V članku boste izvedeli, kaj je diferencialna zaščita, kako deluje, kakšne pozitivne lastnosti ima. Govorilo bo tudi o tem, kakšne so pomanjkljivosti diferencialne zaščite daljnovodov. Naučili se boste tudi praktičnih shem za zaščito naprav in električnih vodov.
Diferencialna vrsta zaščite trenutno velja za najpogostejšo in najhitrejšo. Sposoben je zaščititi sistem pred kratkimi stiki med fazo. In v tistih sistemih, ki uporabljajo trdno ozemljeno nevtralno, lahko zlahka prepreči nastanek enofaznih kratkih stikov. Diferencialna vrsta zaščite se uporablja za zaščito električnih vodov, motorjev velike moči, transformatorjev, generatorjev.
Skupno obstajata dve vrsti diferencialne zaščite:
- Z napetosti, ki uravnovešajo druga drugo.
- S krožnim tokom.
Ta članek boobe vrsti diferencialne zaščite upoštevamo, da bi o njih izvedeli čim več.
Diferencialna zaščita z uporabo krožnih tokov
Načelo je, da se tokovi primerjajo. Natančneje, primerjava parametrov je na začetku elementa, katerega zaščita se izvaja, in na koncu. Ta shema se uporablja pri izvedbi vzdolžnega in prečnega tipa. Prvi se uporabljajo za zagotavljanje varnosti enega daljnovoda, elektromotorjev, transformatorjev, generatorjev. Vzdolžna diferencialna zaščita vodov je zelo pogosta v sodobni elektroenergetski industriji. Druga vrsta diferencialne zaščite se uporablja pri vzporednih daljnovodih.
Vzdolžna diferencialna zaščita vodov in naprav
Za izvedbo vzdolžne zaščite je potrebno na obeh koncih namestiti enake tokovne transformatorje. Njihova sekundarna navitja morajo biti med seboj povezana zaporedno s pomočjo dodatnih električnih žic, ki jih je treba povezati s tokovnimi releji. Poleg tega morajo biti ti tokovni releji vzporedno povezani s sekundarnimi navitji. V normalnih pogojih, pa tudi ob prisotnosti zunanjega kratkega stika, bo v obeh primarnih navitjih transformatorjev tekel enak tok, ki bo enak tako po fazi kot po velikosti. Nekoliko manjša vrednost bo tekla skozi navitje elektromagnetnega toka releja. Izračunate ga lahko s preprosto formulo:
Ir=I1-I2.
Predpostavimo, da se trenutne odvisnosti transformatorjev popolnoma ujemajo. Zato je prej omenjena razlika v trenutnih vrednostih blizu ali enaka nič. Z drugimi besedami, Ir=0 in zaščita trenutno ne deluje. Pomožna napeljava, ki povezuje sekundarna navitja transformatorjev, kroži tok.
Shema vzdolžne diferencialne zaščite
To diferencialno zaščitno vezje vam omogoča, da dobite enake vrednosti tokov, ki tečejo skozi sekundarni tokokrog transformatorjev. Na podlagi tega lahko sklepamo, da je bila ta zaščitna shema tako poimenovana zaradi principa delovanja. V tem primeru območje, ki se nahaja neposredno med tokovnimi transformatorji, pade v zaščitno območje. V primeru kratkega stika v zaščitnem območju, ko se napaja z ene strani transformatorja, tok I1 teče skozi navitje elektromagnetnega releja. Pošlje se v sekundarni tokokrog transformatorja, ki je nameščen na drugi strani linije. Treba je biti pozoren na dejstvo, da je v sekundarnem navitju zelo visoka odpornost. Zato skozenj skoraj ne teče tok. Po tem principu deluje diferencialna zaščita pnevmatik, generatorjev, transformatorjev. V primeru, da se izkaže, da je I1 enak ali večji od Ir, zaščita začne delovati in odpre kontaktno skupino stikal.
