Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты

Подождите немного. Документ загружается.

3. Режимы функционирования

Целый ряд новых обстоятельств возникает при реализции цифровой защиты

сборных шин. Циклическая выборка значений и независимая обработка при по-

мощи программного обеспечения позволяет реализовать экономически целе-

сообразную систему пофазного измерения. В частности, предпочтительно по-

ми позволяет,

еделенной фазы. Это схоже с

•

амыкания на

3 зные измерения

таком случае, выполняется

независимое сравнение измеренных сигналов по

азам.

днако, в этом случае рекомедуется выполнить соединение нейтральной точки

устрой ю трансформаторов тока для того, чтобы обес-

сть сэкономить две жилы контрольного кабеля, а нагрузка на транс-

ежуточные трансформаторы тока соединением обмо-

вых устройств защиты, применение

огласующих трансформаторов не требуется, поскольку учет группы соедине-

мированы таким образом, чтоб обеспечить

остаточный суммарный ток при каждом виде повреждения (одно-, двух- и

фазное измерение (см. Раздел 10.1.2). Только базовая версия 7SS600 предна-

значена для работы с суммирующими

трансформаторами тока.

Необходимо отметить две особенности, которые требуется учесть при исполь-

зовании суммирующего трансформатора тока:

• В системах с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью, сум-

мирование фазных токов с разными весовыми коэффициента

при возникновении двойных замыканий на землю в сети, выполнять отклю-

чение только при замыкании на землю опр

действием дистанционной защиты, которая применяется в таких сетях и

должна производить отключение

только одного замыкания на землю. [9-13]

Таким образом, обеспечивается единообразность действия защиты при воз-

никновении двойных замыканий на землю (допускается работа в течение

некоторого времени при наличии одного замыкания на землю).

В связи с тем, что для случаев возникновения замыканий на землю, весовые

коэффициенты токов оказываются больше, то для таких повреждений обес-

печивается повышенная чувствительность. Указанное может являться пре-

имуществом в сетях где осуществляется компенсация токов з

землю.

Пофа

ства защиты с нейтраль

печить общий обратный провод (нулевой провод). В таком случае, появляется

возможно

форматоры тока оказывается в два

раза меньшей при возникновении трехфаз-

ных коротких замыканий.

Тоже самое относится к цепям измерения.

В случае дифференциальной защиты аналогового исполнения, во вторичных

цепях используются пром

ток Y-

∆. Однако при использовании цифро

ния обмоток силового трансформатора выполняется на программном уровне.

При реализации дифференциальной защиты линии с использованием кон-

трольных проводов, отдельная обратная цепь на фазу уже имеется, за счет то-

го, что используются витые пары.

Использование суммирующего ТТ

Фазные токи образуют эквивалентный переменный ток (суммарный ток).

Фазные токи должны быть просум

313

3. Режимы функционирования

трехф оответствующие различным видам

рного (смешан-

рехф оответствующие различным видам

рного (смешан-

азном). При этом суммарные токи сазном). При этом суммарные токи с

повреждения не должны значительно отличаться друг от друга. повреждения не должны значительно отличаться друг от друга.

Несколько теоретических анализов было выполнено для выявления влияния

режима питания, режима заземления и распределения нагрузки на величину

суммарного тока

[3-2].

На практике, успешным явилось применение следущего сумма

Несколько теоретических анализов было выполнено для выявления влияния

режима питания, режима заземления и распределения нагрузки на величину

суммарного тока

[3-2].

На практике, успешным явилось применение следущего сумма

ного) тока:

321

435

LlLM

IIII ⋅+

⋅

+⋅=

(3-7)

При учете, что

ELLL

IIII + =

321

, тогда (3-7) имеет вид

ELLM

IIII

⋅+

⋅

+⋅ 312

токов согласно п ю выполняется сумми-

ующим трансформатором тока, обладающим тремя первичными обмотками.

