Дифференциальная фазная защита (ДФЗ)

Защиты трансформаторов.

Все основные виды защит можно разделить на две группы:

· Основные

· Резервные

Основная защита – это защита с абсолютной селективностью, обычно дифференциальная.

Основная защита есть только на напряжении 35 кВ и выше, т.е. на присоединениях 0,4-10 кВ есть только резервные защиты

Есть присоединения, для которых нет резервных защит, только основные

Основная защита только одна, а резервных может быть несколько

Основная защита присоединения

Согласно определению ПУЭ (п. 3.2.14) – “На каждом из элементов электроустановки должна быть предусмотрена основная защита, предназначенная для ее действия при повреждениях в пределах всего защищаемого элемента с временем, меньшим, чем у других установленных на этом элементе защит.”

Таким образом на любом присоединении всегда есть основная защита. Это любая защита, которая защищает весь участок и действует быстрее, чем другие защиты. Все просто и понятно. Теперь примеры.

Для линии 0,4, 6 или 10 кВ основная защита – это максимальная токовая защита (МТЗ). Защищает всю линию и работает быстрее остальных защит. Токовая отсечка срабатывает быстрее, чем МТЗ, но она защищает только часть линии, т.е. не может являться основной защитой. То же самое с защитой от перегрузки – хоть и реагирует на повреждения на всем участке, но срабатывает намного медленнее, чем МТЗ.

Пример с защитой силовых трансформаторов. Трансформаторы мощностью до 6,3 МВА имеют в качестве основной защиты МТЗ, а вот начиная с 6,3 МВА и выше добавляется дифференциальная. Она и становится основной вместо МТЗ, а МТЗ переходит в разряд резервных.

Может ли быть несколько основных защит на одном присоединении?  Да, может.

Например, для масляных силовых трансформаторов 6,3 МВА и больше обычно 2 основных зашиты – дифференциальная и газовая. Обе подходят под определение по п.3.2.14 потому, что работают без выдержки времени и на всем защищаемом участке. Иногда на присоединении ставят по 3 основных защиты, например, для АТ 220 кВ и выше большой мощности (две дифференциальные и газовая)

Резервная защита

Опять же давайте сначала посмотрим определение (ПУЭ п.3.2.15) – “Для действия при отказах защит или выключателей смежных элементов следует предусматривать резервную защиту, предназначенную для обеспечения дальнего резервного действия.

Если основная защита элемента обладает абсолютной селективностью (например, высокочастотная защита, продольная и поперечная дифференциальные защиты), то на данном элементе должна быть установлена резервная защита, выполняющая функции не только дальнего, но и ближнего резервирования, т. е. действующая при отказе основной защиты данного элемента или выведении ее из работы…”

Таким образом резервная защита присутствует также всегда и для любого присоединения.

Просто запомните одну простую вещь – на любом участке энергосистемы, на любом классе напряжения, есть как минимум 2 защиты – основная и резервная. Всегда!

Чаще всего резервной защитой присоединения является основная защита вышестоящего присоединения. Получается последовательная цепочка защит в которой все ступени “наползают” друг на друга.

Однако, если основная защита присоединения выполняется в виде дифференциальной или дифференциально-фазной защиты, то нужна еще одна защита, чтобы выполнить резервирование нижестоящего участка. Эта защита должна быть ступенчатой потому, что только ступенчатые могут выполнять дальнее резервирование.

Итоги:

На любом присоединении есть как минимум одна основная защита

На любом присоединении есть как минимум одна резервная защита

Основной может быть защита, выполненная на любом принципе (МТЗ, ДЗ ДЗТ, ДФЗ и т.д.)

Резервной может быть только ступенчатая защита (МТЗ или ДЗ)

На присоединении может быть несколько основных и резервных защит

1. Дифференциальная защита (ДЗТ) применяется в качестве основной защиты трансформаторов при повреждениях их обмоток, на вводах и ошиновке. Ввиду ее сравнительной сложности дифференциальная защита устанавливается лишь на одиночно работающих трансформаторах 6300 кВА и выше, на параллельно работающих трансформаторах мощностью 4000 кВА и выше и на трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает защитное действие, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 1 с.

