V článku sa dozviete, čo je diferenciálna ochrana, ako funguje, aké má pozitívne vlastnosti. Bude tiež hovoriť o tom, aké sú nedostatky diferenciálnej ochrany elektrického vedenia. Dozviete sa tiež praktické schémy na ochranu zariadení a elektrického vedenia.
Rozdielový typ ochrany sa v súčasnosti považuje za najbežnejší a najrýchlejší. Je schopný chrániť systém pred medzifázovými skratmi. A v tých systémoch, ktoré používajú pevne uzemnený neutrál, môže ľahko zabrániť vzniku jednofázových skratov. Diferenciálny typ ochrany sa používa na ochranu elektrického vedenia, vysokovýkonných motorov, transformátorov, generátorov.
Existujú celkovo dva typy diferenciálnej ochrany:
- Vzájomne sa vyrovnávajúce napätie.
- S cirkulujúcim prúdom.
Tento článok budeoba tieto typy diferenciálnej ochrany sa berú do úvahy, aby sme sa o nich dozvedeli čo najviac.
Diferenciálna ochrana pomocou cirkulujúcich prúdov
Princíp je, že prúdy sa porovnávajú. A aby som bol presnejší, na začiatku prvku, ktorého ochrana sa vykonáva, ako aj na konci je porovnanie parametrov. Táto schéma sa používa pri realizácii pozdĺžneho typu a priečneho. Prvé sa používajú na zaistenie bezpečnosti jedného elektrického vedenia, elektromotorov, transformátorov, generátorov. Pozdĺžna diferenciálna ochrana vedenia je v modernej energetike veľmi bežná. Druhý typ diferenciálnej ochrany sa používa pri použití paralelne pracujúcich elektrických vedení.
Pozdĺžna diferenciálna ochrana vedení a zariadení
Na implementáciu ochrany pozdĺžneho typu je potrebné nainštalovať rovnaké prúdové transformátory na oboch koncoch. Ich sekundárne vinutia musia byť navzájom zapojené do série pomocou dodatočných elektrických vodičov, ktoré je potrebné pripojiť k prúdovým relé. Okrem toho musia byť tieto prúdové relé pripojené paralelne k sekundárnym vinutiam. Za normálnych podmienok, ako aj za prítomnosti vonkajšieho skratu, bude v oboch primárnych vinutiach transformátorov prúdiť rovnaký prúd, ktorý bude rovnaký vo fáze aj vo veľkosti. Cez elektromagnetické prúdové vinutie relé pretečie o niečo menšia hodnota. Môžete to vypočítať pomocou jednoduchého vzorca:
Ir=I1-I2.
Predpokladajme, že aktuálne závislosti transformátorov sa úplne zhodujú. Preto je vyššie uvedený rozdiel v aktuálnych hodnotách blízky alebo rovný nule. Inými slovami, Ir=0 a ochrana momentálne nefunguje. Pomocné vedenie, ktoré spája sekundárne vinutia transformátorov, cirkuluje prúd.
Schéma pozdĺžnej diferenciálnej ochrany
Tento obvod diferenciálnej ochrany vám umožňuje získať rovnaké hodnoty prúdov, ktoré pretekajú sekundárnym obvodom transformátorov. Na základe toho môžeme konštatovať, že táto ochranná schéma bola takto pomenovaná kvôli princípu fungovania. V tomto prípade oblasť, ktorá sa nachádza priamo medzi prúdovými transformátormi, spadá do ochrannej zóny. V prípade, že dôjde ku skratu, v ochrannej zóne pri napájaní z jednej strany transformátora preteká vinutím elektromagnetického relé prúd I1. Posiela sa do sekundárneho okruhu transformátora, ktorý je inštalovaný na druhej strane vedenia. Je potrebné venovať pozornosť skutočnosti, že v sekundárnom vinutí je veľmi vysoký odpor. Preto cez ňu nepreteká takmer žiadny prúd. Podľa tohto princípu funguje diferenciálna ochrana pneumatík, generátorov, transformátorov. V prípade, že I1 sa ukáže byť rovnaké alebo väčšie ako Ir, ochrana začne fungovať a otvorí skupinu kontaktov spínačov.
Skrat a ochrana obvodu
V prípade skratu vo vnútri chránenej oblasti, obojeelektromagnetickým relé preteká prúd, ktorý sa rovná súčtu prúdov každého vinutia. V tomto prípade sa ochrana aktivuje aj otvorením kontaktov spínačov. Všetky vyššie uvedené príklady predpokladajú, že všetky technické parametre transformátorov sú úplne rovnaké. Preto Ir=0. Ale to sú ideálne podmienky, v skutočnosti sa v dôsledku malých rozdielov vo výkonoch magnetických systémov primárnych prúdov elektrické spotrebiče navzájom výrazne líšia, dokonca aj rovnakého typu. Ak existujú rozdiely v charakteristikách prúdových transformátorov (keď je implementovaná diferenciálna fázová ochrana konštrukcie), potom sa prúdy sekundárnych obvodov budú líšiť, aj keď sú primárne úplne rovnaké. Teraz musíme zvážiť, ako funguje obvod diferenciálnej ochrany v prípade externého skratu na elektrickom vedení.