совые коэффициенты токо

итков обмоток: (Рисунок 3-18)

(3-8)

Суммирование риведенному выражени

Ве в, таким образом, соответствуют отношению числу

sec

−

⋅=⋅+⋅+⋅

, (3-9)

или:

I ⋅+⋅+⋅=

−

sec

(3-10)

ww ⋅= 2

⋅

ww ⋅= 3

3 . Таким образом:

гд

(

)

I ⋅+⋅+⋅=

−

sec

При возникновении симмет-

чного трехфазного повреж-

(3-11)

ри

дения, суммарный ток, соглас-

но выражению (3-8), относи-

тельно первичной стороны

суммирующего трансформато-

ра тока:

IIII

⋅=⋅+⋅ 312

Соответствующий вторичный

суммарный ток может быть вы-

чис ению

лен согласно выраж

(3-11):

I ⋅⋅=

−

.sec

(3-12)

Коэффициент трансформации

суммирующего трансформато-

ра тока может н

исходя из извес но-

быть получе

тного вторич

го номинального тока транс-

форматора и номинального то-

ка устройства защиты:

⋅

−−

.sec

(3-13)

Рисунок 3-18: Суммирующий ТТ для диффе-

ренциальной защиты линии

Summation

transformer

W1= 2

W2= 1

W3= 3

2 ·I

323

3. Режимы функционирования

Для дифференциальной защиты, использующей двухжильный контрольный

провод, 7SD600 номинальный (суммарный) ток, к примеру, составляет 20 мА, в

то время как номинальный ток измерительных трансформаторов тока равен

ибо 1 А, либо 5 A. л

Соответствующий номинальный (суммарный ток) устройства защиты сборных

шин равен 100 мА.

После подстановки (3-13) в (3-11) получаем значение суммарного тока в отно-

сительных

единицах (относительно номинального тока трансформатора тока):

()

N.M

⋅

−−

sec

(3-14)

⋅+⋅+⋅⋅= 312

sec

азличным видам повреждения соответствуют следующие суммарные токи:

КЗ

p.u.M

−

Вид

Относит.

порог сраб.

L1-L2-L3 1

⋅

240−

-- 1 1.00

L1-L2 1 -- --

=1.15

0.87

L2-L3 -1 --

=0.58

1.73

L3-L1 -1 1

=0.58

1.73

L1-E 1 -- 1

=2.89

0.35

L2-E -- -- 1

=1.73

0.58

L3-E -- 1 1

=2.31

0.43

Таблица 3-1: Суммарные токи и относительные пороги с ыв для раз-

личных видов реждени и стандартном подк че мм щего ТТ

L1-L3-E

тся относительно нечувствительной к

междуфазным коротким замы-

рабат

лю нии су

ания

ируюпов я пр

Из таблицы 3-1 видно, что значительный суммарный ток имеет место быть при

коротких замыканиях на землю. Соответственно, порог срабатывания для дан-

ного вида повреждения имеет небольшое значение. С другой стороны, защита

казываео

каниям L2-L3 и L3-L1.

333

3. Режимы функционирования

Ток короткого замыкания на землю в сетях глухозаземленной нейтралью того

же порядка, что и ток междуфазного короткого замыкания. Таким образом, при

оротких замыканиях на землю возникают большие токи во вторичной цепи к

суммирующего трансформатора тока. Кроме того, увеличивается нагрузка на

основные измерительные трансформаторы тока, поскольку полное сопротив-

ление

вторичной цепи суммирующего трансформатора тока приводится к пер-

вичной стороне с квадратом отношения витков обмоток. В случаях, когда ток

короткого замыкания на землю превышает ток трехфазного короткого замыка-

ния, необходимо рассмотреть такое соединение суммирующего трансформато-

ра, чтобы суммарный ток при коротких замыканиях на землю был меньше. Для

этой цели, суммирующий

трансформатор может быть подключен только к трем

фазам. Тогда выражение (3-14) будет иметь следующий вид:

()

.sec

.. L

upM

I ⋅+⋅+⋅⋅

⋅

−−

−

(3-15)

Д и ги сраб

соответствующие

ля такого соединения, получаемые суммарные токи поро атывания

различным видам коротких замыканий приведены в таблице

-2:

КЗ

Вид

Относит.