Дифференциальная защита основана на принципе сравнения величин токов в начале и в конце защищаемого участка, например и начале и конце обмоток силового трансформатора, генератора и т. п. В частности, участок между трансформаторами тока, установленными на высшей и низшей сторонах силового трансформатора, считается защищаемой зоной.

Действие дифференциальной защиты поясняется рис.1. С обеих сторон трансформатора устанавливаются трансформаторы тока TT1 и ТТ2, вторичные обмотки которых включены последовательно. Параллельно им подключается токовое реле Т. Если характеристики трансформаторов тока будут одинаковы, то в нормальном режиме, а также при внешнем коротком замыкании токи во вторичных обмотках трансформаторов тока будут равны, разность их будет равна нулю, ток через обмотку токового реле Т протекать не будет, следовательно, защита действовать не будет.

Рис. 1. Дифференциальная защита трансформатора: а — токо-распределение при нормальном режиме, б — то же при коротком замыкании в трансформаторе.

При коротком замыкании в трансформаторе и в любой точке защищаемой зоны, например в обмотке трансформатора, по обмотке реле Т будет протекать ток, и если его величина будет равна току срабатывания реле или больше его, то реле сработает и через соответствующие вспомогательные приборы произведет двустороннее отключение поврежденного участка. Эта система будет действовать при междуфазных и межвитковых замыканиях.

Дифференциальная защита обладает высокой чувствительностью и является быстродействующей, так как для нее не требуется выдержки времени, она может выполняться с мгновенным действием, что и является ее главным положительным свойством. Однако она не обеспечивает защиты при внешних коротких замыканиях и может вызывать ложные отключения при обрыве в соединительных проводах вторичной цепи.

Дифференциальная фазная защита (ДФЗ)

Принцип действия. Дифференциально-фазная ВЧЗ (ДФЗ) основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой ЛЭП. Считая положительными токи, направленные от шин в ЛЭП, находим, что при внешнем КЗ в К1 (рис. 13.3, а) токи I_m и I_n по концам защищаемой ЛЭП имеют различные знаки и, следовательно, их можно считать сдвинутыми по фазе на 180°. В случае же КЗ на защищаемой ЛЭП (рис. 13.3,6) токи на ее концах имеют одинаковые знаки и их можно принять совпадающими по фазе, если пренебречь сдвигом векторов ЭДС Е_m и E_n по концам электропередачи и различием углов полных сопротивлений Z_m и Z_n

Принцип действия защиты основан на сравнении фаз токов присоединений. Токи, направленные от шин в линию, считаются положительными. Эти токи сравниваются защитой, и, если они совпадают по фазе, подается импульс на отключение выключателей.

При внешнем КЗ токи по концам линии имеют разные фазы и сдвинуты на угол, близкий к 180°. В этом случае защита блокируется и на отключение не действует.

Фазы токов сравниваются при помощи ВЧ сигналов, передаваемых по защищаемой линии. На каждом конце линии защита имеет однотипные органы - полукомплекты, действующие на ее пуск и отключение выключателей.

 

2. Токовая отсечка -Устройства данной защиты контролируют величину силы тока на защищаемом участке. В случае увеличения силы тока выше определённого значения защита срабатывает на отключение этого участка. Значение величины силы тока, при котором срабатывает защита, называется уставка. Уставку обычно выбирают таким образом, чтобы цепь обесточилась быстрее, чем в ней произойдут какие-либо разрушения. Чаще всего для отключения применяют электромагнитные реле тока, в которых под воздействием электромагнитной силы замыкаются контакты, выдавая сигнал на отключение выключателя защищаемого элемента. По тому же принципу действуют различные автоматические выключатели.

Величина электрического тока, протекающего через цепь во время короткого замыкания, зависит от того, в каком месте это замыкание произошло. Чем это место ближе к источнику тока, тем больше величина силы тока. Это свойство позволяет обеспечивать данной защитой требование селективности. Для того, чтобы защита срабатывала непосредственно на том участке, на котором она установлена, её уставку принимают большей, чем значение силы тока короткого замыкания вне защищаемого участка. В этом случае защита не сработает, если короткое замыкание произойдёт вне защищаемого участка. Благодаря этому, токовую отсечку называют защитой с абсолютной селективностью.