Zaščita pred kratkim stikom in vezjem
V primeru kratkega stika znotraj zaščitenega območja obojestrani, skozi elektromagnetni rele teče tok, enak vsoti tokov vsakega navitja. V tem primeru se zaščita aktivira tudi z odpiranjem kontaktov stikal. Vsi zgornji primeri predvidevajo, da so vsi tehnični parametri transformatorjev popolnoma enaki. Zato je Ir=0. Toda to so idealni pogoji, v resnici pa se zaradi majhnih razlik v zmogljivosti magnetnih sistemov primarnih tokov električni aparati med seboj bistveno razlikujejo, tudi iste vrste. Če obstajajo razlike v značilnostih tokovnih transformatorjev (ko je izvedena diferencialno-fazna zaščita strukture), se bodo tokovi sekundarnih tokokrogov razlikovali, tudi če so primarni popolnoma enaki. Zdaj moramo razmisliti, kako deluje diferencialno zaščitno vezje v primeru zunanjega kratkega stika na daljnovodu.
Zunanji kratek stik
V prisotnosti zunanjega kratkega stika bo neuravnotežen tok stekel skozi elektromagnetni rele diferencialne zaščite. Njegova vrednost je neposredno odvisna od tega, kakšen tok teče skozi primarni tokokrog transformatorja. V običajnem načinu obremenitve je njegova vrednost majhna, vendar se v prisotnosti zunanjega kratkega stika začne povečevati. Njegova vrednost je odvisna tudi od časa po začetku napake. Poleg tega naj bi dosegel svojo največjo vrednost v prvih nekaj obdobjih po začetku zaprtja. V tem času celoten kratek stik I teče skozi primarne tokokroge transformatorjev.
Omeniti velja tudi, da je sprva kratek stik sestavljen iz dveh vrst toka - enosmernega in izmeničnega. Imenujejo se tudiaperiodične in periodične komponente. Diferencialna zaščitna naprava je taka, da mora prisotnost aperiodične komponente v toku vedno povzročiti prekomerno nasičenost magnetnega sistema transformatorja. Posledično se neuravnotežena potencialna razlika močno poveča. Ko se tok kratkega stika začne zmanjševati, se zmanjša tudi vrednost neuravnoteženosti sistema. Po tem principu se izvaja diferencialna zaščita transformatorja.
Občutljivost zaščitnih struktur
Vse vrste diferencialne zaščite so hitro delujoče. In ne delujejo v prisotnosti zunanjih kratkih stikov, zato je treba izbrati elektromagnetne releje ob upoštevanju največjega možnega neuravnoteženega toka v sistemu ob prisotnosti zunanjega kratkega stika. Vredno je biti pozoren na dejstvo, da ima ta vrsta zaščite izjemno nizko občutljivost. Če ga želite povečati, morate izpolniti številne pogoje. Najprej je treba uporabiti tokovne transformatorje, ki ne nasičijo magnetnih vezij v trenutku, ko tok teče skozi primarni krog (ne glede na njegovo vrednost). Drugič, zaželeno je uporabljati električne naprave hitro nasičenega tipa. Priključeni morajo biti na sekundarna navitja elementov, ki jih je treba zaščititi. Elektromagnetni rele je povezan s hitro nasičenim transformatorjem (tokovna diferencialna zaščita postane čim bolj zanesljiva) vzporedno s svojim sekundarnim navitjem. Tako deluje diferencialna zaščita generatorja ali transformatorja.
Povečaj občutljivost
Predpostavimo, da je prišlo do zunanjega kratkega stika. V tem primeru skozi primarne tokokroge zaščitnih transformatorjev teče določen tok, sestavljen iz aperiodičnih in periodičnih komponent. Enake "komponente" so prisotne v neuravnoteženem toku, ki teče skozi primarno navitje transformatorja s hitrim nasičenjem. V tem primeru aperiodična komponenta toka znatno nasiči jedro. Zato ne pride do transformacije toka v sekundarni tokokrog. Z oslabljenjem aperiodične komponente pride do znatnega zmanjšanja nasičenosti magnetnega vezja in postopoma se v sekundarnem vezju začne pojavljati določena vrednost toka. Toda najvišja raven neuravnoteženega toka bo veliko manjša kot v odsotnosti transformatorja s hitrim nasičenjem. Zato lahko povečate občutljivost tako, da nastavite vrednost zaščitnega toka manjšo ali enako najvišji vrednosti potencialne razlike neuravnoteženosti.