порог сраб.

L1-L2-L3 1

⋅

120−

1⋅

240−

1 1.00

L1-L2 1 -1 --

=0.58

1.73

L2-L3 1 -1 -1

=1.15

0.87

L3-L1 -1 -- 1

=0.58

1.73

L1-E 1 -- 1

=1.15

0.87

L2-E -- -- 1

=0.58

1.73

L3-E -- 1 1

=1.732

0.58

Таблица 3-2: Суммарные токи и относительные пороги срабатывания для раз-

личных видо при соед ен м его ТТ

L1-L2-L3

Токи замыкан

ются различн ства для их ограничения (заземление нейтрали через

опротивление). Тогда, чувствительности может не хватать (даже согласно

ирующв повреждения ин ии сум

ия на землю могут быть очень маленькими в сетях, где использу-

ые устрой

данным таблицы 3-1). Ток замыкания на

землю в таком случае может быть уве-

личен при использовании промежуточного трансформатора тока.

Работа защиты при возникновении двойных замыканий на землю в сетях с ре-

зонансно-заземленной нейтралью

343

3. Режимы функционирования

В сетях с резонансно-заземленной нейтралью только одно из двух замыканий

еся протеканием только компенсированного

мыканий на землю в сети, обладает свойством форми-

ример 3-2: Срабатывание при двойном замыкании на землю (нейтраль зазем-

на землю должно отключаться для разрыва контура протекания тока. Остав-

шееся замыкание, сопровождающе

тока замыкания на землю, может оставаться в сети в течение нескольких часов

без необходимости перерыва электроснабжения потребителей. Лишь потом

данное

замыкание локализуется направленными защитами от замыканий на

землю и отключается соответствующими переключениями. Дистанционные за-

щиты, используемые в таких сетях, сконфигурированы для такой работы и со-

держат специальную цепь (или логику), которая обеспечивает переключение

контура измерения для фазы, при замыкании которой на землю должно произ-

водиться отключение.

В результате того, что

суммарный ток вычисляется как сумма фазных токов с

различными весовыми коэффициентами, дифференциальная защита, при воз-

никновении двойных за

ровать команду отключения только при замыкании определенной фазы на зем-

лю, т.е. при замыкании на землю той фазы, чей ток умножается на больший ве-

совой

коэффициент.

В связи с тем, что весовые коэффициенты фазных токов при замыкании на

землю значительны, то обычно отключаются оба замыкания на землю.

лена через высокоомное сопротивление)

суммирующий транс-

форматор тока (Рисунок 3-19). Возникает двойное замыкание на

Исходные

данные:

Радиальная линия с односторонним питанием защищается диф-

ференциальной защитой, использующей

землю. Первое – в фазе L1 в пределах защищаемой зоны. Второе

– в фазе L3, за пределами защищаемой данной дифференциаль-

ной защитой зоны (внешнее замыкание). Ток повреждения в 5 раз

превышает номинальный ток.

Уставки

защиты: порог срабатывания I

= 1.5⋅I

и коэффициент

торможения k=0.5.

353

3. Режимы функционирования

∆I

Рис

но

3-19: Расп

еделение токов для п

име

а 3-1

Задача: Подействует ли защита на отключение в таком случае?

Подействует ли защита на отключение, если внутреннее замыка-

ние на землю произойдет в фазе L2 вместо L1 (при этом внешнее

замыкание на землю остается в фазе L3)?

Решение:

Согласно выражению (3-7):

321

435

LlLM

IIII ⋅

⋅

суммарный

ток может быть вычислен для каждого из концов линии:

M-A

= 5

⋅

- 4

⋅

= +1

⋅

и I

M-B

= + 4

⋅

соответственно:

раб

= |I

M-A

+ I

M-B

| = 5I

и I

торм

= |I

M-A

| + |I

M-B

| = 5

⋅

раб

торм

= 5/5 = 1.0, т.е. больше, чем установленный коэффици-

ент торможения (k=0.5).

