Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты

Подождите немного. Документ загружается.

2. Терминология

Ток (I

), равный векторной сумме фазных токов. [448-14-11]

Сквозной ток короткого замыкания

Ток, протекающий через защищаемый объект при внешнем коротком замыка-

нии. [448-14-13]

3. Режимы функционирования

В данной главе представлено описание режимов функционирования диффе-

ренциальной защиты. В других главах рассматриваются различные исполнения

дифференциальной защиты. Также, далее подробно рассмотрены особенности

работы измерительных трансформаторов тока и вопросы, касающиеся переда-

чи данных, поскольку от данных факторов зависит надежность функционирова-

ния всей системы релейной защиты. Описаны принципы реализации диффе-

ренциальной

защиты генераторов, двигателей, силовых трансформаторов,

присоединений и сборных шин. В каждом из случаев, рассматриваются

характерные особенности выполнения защиты.

3.1 Введение

Дифференциальная защита является защитой с абсолютной селективностью и,

тем самым, реагирует только на повреждения, возникающие в защищаемой зо-

не. Защищаемая зона определяется расположением измерительных транс-

форматоров тока. Таким образом, согласование данной

защиты с другими

смежными защитами производить не требуется, что позволяет защите действо-

вать без выдержки времени.

Исходя из этого, дифференциальную защиту можно применять в качестве ос-

новной быстродействующей защиты для всех важных элементов системы.

Принцип работы дифференциальной защиты достаточно прост, поскольку в его

основе лежит сравнение токов. Однако, для того,

чтобы исключить излишние

срабатывания защиты необходимо выполнить правильный выбор измеритель-

ных трансформаторов тока. Но дифференциальная защита также должна ус-

тойчиво функционировать и при насыщении измерительных трансформаторов

тока с целью снижения затрат на последние. Тем самым, определение возмож-

ной степени насыщения трансформаторов тока и обеспечение достаточного

торможения при возникающих погрешностях также являются

важными задача-

ми, которые необходимо решить при реализации данного принципа защиты.

Генераторы, двигатели и силовые трансформаторы часто защищаются диффе-

ренциальной защитой, поскольку высокая чувствительность и быстродействие

данной защиты позволяют максимально минимизировать повреждения. Диф-

ференциальная защита также часто применяется для реализации защиты ко-

ротких кабельных линий, где применение дистанционной защиты невозможно.

При защите протяженных линий (длиной более 25 км) необходимо учитывать

влияние блуждающих токов на линию связи (витая пара), соединяющую уст-

ройства защиты разных концов. При необходимости требуется обеспечить эк-

ранирование и изоляцию данных проводов связи. При использовании цифро-

вых устройств защиты, соединенных между собой волоконно-оптической лини-

ей связи, подобных мер принимать

не требуется, поэтому представляется воз-

можным реализовать защиту объектов, длина которых превышает 100 км. С на-

чалом использования цифровых сетей обмена данными, стало возможным

объединить в информационную сеть все ответственные подстанции. Указанное

также может стать предпосылкой использования дифференциальной защиты.

При этом необходимо отметить, что интерфейсы и протоколы обмена данными

между устройствами

защиты и системой должны быть идентичными и соответ-

ствовать необходимым стандартам. При передаче данных необходимо также

учитывать время отклика канала связи, в частности, когда производится пере-

121

3. Режимы функционирования

ключение с одной цепи передачи данных на другую. Кроме того, также требует-

ся производить проверку готовности системы передачи данных. Дифференци-

альная защита, работающая с цифровой системой передачи данных, позволяет

улучшить качество защиты, поскольку измерения выполняются для каждой из

фаз, что позволяет осуществить селективное отключение с последующим ав

томатическим повторным включением. Указанное также справедливо при воз-

никновении сложных повреждений, таких, как многократные короткие замыка-

ния на двухцепных линиях, когда поврежденные фазы не могут быть отключены

дистанционной защитой. Использование дифференциальной защиты также

возможно при наличии трехконцевых линий, число которых увеличивается.