В отдельных случаях токовая отсечка может быть выполнена неселективной. В этом случае она защищает не отдельный участок линии, а всю линию целиком. Выполнение такой защиты оправдано тем, что сразу после её действия начинает работать устройство автоматического повторного включения (АПВ). Если АПВ оказывается неуспешным, то срабатывает дифференциальная защита шин.

3. Газовая защита (Бухгольцовое реле) -Газовая защита трансформаторов является наиболее чувствительной и универсальной защитой от внутренних повреждений. Она устанавливается на трансформаторах с масляным охлаждением, имеющих расширитель для масла. Этот вид защиты основан на том, что любые повреждения в трансформаторе, включая повышенный нагрев масла, приводят к химическому разложению трансформаторного масла, а также органических материалов изоляции обмотки, в результате чего внутри трансформатора происходит выделение газа. Этот газ воздействует на специальные приборы газовой защиты, которые подают сигнал предупреждения или производят отключение трансформатора. Газовая защита реагирует на такие повреждения, как междувитковое замыкание в обмотках трансформатора, на которые дифференциальная и максимально-токовая защита не реагирует; так как в подобных случаях величина тока замыкания оказывается недостаточной для срабатывания защиты. Характер повреждения в трансформаторе и размеры повреждения сказываются на интенсивности образования газа. Если повреждение развивается медленно, чему соответствует медленное газообразование, то защита дает предупреждающий сигнал, но отключение трансформатора не производит. Интенсивное и даже бурное газообразование, свидетельствующее о коротком замыкании, создает в системе газовой защиты сигнал такой величины, который помимо предупреждения вызывает отключение неисправного трансформатора. Газовая защита трансформаторов вызывает предупреждающий сигнал и в том случае, когда понижается уровень масла в баке. Газовая защита трансформаторов осуществляется при помощи специальных газовых реле, монтируемых в металлический кожух, врезанных в маслопровод между баком и расширителем.

 

Рис. 2. Газовое реле поплавкового типа: 1 - корпус, 2,5 - контакты, 3 - стержень, 4 - изоляция выводов, 6 - крышка, 7 - рамка, 8 - ось, 9 - верхний поплавок, 10 - нижний поплавок.

Нормально реле заполнено маслом. Кожух реле имеет смотровое стекло со шкалой, указывающей количество скопившегося и реле газа. В верхней части реле имеются кран для выпуска газа и зажимы для подключения проводов к контактам, расположенным внутри реле.

Конструкция и установка наиболее распространенного газового реле типа ПГ-22 показана на рис 1. У газовых реле этого типа внутри кожуха на шарнирах укреплены два поплавка, представляющие собой полые металлические цилиндры, а на них — ртутные контакты, соединенные гибкими проводниками с выводными зажимами на крышке реле. Верхний поплавок является сигнальным элементом защиты.

В нормальном состоянии, когда реле полностью заполнено маслом, поплавок всплывает и его контакт при этом разомкнут. При медленном газообразовании газы, поднимающиеся к расширителю, постепенно заполняют реле и вытесняют масло. С понижением уровня масла поплавок, опускаясь, поворачивается на своей оси, при этом происходит замыкание ртутных контактов и посылается предупреждающий сигнал.

При дальнейшем медленном газообразовании реле подействовать на отключение не может, так как оно заполняется газом лишь до верхней кромки отверстия, после чего газы будут проходить в расширитель.

Нижний поплавок, расположенный напротив отверстия маслопровода, является отключающим элементом. Если газообразование происходит бурно, то возникает сильный поток газов из трансформатора в расширитель через газовое реле, при этом нижний поплавок опрокидывается, замыкает ртутные контакты, что приводит в действие аппарат, отключающий трансформатор.

Так как при коротких замыканиях внутри бака трансформатора сразу возникает бурное газообразование, отключение трансформатора происходит быстро, через 0,1—0,3 с. Несколько позже, уже после отключения трансформатора срабатывает и сигнализация.