Защита действует на отключение.

Если возникает внутреннее замыкание на землю фазы L2, то

справедливо следующее:

M-A

= - 1

⋅

и I

M-B

= + 4

⋅

Таким образом:

= |I

M-A

+ I

M-B

| = 3

⋅

и I

= |I

M-A

| + |I

M-B

| = 5

⋅

В данном случае I

раб

торм

= 3/5 = 0.6, т.е. меньше, чем ранее.

Дифференциальная защита, для которой установлено, k= 0.5 так-

же подействуют на отключение при замыкании данной фазы на

землю.

Защита сборных шин с уставкой k=0.65, однако, в данном случае

не подействует на отключение.

Таким образом, на данном примере наглядно видно, как при ис-

пользовании суммирующего трансформатора можно реализовать

отключение только при замыкании на землю определенной фазы.

Также видно, что указанное возможно при значительном значении

Дифференциальная защита смежной линии также подействует на

отключение.

Внутреннее короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока нагруз-

ки

363

3. Режимы функционирования

Часть тока нагрузки может продолжать протекать даже в случае возникновения

внутреннего повреждения:

- Через неповрежденные фазы в случае несимметричного повреждения

- Через само место повреждения, если оно не металлическое

- При однофазных замыканиях на землю в сетях с нейтралью, заземленной

через высокоомное сопротивление.

При использовании суммирующего трансформатора тока

данное обстоятельст-

во приводит к загрублению дифференциальной защиты из-за дополнительного

торможения, обусловленного протеканием тока нагрузки через защищаемый

объект.

Указанное иллюстрируется на следующем примере:

Пример 3-3: Срабатывание в случае возникновения двойного замыкания на

землю (нейтраль заземлена через низкоомное сопротивление)

Исходные

данные:

Питание нагрузки осуществляется, так как это представлено на ри-

сунке 3-20.

Основная защита кабеля – дифференциальная защита, реализован-

ная при использовании суммирующего трансформатора тока.

Ток замыкания на землю ограничивается до 1000 A реактором.

Ток нагрузки (симметричный) равен 500 A.

∆I

Load

Рисунок 3-20: Для примера 3-2

Задача: Подействует ли защита на отключение в случае возникновения од-

нофазного замыкания на землю, если коэффициент торможения

установлен равным k=0.5?

Решение: Так как токи нагрузки и повреждения не равны по фазе, суммарные

токи должны определяться в векторной форме.

Токи нагрузки в трех фазах:

500I

L1-L

+=⋅=

⋅

500)2/32/1(I

120

L2-L

⋅⋅−−=⋅=

⋅−

jeI

500)2/32/1(I

240

L3-L

⋅⋅+−=⋅=

⋅−

jeI

Реактивный ток замыкания на землю отстает от тока фазы L3 на

373

3. Режимы функционирования

Aj)/j/(

F-L

I 50086610002123

330

+=⋅+=

⋅−

⋅==

Нагрузочная составляющая суммарного тока может быть получена

следующим образом:

j433750I

LL3phLM

+=⋅+⋅=

−−

Соответственно, суммарные токи:

j24334214

L3-F

3phLM

A-M

I +=⋅+

−−

433750

phLM

M-B

−

−−

−

I 4000

2000

3464 =+=

−

I 5732

433

750

2433

4214

=+++=

−

7.05732/4000

== AA

Защита сработает и подействуют на отключение, поскольку отно-

шение

Res

превышает k=0.5.

3.4 Высокоомная дифференциальная защита [3-5]

В качестве примера рассматривается реализация защиты двухконцевого объ-

екта (Рисунок 3-21).