Основной задачей дифференциальной защиты шин является быстрая, селек-

тивная

ликвидация повреждений, возникающих на них, что необходимо для

обеспечения условий устойчивости. При этом излишние и ложные дейсвтия

данной защиты должны быть полностью исключены, поскольку возможен пере-

рыв электроснабжения большого числа потребителей.

Выполнение защит быстродействующими (с временем срабатывания менее

одного периода промышленной частоты) и обеспечение их устойчивой работы

при высоких степенях насыщения

измерительных трансформаторов тока дол-

гое время являлись трудоемкими задачами. Исключить излишние и ложные

срабатывания из-за отказов аппаратной части удалось объединением критери-

ев срабатывания по логической схеме И.

На больших подстанциях конфигурация сборных шин часто достаточно сложна,

в нее входят несколько секций шин и, соответственно, несколько секционных и

шиносоединительных выключателей.

Указанное требует наличия разветвлен-

ных вторичных цепей и реализации сложного контроля положения разъедини-

телей. Переключение аналоговых цепей измерения необходимо при реализа-

ции традиционной защиты шин, однако при использовании цифровых устройств

защиты в этом нет необходимости, поскольку обработка соответствующих то-

ков выполняется при поступлении соотвествующих логических сигналов, ран-

жированных на входы устройства

при помощи специализированного программ-

ного обеспечения. Реализация децентрализованной структуры защиты шин и

использование волоконно-оптических линий связи позволяют значительно со-

кратить количество кабельных связей.

Все вышеизложенное относится к “стандартной” токовой дифференциальной

защите, производимые измерения которой основываются на низкоомном прин-

ципе.

Однако, также существует высокоомная дифференциальная защита. В таком

случае, в дифференциальную цепь последовательно включено сопротивление,

значительно превышающее вторичное сопротивление насыщенного измери-

тельного трансформатора тока. Тем самым, обеспечивается устойчивость не-

срабатывания защиты при протекании сквозных токов короткого замыкания и в

условиях насыщения измерительного трансформатора тока. В таком случае,

ток ненасыщенного измерительного трансформатора

тока не будет протекать

через реле защиты, а будет протекать через насыщенный трансформатор тока,

который будет представлять собой низкоомный шунт.

Данная разновидность дифференциальной защиты часто применяется за пре-

делами континентальной Европы для реализации защиты гальванически свя-

В цифровых устройствах защиты дифференциальная цепь реализована на программ-

ном уровне. Цифровые устройства защиты функционируют как низкоомные устройства диффе-

ренциальные защиты.

131

3. Режимы функционирования

занных объектов, в первую очередь генераторов, двигателей и сборных шин, а

также в качестве дифференциальной защиты от коротких замыканий на землю,

устанавливаемой на силовых трансформаторах. Для реализации данной раз-

новидности защиты необходимо использование специальных сердечников

трансформаторов тока (Класс X согласно стандарту BS 3938 или класс TPS со-

гласно стандарту МЭК 60044-6), обладающих

одним и тем же коэффициентом

трансформации.

При возникновении внутренних коротких замыканий, когда токи от всех транс-

форматоров тока протекают через высокоомное устройство защиты, во вторич-

ных цепях трансформаторов тока имеет место увеличение напряжения. Ука-

занное повышение напряжения может быть ограничено при помощи варисто-

ров. Данный принцип не подходит для реализации

защиты сборных шин слож-

ной конфигурации, поскольку в таком случае требуется переключение вторич-

ных токовых цепей. Некоторые, однако, применяют данную защиту для реали-

зации защиты двойной системы шин, используя блок-контакты разъединителей

для непосредственного переключения вторичных токовых цепей. Однако, стоит

отметить, что высокоомная дифференциальная защита, в первую очередь, ис-

пользуется в

тех случаях, когда подобные переключения производит не требу-

ется, например, при полуторной схеме включения.

3.2 Основные принципы

Основные принципы, известные уже на протяжении десятилетий, до сих пор

применяются и не зависят от элементной базы, на которой выполняются сами

устройства защиты. [3-2]

Дифференциальная защита осуществляет сравнение измеряемых величин по

амплитуде и по

фазе. Указанное возможно при непосредственном сравнении

мгновенных величин и сравнении векторов. В каждом из случаев, принцип из-

мерения основан на законе Кирхгоффа, который гласит, что геометрическая

(векторная) сумма токов , втекающих и вытекающих из узла, должна быть равна

нулю в любой момент времени. Таким образом, можно сказать, что токи, вте-

кающие

в защищаемую зону - положительны, вытекающие из нее – отрица-

тельны.

