Дифференциальная защита шин (ДЗШ)

Дифференциальная токовая защита шин (ДЗШ) – это быстродействующая защита с абсолютной селективностью, которая используется для защиты шин классом напряжения 110 кВ и выше. В распределительных устройствах более низкого напряжения используются логическая защита шин и дуговая защита шин.

Дифференциальная токовая защита шин предназначена для быстрого отключения присоединений, подключенных на сборные шины, при коротких замыканиях на сборных шинах или на любом другом оборудовании, входящем в зону действия защиты.

Рис.1. Схема подключения ДЗШ

ДЗШ охватывает все элементы распределительного устройства, присоединенные к секции шин, и действует без замедления при всех видах коротких замыканий (КЗ) на отключение выключателей этих элементов с пуском их УРОВ и запретом их АПВ при неуспешном АПВ шин.

Токовые цепи ДЗШ всегда выполняются в трехфазном исполнении, а трансформаторы тока присоединений собираются по схеме полной звезды. Защита подключается к обмоткам трансформаторов тока таким образом, что бы ее зона действия максимально перекрывалась с зонами действия защит присоединений. При подключении устройства защиты к ТТ присоединений за положительное направление токов принимают их направление в сторону защищаемого объекта («в шины»). Таким образом, зона действия защиты ДЗШ ограничивается трансформаторами тока, к которым подключена защита.

Каждое присоединение формирует так называемое «плечо» дифференциальной защиты. Для всех «плеч» дифференциальной защиты необходимо либо применять трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации, либо применять меры по выравниванию токов в «плечах» дифференциальной защиты: использовать промежуточные трансформаторы тока для выравнивания токов в «плечах» защиты. В современных микропроцессорных устройствах предусматривается программное выравнивание коэффициентов трансформации трансформаторов тока в «плечах» защиты.

Принцип действия защиты ДЗШ

Принцип действия защиты ДЗШ основан на измерении дифференциального тока, который представляет собой геометрическую (векторную) сумму токов от трансформаторов тока всех присоединений, зафиксированных на данной системе шин (ошиновки). Дифференциальный ток в любой момент времени определяется по следующему выражению (данное соотношение справедливо как для мгновенных значений токов, так и для векторных величин):

 - величина дифференциального тока защиты;

 - значение тока присоединения, приведенное к вторичным величинам.

При коротком замыкании в зоне действия защиты шин (или ошиновки) по всем присоединениям ток короткого замыкания направлен к месту короткого замыкания.

Рис.2. Короткое замыкание в зоне срабатывания защиты

В рассматриваемом примере дифференциальный ток короткого замыкания определяется следующим образом:

При достижении дифференциального тока уставки срабатывания происходит срабатывание защиты.

В нормальном режиме работы или при внешних коротких замыканиях величина дифференциального тока близка к нулю, но не равна нулю из-за погрешностей трансформаторов тока, различием характеристик намагничивания трансформаторов тока различных производителей и другими причинами.

Рис.3. Внешнее короткое замыкание

В рассматриваемом примере дифференциальный ток короткого замыкания определяется следующим образом:

Величина небаланса дифференциального тока  минимальна в нормальном режиме работы и увеличивается при увеличении значения внешнего тока короткого замыкания. Ток небаланса может вызвать неправильную работу защиты ДЗШ, поэтому принимаются меры к ограничению его значения или загрубение уставки срабатывания. С целью ограничения тока небаланса необходимо:

а)применять однотипные трансформаторы тока с высокими характеристиками намагничивания, у которых насыщение сердечника трансформатора тока происходит при больших токах короткого замыкания;

б)уменьшать вторичные токи за счет увеличения коэффициента трансформации трансформаторов тока;

в)уменьшать нагрузку на трансформаторы тока путем увеличения сечения и сокращения длины соединительных проводов токовых цепей.

Все представленные выше мероприятия позволяют уменьшить погрешность трансформаторов тока при преобразовании величины первичного тока присоединений во вторичные значения.

В настоящее время разработаны более совершенные схемы дифференциальных защит шин (или ошиновки) с применением торможения, которые имеют более улучшенные характеристики отстройки от тока небаланса при внешнем коротком замыкании.