383

3. Режимы функционирования

()

FCTL1CT

iRRE ⋅+=

−

()

FCTL2CT

iRRE ⋅+=

−

()

FCTL1CT

iRR2E ⋅+⋅=

−

()

FCTLR

iRRU ⋅+=

with ideal current transformers with CT saturation

87B

Рис. 3-21: Высокоомная дифференциальная защита

Работа п

и внешних КЗ с насыщением ТТ и без

Вторичные цепи трансформаторов тока соединены таким образом, что при про-

текании сквозных токов обеспечивается их циркуляция, также как и в случае

реализации обычной (низкоомной) дифференциальной защиты. Устройство

дифференциальной защиты подключено как шунт и представляет собой чувст-

вительную токовую защиту со значительным внутренним сопротивлением. Реле

тока и последовательно включенное с ним сопротивление

соответствуют реле

напряжения.

В цепи, где установлено дифференциальное реле, напряжение мало (теорети-

чески равно нулю) в нагрузочном режиме и при внешних коротких замыканиях,

если при этом внутренние сопротивления вторичных обмоток измерительных

трансформаторов тока (R

) и сопротивления вторичных цепей (R

) одинаковы.

Измерительные трансформаторы тока обладают одним и тем же коэффициен-

том трансформации.

Устойчивость функционирования при внешних КЗ

В случае насыщения измертельного трансформатора тока, однако, происходит

смешение точки равновесия. Наихудший случай - когда один измерительный

трансформатор тока насыщен, а другой трансформирует ток без каких-либо ис-

кажений. Насыщенный трансформатор тока может быть представлен только

лишь своим вторичным внутренним сопроивлением (R

) (Рисунок 3-21). Долж-

ны использоваться трансформаторы тока с малым значением вторичного реак-

тивного сопротивления рассеяния, реактивное сопротивление намагничивания

в режиме нысыщения должно стать незначительным. Кроме того, если пола-

гать, что последовательное включенное с устройством защиты активное сопро-

тивление достаточно высоко по сравнению с сопротивлением вторичных цепей

и внутренними сопротивлениями измерительных трансформаторов

тока, тогда

справедливо распределение напряжений, представленное с правой стороны на

рисунке 3-21.

Напряжение на шунте тогда:

393

3. Режимы функционирования

()

thrF

U +⋅

−

−−∆

(3-16)

где:

thrF

−

= первичный сквозной ток

= коэффициент трансформации ТТ

Токовое реле с последовательным сопротивлением соответствует реле напря-

жения, как уже отмечалось выше. Установкой порога срабатывания

RRR

RIU

⋅

выше

thrF

−−∆

стабильность работа защиты обеспечивается при самых высо-

ких степенях насыщения измерительных трансформаторов ткоа. За

thrF

−

данном расчете принимается максимально возможный сквозной ток поврежде-

ния.

Пример 3-4:

thrF

−

=10 кА

CT: r

= 400/1 A; R

= 3 Ω

Сопротивление вторичных цепей: R

= 2 Ω

()

thrF

12532

400

10000

=+⋅=

−−∆

С 20% запасом имеем:

VUU

thrFR

1501252.12.1 =⋅=⋅=

−−∆

Чувствительность при внутренних повреждениях

Чувствительность защиты может быть проверена при помощи определенного

порога срабатывания дифференциального реле.

Минимальный первичный ток повреждения, протекающий при внутреннем по-

вреждении в случае одностороннего питания должен обеспечивать, по крайней

мере, ток намагничивания для трансформаторов тока, соединенных в парал-

лель, и ток срабатывания реле, включенного в цепь шунта. Ток утечки варисто-

ра также должен быть учтен:

)(

.min VRmRCT

IIInrI ++⋅⋅=

(3-17)

где: n =

Число присоединений, соединенных в

параллель (только 2 в приведенном

выше примере, для защиты шин соот-

ветственно больше согласно числу при-

соединений

вторичный ток намагничивания транс-

форматора тока при напряжении сраба-

тывания

порог срабатывания реле по току

ток утечки варистора (при напряжении

срабатывания реле), если варистор

применяется (см. Рисунок 3-22)

404