Дифференциальная токовая защита

Дифференциальная токовая защита является наиболее простой и часто ис-

пользуемой реализацией дифференциального приниципа. Принцип измерения

величин представлен на рисунке 3-1. Измерительные трансформаторы тока,

установленные по концам защищаемой зоны, имеют последовательно соеди-

ненные вторичные

цепи. Таким образом, при внешнем коротком замыкании, ток

циркулирует по образованной цепи (Рисунок 3-1а) и, соответственно, через ту

цепь, где установлено устройство защиты, ток не протекает. При возникновении

внутреннего повреждения (Рисунок 3-1б), токи повреждения втекают в защи-

щаемую зону и, соответственно, вторичные токи складываются и их сумма про-

текает через цепь

, в которой установлено устройство защиты. При этом проис-

ходит срабатывание дифференциальной защиты и она формирует команду на

отключение соответствующих выключателей.

141

3. Режимы функционирования

Данный простой принцип (дифференциальная защита без торможения) может

быть использован при реализации защиты сосредоточенных объектов, где из-

мерительные трансформаторы тока установлены в непосредственной близости

друг от друга.

Также, представляется возможным использовать данный принцип при защите

генераторов или двигателей (Рисунок 3-2а), в частности, когда измерительные

трансформаторы тока имеют один и тот же

коэффициент трансформации.

При реализации защиты силовых трансформаторов, однако, требуется исполь-

зование согласующих трансформаторов тока для учета группы соединения об-

моток силового трансформатора и выравнивания сравниваемых токов (Рисунок

3-2б).

Рисунок 3-1а: Внешнее КЗ Рисунок 3-1б: Внутреннее КЗ

protection

object

∆I>

∆I=I

+ I

protection

object

∆I>

∆I=I

+ I

Y d 5

∆I

Interposing

∆I

Рисунок 3-2a: Генератор/Двигатель Рисунок 3-2б: Трансформатор

Рисунок 3-2: Дифференциальная защита, принцип

При реализации защиты сборных шин, необходимо суммировать токи несколь-

ких присоединений (Рисунок 3-3). В нагрузочном режиме или при внешнем ко-

ротком замыкании, векторная сумма данных токов равна нулю, поэтому через

устройство защиты дифференциальный ток не протекает. При возникновении

внешних повреждений, токи суммируются и появляется значительный диффе-

ренциальный ток.

151

3. Режимы функционирования

При организации защиты двухконцевой

линии, трансформаторы тока устанавли-

ваются на удаленных друг от друга кон-

цах линии. В таком случае, реализуется

схема защиты, представленная на Ри-

сунке 3-4 (реализация дифференциаль-

ной защиты с использованием трех-

жильного контрольного провода). Трех-

жильный контрольный провод необхо-

дим для организации соединения между

двумя подстанциями и представляет

из

себя “витую тройку”. На обоих концах

устройства защиты включаются в диф-

ференциальную цепь и в случае возник-

новения короткого замыкания на линии

формируют команду отключения выклю-

чателей своих концов линии. Таким образом, более не требуется какой-либо

передачи сигнала отключения. На практике, вторичные токи измерительных

трансформаторов тока (1 или 5А)

преобразуются в ток, равный 100 мА, при по-

мощи промежуточных трансформаторов тока с целью уменьшения нагрузки

контрольных проводов. Благодаря этому токовая дифференциальная защита

может быть использована для защиты линий, длина которых составляет при-

близительно 10 км. При реализации защиты объектов, длина которых состав-

ляет от 1 до 2 километров возможно использование контрольных кабелей (с 2

кВ

изоляцией).

