление тока в реле под действием, которого защита срабатывает.

Однако, в нашей стране наибольшее распространение получила схема дифференциальной защиты основанная на принципе циркуляции токов.

Выводы:

1. Принцип действия продольной дифференциальной защиты основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемой линии.

2. Продольная дифференциальная защита не требует замедления на срабатывание, т.е. является селективной по своему принципу действия.

3. Продольная дифференциальная защита применяется в качестве основной защиты линий небольшой протяжённости, а также в качестве основной защиты генераторов, трансформаторов, электродвигателей и сборных шин распределительных устройств напряжением 6–500 кВ.