Pozitivne lastnosti diferencialne zaščite
V prvih obdobjih je magnetno vezje zelo močno nasičeno, transformacija praktično ne pride. Toda po razpadu aperiodične komponente se periodični del začne transformirati v sekundarnem krogu. Vredno je biti pozoren na dejstvo, da je zelo pomemben. Zato elektromagnetni rele deluje in izklopi zaščiteno vezje. Zelo nizka stopnja transformacije v prvih približno poldrugih časovnih obdobjih upočasni delovanje zaščitnega vezja. Toda to ne igra velike vloge pri konstrukciji praktičnih zaščitnih vezij.
Diferencialna zaščita transformatorja ne deluje v primerih, ko pride do poškodbe električnega tokokroga zunaj zaščitnega območja. Zato časovni zamik in selektivnost nista potrebni. Odzivni čas zaščite se giblje od 0,05 do 0,1 sekunde. To je velika prednost te vrste diferencialne zaščite. Toda obstaja še ena prednost - zelo visoka stopnja občutljivosti, zlasti pri uporabi transformatorja s hitrim nasičenjem. Med manjšimi prednostmi velja izpostaviti, kot sta preprostost in zelo visoka zanesljivost.
Negativne lastnosti
Vendar imata tako vzdolžna kot prečna diferencialna zaščita slabosti. Na primer, ne more zaščititi električnega tokokroga, ko je izpostavljen kratkim stikom od zunaj. Prav tako ne more odpreti električnega tokokroga, če je izpostavljen močni preobremenitvi.
Žal lahko zaščita deluje, če je poškodovan pomožni tokokrog, na katerega je priključeno sekundarno navitje. Toda vse prednosti diferencialne zaščite s krožnim tokom prekinjajo te manjše pomanjkljivosti. Vendar so sposobni zaščititi daljnovode zelo kratke dolžine, ne več kot kilometer.
Zelo pogosto se uporabljajo pri izvedbi zaščite žic, s pomočjo katerih se napajajo različne naprave, potrebne za delovanje elektrarn in generatorjev. V primeru, da je dolžina daljnovoda zelo velika, na primer več deset kilometrov, zaščita poto vezje je zelo težko izvesti, saj je za povezavo elektromagnetnih relejev in sekundarnega navitja transformatorjev potrebno uporabiti žice z zelo velikim prerezom.
Če uporabljate standardne žice, bo obremenitev tokovnih transformatorjev prevelika, pa tudi neuravnoteženi tok. Kar pa se tiče občutljivosti, se izkaže za izjemno nizko.
Izvedbe zaščitnih relejev in obseg vezij
V zelo dolgih daljnovodih se uporablja vezje, v katerem je zaščitni rele posebne izvedbe. Z njim lahko zagotovite normalno raven občutljivosti in uporabite standardne povezovalne žice. Prečna diferencialna zaščita deluje tako, da primerja tok v dveh linijah po fazah in velikostih.
Visokohitrostna diferencialna zaščita se uporablja v daljnovodih, v katerih napetost teče v območju 3-35 tisoč voltov. To zagotavlja zanesljivo zaščito pred kratkim stikom med fazo. Diferencialna zaščita je izvedena kot dvofazna zaradi dejstva, da električno omrežje z zgoraj navedenimi delovnimi napetostmi ni ozemljeno z nevtralnimi. V nasprotnem primeru je nevtralna enota povezana z ozemljitvijo s pomočjo loka.
Pomožne žice pri oblikovanju zaščitnih vezij
Tokovni transformatorji so v relativni bližini drug drugemu. Zato so pomožne žice precej kratke. Pri uporabi žic majhnega premera natransformatorji bodo izpostavljeni relativno nizki obremenitvi. Kar zadeva tok neuravnoteženosti, je tudi majhen. Toda stopnja občutljivosti je zelo visoka. V primeru izklopa katerega koli voda diferencialna zaščita postane trenutna, ni časovne zakasnitve in selektivnosti. Da preprečite lažne alarme, pomožni kontakti linije odklopijo vezje.
Diferencialna zaščita tokokroga Straverse
Prečna zaščita se pogosto uporablja pri razvoju linijskih sistemov, ki delujejo vzporedno. Stikala so nameščena na obeh straneh linije. Bistvo je, da je takšne linije zelo težko zaščititi s preprostimi vezji. Razlog je v tem, da je nemogoče doseči normalno raven selektivnosti. Za izboljšanje selektivnosti je treba časovni zamik skrbno izbrati. Toda v primeru uporabe prečno usmerjene diferencialne zaščite časovni zamik ni potreben, selektivnost je precej visoka. Ima glavne organe:
- Smer moči. Pogosto se uporabljajo dvodelujoči smerni releji moči. Včasih se uporablja par enodelujočih diferencialnih zaščitnih relejev, ki delujejo z različnimi smermi moči.