Когда контрольные провода прокладыва-

ются вблизи силовых кабелей и воздуш-

ных линий, необходимо предусмотреть их

экранирование. При значительных дли-

нах, напряжение в несколько киловольт

может быть наведено в контрольных про-

водах. Указанное оказывает влияние на

изоляцию контрольных проводов и требу-

ется использование специальных кон-

трольных проводов, обладающих лучшей

изоляцией (8

кВ), а также возможна необ-

ходимость установки защитных транс-

форматоров для предотвращения повре-

ждения устройств защиты высокими напряжениями (см. Раздел 6.1.1).

Рисунок 3-3: Защита шин (режим

наг

ру

зки или внешнего КЗ

)

∆I

Grid

infeed

load

Рисунок 3-4:

Дифференциальная защита линии

∆I

Также, для того, чтобы уменьшить число жил контрольного провода, промежу-

точные трансформаторы тока также являются суммирующими трансформато-

рами, тем самым производится суммирование фазных токов.

161

3. Режимы функционирования

Сравнение токов при цифровой передаче измеренных величин

Описанный принцип работы защиты основан на передаче измеренных величин

в аналоговом виде (50/60 Гц) при использовании контрольных проводов.

При реализации цифровой защиты, все больше используется цифровая пере-

дача данных.

Тем самым, измеряемые величины преобразуются в цифровой вид и их пере-

дача осуществляется по выделенной волоконно-оптической линии связи или

через цифровую

систему обмена данными. В общем и целом, принцип функ-

ционирования защиты остается тем же, за исключением лишь того, что осуще-

ствляется цифровая передача данных.

Цифровое устройство защиты линии 7SD52 и цифровое устройство децентра-

лизованной защиты сборных шин 7SS52 являются примерами подобного рода

реализации.

Все описанные защиты, действующие на основе сравнения величин, можно

также

навзвать “продольными дифференциальными защитами”. Кроме всего

прочего, необходимо также упомянуть поперечную дифференциальную защиту.

Данная защита реализует сравнение токов двух или большего числа парал-

лельных цепей на каждом конце. В настоящее время данный тип защиты ис-

пользуется редко, поскольку для его использования необходимо обязательное

наличие параллельных цепей, защита не может при

этом использоваться, если

в работе находится всего лишь одна цепь. Только для генераторов, обладаю-

щих параллельными обмотками в каждой фазе, дифференциальная защита ис-

пользуется для защиты от витковых коротких замыканий.

Дифференциальная защита с торможением

Ранее предпологалось, что установлен фиксированный порог срабатывания

защиты. На практике,

однако, необходимо учитывать составляющую тока неба-

ланса, обусловленную погрешностями измерительных трансформаторов тока.

При работе на линейном участке характеристики трансформатора тока указан-

ные погрешности пропорциональны сквозному току. При протекании значитель-

ных токов, возможно насыщение измерительных трансформаторов тока, что

влечет за собой быстрое увеличение тока небаланса.

Кроме того, также возможно появление другой составляющей

тока небаланса,

обусловленной изменением положения отпаек РПН.

171

3. Режимы функционирования

На Рисунке 3-5 представлена зависимость дифференциального тока, измеряе-

мого устройством защиты, от сквозного тока (I

скв

) нагрузки или сквозного тока,

протекающего при внешем короктом замыкании.

∆I

F-total

= total false current

∆I

F-CT

= CT false current

∆I

= mismatch false current

(CT ratio, transformer tap changer)

∆I

= transformer

magnetising current

through

/ I

∆

/ I

Очевидно, что уставка срабатывания должна увеличиваться с увеличением ве-

личины сквозного тока. Указанное позволяет обеспечить высокую чувствитель-

ность в нагрузочном режиме и маленьких токах повреждения, в то время, как

исключается излишнее срабатывание защиты при внешних коротких замыкани-

ях, сопровождающихся протеканием значительных

токов, когда может иметь

место насыщение измерительных трансформаторов тока.

Изначально, все это достигалось увеличением уставки срабатывания пропор-

ционально сквозному току. Указанный метод был предложен еще в 1920 году

[3-1, 3-2]. Принцип работы представлен на Рисунке 3-6.

