Продольная дифференциальная защита обладает высоким быстродействием и обеспечивает избирательное отключение защищаемого элемента электрической системы, благодаря этому защита находит широкое применение
Рассмотрим принцип построения схемы дифференциальной защиты на примере продольной дифференциальной защиты генератора
На рис.1 показаны генератор и две линии электропередачи, по которым осуществляется питание нагрузки В продольную дифференциальную защиту генератора входят два комплекта трансформаторов тока ТА1 и ТА2, установленных на выводах генератора, и токовые реле КА. Трансформаторы тока обоих комплектов имеют одинаковые коэффициенты трансформации. Вторичные обмотки обоих комплектов трансформаторов тока связаны соединительными проводами, к которым подключены токовые реле защиты.
Цепь, связывающая реле с соединительными проводами, называется дифференциальной, а каждый комплект трансформаторов тока с соответствующими соединительными проводами до места подключения реле — плечом защиты.
Продольная дифференциальная защита генератора обычно выполняется в двух- или трехфазном исполнении с двумя или тремя токовыми реле Для упрощения цепи, соединяющие трансформаторы тока ТА1 и ТА2 и токовые реле КА, показаны только в одной фазе
При коротком замыкании (КЗ) на одной из линий (К1 на рис 1, я) к месту повреждения поступает ток /г, проходящий по первичным обмоткам обоих комплектов трансформаторов тока от выводов JI2 к 777. При условных положительных направлениях токов, обычно принимаемых для обмоток трансформаторов тока, вторичные токи имеют направление от И1 к И2 (показано стрелками) Соответствующая векторная диаграмма первичного тока 7Г и вторичных токов Гт - в первом и /;' — во втором комплектах трансформаторов тока показана на рис.1,в В рассматриваемом случае вторичные токи 7г и 1'т' проходят через обмотки реле КА в противоположных направлениях При равенстве
Рис 1 Принцип действия продольной дифференциальной защиты генератора
а - КЗ вне зоны действия защиты, б - то же в зоне действия защиты, в - векторная диаграмма токов в плечах защиты при КЗ вне зоны действия защиты, г - то же в зоне действия защиты
коэффициентов трансформации и отсутствии погрешностей у трансформаторов тока комплектов ТА1 и ТА2 ток в реле КА равен нулю
О)
В режиме нагрузки генератора ток в первичных обмотках ТА1 и ТА2 имеет то же направление, что и в режиме внешнего КЗ, и ток в реле КА также отсутствует Таким образом, дифференциальная защита на режимы нагрузки и внешнего КЗ не реагирует.
В действительности в реле дифференциальной защиты всегда проходит небольшой ток, так называемый ток небаланса Появление этого тока объясняется тем, что трансформаторы тока имеют разные погрешности, вследствие этого при нагрузке и внешнем КЗ равенство вторичных токов нарушается
Чем больше первичный ток, тем больше погрешность трансформаторов тока и тем больше небаланс
Рассмотрим теперь повреждение в обмотках или на выводах защищаемого генератора (точка К2 на рис 1, б) При этом ток будет проходить
Рис.2. Работа продольной дифференциальной защиты генератора при повреждении на выводах статора при двустороннем питании места повреждения:
а — принципиальная схема; б - векторная диаграмма токов в плечах зашиты
только через ТА1, а ток_/г будет равен нулю. Под действием тока J'T, который пойдет через реле КА, последнее сработает и отключит поврежденный генератор.
Рассмотрим случай, когда на шины генераторного напряжения работают два генератора Г1 и Г2, в одном из которых возникает повреждение (точка К2 на рис.2, а). Ток к месту КЗ будет поступать от двух источников питания, и обтекаться током будут оба комплекта трансформаторов тока. Однако в отличие от первого случая (короткое замыкание в точке К1 на рис.1, а) направление тока в обмотках ТА2 генератора Г1 изменится на противоположное (рис.2, а). В реле КА1 будет проходить сумма токов, под действием которых оно подействует на отключение поврежденного генератора Г1:
(2)
Таким образом, дифференциальная защита срабатывает при повреждениях, возникающих на участке, ограниченном трансформаторами тока. Этот участок называется зоной действия дифференциальной защиты. Рассмотренная нами защита генератора называется продольной дифференциальной защитой. По принципу действия она не реагирует на витковые замыкания, поскольку при замыкании витков какой-либо фазы статора токи, проходящие через первич-
ные обмотки ТА1 и ТА2, одинаковы, и ток в реле отсутствует. Поэтому для защиты от витковых замыканий на генераторах, имеющих в каждой фазе статора две параллельные ветви и более, применяется дополнительно поперечная дифференциальная защита [1].
Из рассмотренного примера вытекает следующее общее правило: для правильной сборки токовых цепей дифференциальной защиты вторичные обмотки трансформаторов тока должны быть соединены между собой и с обмотками реле так, чтобы при внешнем коротком замыкании (или в режиме нагрузки защищаемого элемента) вторичные токи в обмотках реле были противоположными.