- Zagon - praviloma se v njegovi vlogi uporabljajo hitri releji z največjim možnim tokom.
Zasnova sistema je taka, da so na vodi nameščeni tokovni transformatorji s sekundarnimi navitji, povezanimi v krožni tokovni krog. Toda vsa trenutna navitja se vklopijo zaporedno, pokaj so povezani s pomočjo dodatnih žic na tokovne transformatorje. Da bi diferencialno-fazna zaščita delovala, se napetost dovaja na rele s pomočjo zbiralk inštalacij. Na njih je nameščen celoten komplet. Če pogledamo vezje za vklop sekundarnih tokokrogov transformatorjev in zaščitnega releja, lahko sklepamo, zakaj se imenuje "usmerjena osmica". Celoten sistem je izdelan v dveh sklopih. Na vsakem koncu linije je en komplet, ki zagotavlja trenutno diferencialno zaščito za daljnovod.
Enofazni relejni krog
Napetost na zaščitni rele se napaja v obratni fazi na tisto, kar je potrebno za odklop ene linije s poškodbo. Pri normalnem delovanju (tudi ob prisotnosti zunanjega kratkega stika) skozi navitja releja teče samo neuravnoteženi tok. Da bi se izognili lažnim izklopom, je potrebno, da imajo zagonski releji izklopni tok večji od neuravnoteženega toka. Razmislite o delu pri zaščiti dveh linij.
Na začetku kratkega stika nekaj toka teče v zaščitnem območju druge linije. Vredno je biti pozoren na dejstvo, da:
- Začetni rele je aktiviran.
- Na strani ene podpostaje rele smeri moči odpre kontakte odklopnika.
- S strani druge podpostaje je vod tudi odklopljen s stikali.
- V releju smeri moči je navor negativen, zato so kontakti odprti.
V navitjih zaščitnega releja prve linijesmer gibanja toka se med kratkim stikom spremeni (glede na prvo vrstico). Rele za smer moči ohranja kontaktno skupino v odprtem stanju. Odklopnika na strani obeh postaj sta odprta.
Samo takšna diferencialna zaščita vodi lahko pravilno deluje le, če obe vodi potekata vzporedno. V primeru, da je eden od njih izklopljen, je kršeno načelo delovanja diferencialne zaščite. Posledično nadaljnja zaščita vodi do neselektivnega izklopa druge linije med zunanjimi kratkimi stiki. V tem primeru postane navaden usmerjen tok in nima časovne zakasnitve. Da bi se temu izognili, se medsmerna zaščita samodejno izklopi med odklopom ene linije s prekinitvijo vezja s pomožnim kontaktom.
Dodatne vrste zaščite
Prožilni tokovi zagonskih relejev morajo biti večji od neuravnoteženih tokov med zunanjim kratkim stikom. Da bi se izognili lažnim pozitivnim rezultatom, ko je ena od linij odklopljena in največji obremenitveni tok teče skozi preostalo, je potrebno, da je večji od neuravnotežene potencialne razlike. Če je na progi prečna vrsta diferencialne zaščite, je treba zagotoviti dodatne stopnje.
Omogočajo zaščito ene linije, ko je vzporedna izklopljena. Običajno se uporabljajo za pretokovno zaščito med zunanjim kratkim stikom (v tem primeru diferencialna zaščita ne reagira). Poleg tega dodatna zaščitaje rezervna kopija diferenciala (če slednji ni uspel).
Velikokrat se uporabljajo usmerjena in neusmerjena tokovna zaščita, izklopi ipd.. Prečnosmerna diferencialna zaščita je enostavna konstrukcijsko, zelo zanesljiva in se je široko uporabljala v elektroenergetskih omrežjih z napetostmi 35 tisoč voltov oz. več. Tako deluje diferencialna zaščita, njeno načelo delovanja je precej preprosto, a vseeno morate poznati vsaj osnove elektrotehnike, da boste razumeli vse zapletenosti.