+ I

restrain

operate

Basic pick-up

threshold (I

)

Res

= I

+ I

= I

−

Рисунок 3-5: Ложный дифференциальный ток в нагрузочном режиме и в ре-

жиме внешнего КЗ и адаптированная характеристика срабатывания

Рис. 3-6: Дифференциальная защита с торможением согласно МакКроллу

Защита построена на электромеханических и статических реле с использова-

нием диодной схемы сравнения (Рисунок 3-7). В дифференциальной цепи уста-

181

3. Режимы функционирования

навливалось поляризованное реле с подвижной катушкой, обладающее высо-

кой чувствительностью.

Торможение обеспечивается сигналом,

()

IkI

торм

⋅−

который соответствует

„сумме“ вторичных токов в случае внешнего короткого замыкания. В таком

случае, необходимо соблюдать выбранное правило знака, которое определяет,

что за положительное направление токов выбрано их направление внутрь

защищаемого объекта. Срабатывание определяется “разницой” вторичных то-

ков измерительных трансформаторов тока

(

)

раб

kII

⋅+

protection

object

()

IIk

−⋅=

⋅

()

IIk

+⋅=

⋅

Ik ⋅

Relay

characteristic

Fault characteristic

(single-side infeed)

III

−=

k =

with numerical relays:

III

IIIkII +−⋅>+

2121

Рис. 3-7: Дифференциальная защита с диодной схемой сравнения

озможны следующие ситуации:

(

)

торм

IkII=⋅ −

()

kII

раб

=⋅ +

Внешнее КЗ

торм кз

⋅⋅

раб

Внутреннее КЗ при одно-

стороннем питании

торм кз

⋅

аб КЗ

kI=⋅

Внутреннее КЗ при двух-

стороннем питании

торм

раб КЗ

kI=⋅ ⋅

Критерий срабатывания:

аб торм

т.е.

IIkIIk −⋅>+⋅

Посредством тормо т пружины жения реле, также може быть установлен мини-

льной защиты с торможением справедливо

мальный порог срабатывания B.

Таким образом для дифференциа

следующее:

BIIkII

2121

+−⋅>+

где

/ kkk

(3-1)

ерительная цепь была усовершенствована: полнена

комбинацией диода и резистора. Тем самым, при малых токах торможение не-

Позднее, изм она была до

191

3. Режимы функционирования

значительно и оно начинает увеличиваться только по превышении током опре-

деленного порога (переменное торможение), как это представлено на Рисунке

3-7 (см. характеристику, изображенную прерывистыми линиями). В цифровой

защите затем была реализована характеристика, состоящая из нескольких уча-

стков. Указанная характеристика позволяет лучше адаптироваться к условиям,

когда возникают погрешности.

В более новых устройствах защиты, порог срабатывания В более не добавля-

ется к тормозной величине, а реализована отдельная уставка

раб

. В ре-

зультате характеристика торможения

IkI

раб торм

>⋅

более не смещена значе-

ние В, а проходит через начало коорд образом, достигается высо-

щем разделе).

Описанный при

на

инат. Таким

кая чувствительность при протекании малых токов (см. Рисунок 3-14 в следую-

нцип может быть также использован при реализации защиты

бъектов с числом концов более двух (к примеру, для реализации защиты о

трехобмоточных трансформаторов,

защиты сборных шин). Таким образом,

сумма токов (арифметическая сумма) используется для торможения

, в то вре-

мя, как геометрическая (векторная) сумма токов является рабочей величиной:

....

123

IIIII

торм

=+++

(3-2)

....

123

II I I

раб

=+++

(3-3)

Критерии срабатывания:

раб

IkI

раб торм

(3-4)

оэффициент торможения, кото тики тормо-

ения может быть выбран равным в диапазоне от 0.3 до 0.8, в зависимости от

К рый определяет након характерис

характеристик выбранных трансформаторов тока. Порог срабатывания В может

быть выбран равным 10%I

при реализации защиты генератора, в то время как

для защиты сборных шин это значение должно составлять 130% тока наиболее

нагруженного присоединения.

Соответствующая цепь (аналоговое исполнение) представлена на Рисунке 3-8.

В цифровых устройствах защиты данная формула также применима для дифференци-

альной защиты двухконцевого объекта.

202