Защиты ДЗШ с торможением

Для повышения чувствительности защиты в минимальных режимах работы и отстройки от токов небаланса при внешнем коротком замыкании используют схемы дифференциальных защит шин с применением торможения, в которых уставка срабатывания дифференциального тока изменяется в зависимости от тока торможения (сквозного тока, проходящего через защищаемый объект).

Тормозной ток (ток стабилизации) представляет собой арифметическую сумму модулей токов от трансформаторов тока всех присоединений, зафиксированных на данной системе шин (ошиновки).

 - ток торможения (ток стабилизации).

Основной принцип действия защиты ДЗШ с торможением базируется на сравнении величины дифференциального тока  с уставкой срабатывания, которая в свою очередь изменяется в зависимости от величины рассчитанного тока торможения . Общий вид характеристики срабатывания защиты ДЗШ с торможением представлен на рисунке.

Рис.4. Характеристики ДЗШ

Представленная характеристика предотвращает ложное срабатывание защиты, которое может быть вызвано наличием дифференциального тока при внешнем коротком замыкании из-за различных характеристик и погрешностей трансформаторов тока.

Характеристика срабатывания ДЗШ регулируется коэффициентом торможения, который определяет отстройку от небаланса при внешнем максимальном КЗ, когда погрешность трансформаторов тока – максимальна. Коэффициент торможения определяется в относительных единицах.  Коэффициент торможения  соответствует тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат, к оси абсцисс.

В современных микропроцессорных защитах имеется возможность задания второй ступени срабатывания - дифференциальной отсечки (I-DIFF>>). При реализации защиты шин дифференциальная отсечка - не определяется (не используется), ввиду практической невозможности выбора критерия срабатывания. Данная функция предназначена для ликвидации КЗ с большими токами при повреждениях в защищаемой зоне элементов, обладающих значительным внутренним сопротивлением, например, при защите трансформаторов и автотрансформаторах.

Защита ДЗШ действует без выдержки времени при всех видах коротких замыканий на отключение защищаемого элемента с помощью выключателей с пуском УРОВ. После отключения от защиты выключателей присоединений систем шин, происходит их автоматическое повторное включение, для чего используются имеющиеся на указанных присоединениях устройства АПВ. АПВ шин осуществляется в порядке, определяемом временем АПВ присоединений.

 

Контроль вторичных токовых цепей

В защите реализован контроль неисправностей вторичных токовых цепей ДЗШ, который контролирует ток небаланса в дифференциальной цепи защиты каждой отдельной фазы и нулевом проводе. Данная блокировка выявляет обрыв или шунтирование фазы вторичной цепи трансформатора тока для своевременного выявления неисправности оперативным персоналом объекта. В случае выявления защита действует на сигнал или блокирование (по выбору) соответствующей селективной зоны ДЗШ, или полное блокирование ДЗШ.

 

Оперативное обслуживание

Защита шин (или ошиновки) должна быть постоянно введена в работу. При невозможности обеспечить наличие защиты ДЗШ при работающем элементе необходимо:

1.Ввести оперативное ускорение резервных защит противоположных сторон линий, которые примыкают к системе шин (ошиновки) с выведенной ДЗШ.

2.Ввести оперативное ускорение ступеней резервных защит автотрансформаторов, направленных в сторону системы шин (ошиновки) с выведенной ДЗШ.

3.При наличии опережающего отключения ШСВ от резервных защит автотрансформаторов ввести оперативное ускорение опережающего отключения ШСВ (для сети 6-220 кВ).

Однако следует отметить, что при коротком замыкании на системе шин (ошиновки) локализация короткого замыкания будет выполняться путем отключения линий электропередачи, которые примыкают к системе шин (ошиновки), что может привести к развитию аварийной ситуации в энергосистеме (системной аварии), поэтому необходимо не допускать отсутствие защит ДЗШ по любой причине.

 

Выбор параметров срабатывания защиты

Следует отметить, что в зависимости от производителя тормозной ток определяется по разному: у отдельных производителей сумма всех модулей токов, а у других производителей - полусумма всех модулей токов.

В данном случае рассмотрим методику расчета параметров срабатывания ДЗШ, в котором в качестве дифференциального тока используется модуль геометрической суммы всех токов, поступающих на входы реле, а в качестве тормозного тока – полусумма всех модулей токов, поступающих на входы реле.