Особенности выполнения схем токовых цепей дифференциальных защит трансформаторов и автотрансформаторов определяются главным образом неравенством вторичных токов в плечах защиты и несовпадением первичных токов по фазе при схеме соединения обмоток звезда - треугольник (У/Д). Неравенство вторичных токов обусловлено неравенством номинальных первичных токов в выводах разного напряжения трансформатора, что, в свою очередь, определяется отличием коэффициента трансформации (или коэффициентов трансформации у многообмоточных трансформаторов) от единицы. Так, для двухобмоточного трансформатора соотношение номинальных токов и напряжений определяется номинальным коэффициентом трансформации
где /нн, /вн — токи и UHH и UB„ — напряжения на сторонах низшего и высшего напряжений трансформатора соответственно.
Для того чтобы дифференциальная защита не действовала при внешних КЗ и в режиме нагрузки, коэффициенты трансформации комплектов трансформаторов тока, установленных с разных сторон силового трансформатора, выбираются так, чтобы вторичные токи, подводимые к реле, были возможно ближе по значению. При выборе трансформаторов тока по существующей шкале коэффициентов трансформации разность вторичных токов в режиме нагрузки или внешнего КЗ может получиться довольно большой. В этом случае вторичные токи подаются в обмотки реле через отдельные* или встроенные в реле промежуточные трансформаторы. Подбором коэффициентов трансформации промежуточных трансформаторов обеспечивается дополнительная компенсация неравенства вторичных токов из такого расчета, чтобы^р = 0.
При соединении обмоток силового трансформатора в схему У/Д между первичными токами со стороны высшего и низшего напряжений получается угловой сдвиг, одинаковый для всех фаз трансформатора. Для наиболее распространенной группы соединения обмоток У/Д-11
Рис.3. Схема соединения обмоток и векторные диаграммы токов в силовом трансформаторе с группой соединения обмоток У/Д-11
угол между линейными токами на стороне треугольника и линейными токами на стороне звезды составляет 330°.
*Отдельные промежуточные трансформаторы тока в настоящее время практически не применяются.
На рис.3, а показано токораспределение в обмотках силового двухобмоточного трансформатора с группой соединения обмоток У/Д-11, на рис.3, б изображены соответствующие векторные диаграммы.
Задаваясь условными положительными направлениями токов Ja, Jb, Jc со стороны высшего напряжения и учитывая, что направления фазных токов Ja, Jb, Jc отличаются от направлений токов Ja.Jb.Jc на 180°, показываем начала стрелок WirJa.Jb.Ic как бы "входящими" в полярные концы А, В, С, а начала стрелок фазных токов Ja,Jb> 1с ~ выходящими из полярных концов а, Ь, с.
Учитывая выбранные положительные направления линейных токов Jab.Jbc.Jca, можем, например, для точки а написать равенство
Jab +Jb - Ja =0.
(3)
Такие рассуждения совпадают с физическими представлениями о направлении токов через понизительный трансформатор в сторону нагрузки и соответствуют ГОСТ.
На рис.3, б токи Ja,Ib,lc совпадают с векторами Ja,Ib,Ic- Векторы линейных токов Iab,Jbc,Jca получаются сдвинутыми относительно векторов токов Ja,Jb>Ic на 330° (-30°).
Аналогичные выражения получаются для точек Ъ и с. Тогда линейные токи низшего напряжения для фаз А, В, С равны:
Рис.4. Принципиальная схема соединения токовых цепей (в) и векторные диаграммы вторичных токов (б) дифференциальной защиты трансформатора с группой соединения обмоток У/Д-11
Векторы токов, проходящих во вторичных обмотках трансформаторов тока, установленных с разных сторон защищаемого трансформатора, также будут иметь угловой сдвиг на 330°. При соединении вторичных обмоток трансформаторов тока по схеме У/У в цепях дифференциальных реле даже при одинаковых по значению вторичных токах, проходящих от комплектов ТА1 и ТА2, получался бы значительный ток небаланса, обусловленный геометрической разностью этих токов. Для компенсации сдвига токов по фазе вторичные обмотки трансформаторов тока со стороны обмоток силового трансформатора, включенных по схеме звезда, собираются в треугольник, а со стороны треугольника силового трансформатора — в звезду.
Однако не всякое соединение вторичных обмоток трансформаторов тока в треугольник обеспечивает компенсацию сдвига по фазе между токами. Как показано на рис.4, а, схема соединения трансформаторов тока в цепях дифференциальной защиты должна повторять группу соединения обмоток силового трансформатора. При этом обмотки трансформаторов тока ТА1 на стороне звезды силового трансформатора собираются в треугольник, а на стороне треугольника (комплект ТА2) - в звезду. При таком соединении токовых цепей в реле КА проходит разность токов Хса и 1са> векторы которых одинаковы по величине- и направлению. В результате ток в реле отсутствует.