Для трансформаторов мощностью 6,3 тыс. кВА и выше установка газовой защиты обязательна. Для трансформаторов мощностью от 1000 до 4000 кВА она обязательна только при отсутствии дифференциальной или максимально-токовой защиты с выдержкой времени 0,5—1 с. Для трансформаторов мощностью 400 кВА и выше, устанавливаемых внутри цеха, газовая защита обязательна.

4. Максимальная токовая защита (МТЗ) -Конструктивно МТЗ состоят из двух важных узлов: автоматического выключателя и реле времени. Они могут быть объединены в одной конструкции либо размещаться отдельными блоками.

Благодаря тому, что в конструкциях МТЗ предусмотрены реле времени, задерживающие срабатывание механизмов отсечения, они кратковременно игнорируют перепады напряжений. Кроме того, токовые реле сконструированы таким образом, что они возвращаются в исходное положение после ликвидации причины, вызвавшей размыкание контактов.

Между узлом задержки и токовым реле существует зависимая связь, благодаря которой отключение происходит не на начальной стадии возрастания тока, а спустя некоторое время после возникновения нештатной ситуации. Данный промежуток времени слишком короткий для того, чтобы величина тока достигла критического уровня, способного навредить защищаемой цепи. Но этого хватает для предотвращения возможных ложных срабатываний защитных устройств.

Принцип действия систем МТЗ напоминает защиту токовой отсечки. Но разница в том, что токовая отсечка мгновенно разрывает цепь, а МТЗ делает это спустя некоторое, наперёд заданное время. Этот промежуток, от момента аварийного возрастания тока до его отсечения, называется выдержкой времени. В зависимости от целей и характера защиты каждая отдельная ступень времени задаётся на основании расчётов.

Наименьшая выдержка времени задаётся на самых удалённых участках линий. По мере приближения МТЗ к источнику тока, временные задержки увеличиваются. Эти величины определяются временем, необходимым для срабатывания защиты и именуются ступенями селективности. Сети, построенные по указанному принципу, образуют зоны действия ступеней селективности.

Такой подход обеспечивает защиту поврежденного участка, но не отключает линию полностью, так как ступени селективности увеличиваются по мере удаления МТЗ от места аварии. Разница величин ступеней позволяет защитным устройствам, находящимся на смежных участках, оставаться в состоянии ожидания до момента восстановления параметров тока. Так как напряжение приходит в норму практически сразу после отсечения зоны с коротким замыканием, то авария не влияет на работу смежных участков.

МТЗ используют:

· с целью локализации и обезвреживания междуфазных КЗ;

· для защиты сетей от кратковременных перегрузок;

· для обесточивания трансформаторов тока в аварийных ситуациях;

· в качестве протектора при запуске мощного, энергозависимого оборудования.

5. Защита от замыканий на корпус трансформатора -Для выполнения защиты от замыканий на корпус в заземляющую шину между корпусом трансформатора (автотрансформатора) и контуром заземления подстанции врезается трансформатор тока ТТ, к вторичной обмотке которого подключается токовое реле Т. При повреждениях обмоток или вводов трансформатора (автотрансформатора), при которых возникают к.з. на корпус, по заземляющей шине проходит почти весь ток к.з., и лишь незначительная часть его замыкается непосредственно через железобетонный фундамент, на котором установлен трансформатор (автотрансформатор).

Рисунок 3 – Принцип действия защиты от замыканий на корпус.

При внешних однофазных к.з. в сети, связанной с защищаемым трансформатором (автотрансформатором), вследствие растекания тока к.з. часть его замыкается через фундамент, корпус и заземляющую шину, в которую врезан трансформатор тока ТТ.
Для того чтобы защита не действовала при внешних к.з., ее ток срабатывания должен быть больше тока, проходящего через защиту при этих к.з. В нашей стране эта защита распространения не получила и имеется на трансформаторах (автотрансформаторах) зарубежной поставки.

6. Защита от перегрузки трансформатора - на трансформаторах, находящихся под наблюдением оперативного персонала, РЗ от перегрузки выполняется действующей на сигнал посредством одного токового реле. Чтобы избежать излишних сигналов при КЗ и кратковременных перегрузках, в схеме РЗ предусматривается реле времени, обмотка которого должна быть рассчитана на длительное прохождение тока.