1.Выбор тока начала торможения ДЗШ:

Ток начала торможения ДЗШ  – начальный ток торможения, определяет длину горизонтального участка тормозной характеристики. Ток начала торможения  задается в относительных единицах и регулируется в диапазоне от 1,00 до 2,00 базисного тока. Расчет уставок выполняется со значения 1,00. В случае если чувствительность защиты получается неудовлетворительной, то необходимо увеличить значение тока начала торможения  до необходимого значения.

2.Выбор начального тока срабатывания.

Начальный ток срабатывания защиты выбирается как наибольшее значение тока, полученного при рассмотрении двух условий:

2.1.Выбор уставки минимального тока срабатывания защиты производится по условию отстройки от максимального тока в реле при обрыве фазного провода вторичных токовых цепей защиты любого присоединения шин(отстройка от дифференциального тока при обрыве вторичных токовых цепей защиты в нагрузочном режиме):

 – коэффициент отстройки;

– первичный ток нагрузки наиболее нагруженного присоединения, подключенного к рассматриваемой системе шин. При затруднении в определении действительных токов нагрузки, следует принять максимальный номинальный первичный ток ТТ присоединений шин.

 – коэффициент трансформации ТТ наиболее нагруженного присоединения;

 – базисный ток наиболее нагруженного присоединения.

2.2.Отстройка от расчетного первичного тока небаланса в режиме, соответствующем началу торможения

 – коэффициент отстройки;

 - составляющая тока небаланса, обусловленная погрешностью ТТ в режиме, соответствующем началу торможения (когда полусумма первичных тормозных токов равна току).

 – коэффициент однотипности;

 – коэффициент, учитывающий переходный режим;

 – полная погрешность трансформаторов тока;

 – полная погрешность выравнивания;

 – полная относительная погрешность промежуточнх ТТ (промежуточные ТТ отсутствуют);

  – ток начала торможения [о.е.].

3.Выбор коэффициента торможения

Коэффициент торможения выбирается исходя из отстройки от тока небаланса в переходном режиме при внешнем КЗ. Коэффициент торможения выбирается в диапазоне величин от 0,6 до 1,2 с использованием следующего выражения:

 – коэффицент отстройки;

 – относительное значение максимального расчетного тока небаланса при расчетном внешнем КЗ, протекающего через защиту;

 – относительное значение расчетного тормозного тока в защите при расчетном внешнем КЗ;

 – принятое значение начального тока срабатывания защиты [о.е.];

 – принятое значение тока начала торможения [о.е.].

3.1. Относительное значение тока небаланса при расчетном внешнем коротком замыкании, протекающего через защиту, определяется по следующему выражению:

 – коэффициент однотипности;

 – коэффициент, учитывающий переходный режим;

 – полная погрешность трансформаторов тока;

 – полная погрешность выравнивания;

 – полная относительная погрешность промежуточнх ТТ (промежуточные ТТ отсутствуют);

 – относительное максимальное значение тока внешнего металлического КЗ, приведенное к базисному току [о.е.].

 – первичное максимальное значение тока внешнего металлического КЗ.

3.2.Относительное значение тормозного тока при расчетном внешнем коротком замыкании, протекающего через защиту, определяется по следующему выражению:

 – относительное максимальное значение тока внешнего металлического КЗ, приведенное к базисному току [о.е.].

 – относительное значение тока в нагрузочном режиме, приведенное к базисному току [о.е.].

 – первичное максимальное значение тока в нагрузочном режиме

4.Проверка чувствительности защиты

Чувствительность защиты проверяется при симметричном коротком замыкании на защищаемом участке в минимальном режиме работы:

 – относительное минимальное значение периодической составляющей полного фазного тока при КЗ на шинах [о.е.].

 – первичное минимальное значение тока внутреннего КЗ на шинах.

 – тормозной ток, подводимый к защите при расчетном КЗ с учетом нагрузки, определяется по выражению:

Примечание: коэффициент 0,5 в данном выражении характеризует то, что в качестве тормозного тока используется полусумма всех модулей токов.

Значение коэффициента чувствительности должно быть не менее 2.

Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.