Следует отметить, что при установке трансформаторов тока на стороне обмотки НН на фазных выводах цепи вторичных обмоток трансформаторов тока собираются на всех сторонах защищаемого трансформатора одинаково: либо в звезду, либо в треугольник.
При определении коэффициентов трансформации трансформаторов тока необходимо учитывать, что вторичные токи, которые проходят в реле от группы трансформаторов тока, соединенных в треугольник, равны геометрической разности двух фазных токов и в 1,73 (\/Т) раза больше тока в обмотках этой группы трансформаторов тока. Как видно из рис.4, б, вторичные линейные токи Jab- 1'вс- /са являются геометрической разностью фазных токов J'B, Vq (подробнее см.
[4]).
Для дифференциальной защиты шин (ДЗШ) комплекты трансформаторов тока устанавливают на всех присоединениях, отходящих от защищаемых шин. В режиме нормальной работы и при внешних КЗ геометрическая сумма первичных токов всех присоединений, подключенных к сборным шинам, равна нулю, а при повреждении в защищаемой зоне — току в месте КЗ.
Чтобы в соответствии с принципом действия дифференциальной защиты геометрическая сумма вторичных токов, поступающих в реле, была пропорциональна геометрической сумме первичных токов, должны быть выполнены два условия:
коэффициенты трансформации трансформаторов тока Kj всех присоединений, подключенных к защищаемым шинам, должны быть одинаковы вне зависимости от значений рабочих токов присоединений. Если различные присоединения имеют трансформаторы тока с неодинаковым Kj, то в схеме защиты используются специальные промежуточные трансформаторы (выносные или встроенные в реле);
полярность включения обмоток трансформаторов тока должна быть вполне определенной: первичные обмотки подключаются к шинам одноименными зажимами (обычно JJ1), при этом вторичные обмотки соединяются параллельно также одноименными зажимами. Если полярность включения первичных обмоток на каком-либо присоединении (или даже на одной фазе присоединения) отличается от полярности на остальных присоединениях (или фазах), то вторичные обмотки должны быть подключены к токовым цепям защиты с учетом имеющегося отличия.
Обмотки дифференциальных реле подключаются к токовым цепям таким образом, как показано на рис.5, а, б, где изображена принципиальная схема дифференциальной защиты одиночной (несекционированной) системы шин.
При КЗ в зоне действия защиты (рис.5, а) вторичные токи от каждой группы трансформаторов тока проходят через реле КА в одном направлении и, суммируясь, приводят защиту в действие.
Рис.5. Принципиальные схемы соединения токовых цепей дифференциальной защиты шин и токораспределение в реле ДЗШ:
а - защита одиночной системы шин, КЗ на шинах; б - защита одиночной системы шин, КЗ на пинии; в — защита двойной системы шин с фиксированным распределением присоединений; I, II - индивидуальные комплекты I и II систем шин соответственно; III - общий комплект пусковых реле
При внешнем КЗ (рис.5, б), например на присоединении 1, первичные токи /2 и /3 проходят через первичные обмотки трансформаторов тока своих присоединений от зажимов JI2 к зажимам JI1, соответственно вторичные токи направлены от И1 к И2. Через первичные обмотки трансформаторов тока присоединения 1 проходит сумма токов (12 +/3) в направлении от зажимов JI1 к зажимам JI2, вторичные токи от этой группы трансформаторов тока равны сумме токов (/2 +2з)> направленных от зажимов И2 к зажимам И1. В результате ток в дифференциальной цепи и обмотке реле КА отсутствует.
В большинстве случаев на станциях и ответственных подстанциях присоединения подключены к двум и более системам шин и секций. При этом шиносоединительные и секционные выключатели нормально замкнуты или разомкнуты, а все присоединения закреплены или, как выражаются, "зафиксированы" за определенной системой шин и секцией.
К ДЗШ при такой сложной схеме первичных соединений предъявляется требование избирательного отключения только повредившейся секции или системы шин. Трансформаторы тока должны быть на всех (исключая иногда маломощные присоединения, например трансформаторы 2,5 или 6,3 MB • А) элементах, в том числе и на тех, которые соединяют защищаемую систему (секцию) с другой системой (секцией) тех же шин. Поэтому трансформаторы тока установлены также на шиносоединительном (секционном) выключателе.
На рис.5, в показана принципиальная схема токовых цепей дифференциальной защиты двойной системы шин с фиксированным распределением присоединений с двумя комплектами трансформаторов тока на шиносоединительном выключателе. Защита имеет три комплекта пусковых токовых реле. Реле / включены дифференциально на соединенные параллельно комплекты трансформаторов тока всех присоединений первой системы шин AJ и шиносоединительного выключателя QA. Аналогично реле II включены в токовые цепи присоединений второй системы шин АН и шиносоединительного выключателя QA. Реле III включены на сумму токов, проходящих через реле комплектов / и II, т.е. на сумму токов всех присоединений, отходящих от защищаемых шин. При КЗ на системе шин AI обеспечивается срабатывание реле / и III (на рис.5, в контакты реле / и III показаны в замкнутом состоянии).