Externý skrat
V prípade vonkajšieho skratu bude cez elektromagnetické relé diferenciálnej ochrany pretekať nesymetrický prúd. Jeho hodnota priamo závisí od toho, aký prúd prechádza primárnym obvodom transformátora. V režime normálneho zaťaženia je jeho hodnota malá, ale v prítomnosti vonkajšieho skratu sa začína zvyšovať. Jeho hodnota závisí aj od času po začiatku poruchy. Okrem toho by mala dosiahnuť svoju maximálnu hodnotu v prvých niekoľkých obdobiach po začiatku uzávierky. V tom čase celý skrat I prechádza cez primárne obvody transformátorov.
Za zmienku tiež stojí, že najprv I skrat pozostáva z dvoch typov prúdu - jednosmerného a striedavého. Sú tiež tzvaperiodické a periodické zložky. Zariadenie diferenciálnej ochrany je také, že prítomnosť aperiodickej zložky v prúde musí vždy spôsobiť nadmerné nasýtenie magnetického systému transformátora. V dôsledku toho sa rozdiel potenciálu nerovnováhy prudko zvyšuje. Keď sa skratový prúd začne znižovať, zníži sa aj hodnota nevyváženosti systému. Podľa tohto princípu sa vykonáva diferenciálna ochrana transformátora.
Citlivosť ochranných štruktúr
Všetky typy diferenciálnej ochrany pôsobia rýchlo. A nefungujú v prítomnosti vonkajších skratov, takže je potrebné zvoliť elektromagnetické relé, berúc do úvahy maximálny možný nevyvážený prúd v systéme za prítomnosti externého skratu. Je potrebné venovať pozornosť skutočnosti, že tento typ ochrany má extrémne nízku citlivosť. Na jej zvýšenie musíte splniť veľa podmienok. V prvom rade je potrebné použiť prúdové transformátory, ktoré nezasýtia magnetické obvody v momente, keď primárnym obvodom preteká prúd (bez ohľadu na jeho hodnotu). Po druhé, je žiaduce používať rýchlo saturujúce elektrické spotrebiče. Musia byť pripojené k sekundárnym vinutiam prvkov, ktoré majú byť chránené. Elektromagnetické relé je pripojené k rýchlo saturačnému transformátoru (prúdová diferenciálna ochrana sa stáva čo najspoľahlivejšou) paralelne s jeho sekundárnym vinutím. Takto funguje diferenciálna ochrana generátora alebo transformátora.
Zvýšiť citlivosť
Predpokladajme, že došlo k externému skratu. V tomto prípade preteká určitý prúd cez primárne obvody ochranných transformátorov, pozostávajúcich z aperiodických a periodických komponentov. Rovnaké "súčiastky" sú prítomné v nesymetriovom prúde, ktorý preteká primárnym vinutím rýchlo saturujúceho transformátora. V tomto prípade aperiodická zložka prúdu výrazne nasýti jadro. Preto nedochádza k transformácii prúdu do sekundárneho okruhu. S útlmom aperiodickej zložky dochádza k výraznému poklesu saturácie magnetického obvodu a postupne sa v sekundárnom obvode začne objavovať určitá hodnota prúdu. Ale maximálna úroveň nevyváženého prúdu bude oveľa menšia ako pri absencii rýchlo saturujúceho transformátora. Preto môžete zvýšiť citlivosť nastavením hodnoty ochranného prúdu menšej alebo rovnej maximálnej hodnote rozdielu nesymetrických potenciálov.
Pozitívne vlastnosti diferenciálnej ochrany
Počas prvých periód je magnetický obvod veľmi silne nasýtený, k transformácii prakticky nedochádza. Ale po rozpade aperiodickej zložky sa periodická časť začne transformovať v sekundárnom okruhu. Stojí za to venovať pozornosť skutočnosti, že je to veľmi dôležité. Preto elektromagnetické relé pracuje a vypína chránený obvod. Veľmi nízka úroveň transformácie počas prvých približne jeden a pol periódy spomaľuje činnosť ochranného obvodu. To však nehrá veľkú úlohu pri konštrukcii praktických obvodov na ochranu obvodov.
Rozdielová ochrana transformátora nefunguje v prípadoch, keď dôjde k poškodeniu elektrického obvodu mimo ochrannej zóny. Preto nie je potrebné časové oneskorenie a selektivita. Doba odozvy ochrany sa pohybuje od 0,05 do 0,1 sekundy. To je obrovská výhoda tohto typu diferenciálnej ochrany. Ale je tu ešte jedna výhoda - veľmi vysoký stupeň citlivosti, najmä pri použití rýchlo saturujúceho transformátora. Z menších výhod stojí za zmienku jednoduchosť a veľmi vysoká spoľahlivosť.
Negatívne vlastnosti
Ale ako pozdĺžna, tak aj priečna diferenciálna ochrana majú nevýhody. Napríklad nie je schopný chrániť elektrický obvod, keď je vystavený skratu zvonku. Tiež nie je schopný otvoriť elektrický obvod, keď je vystavený silnému preťaženiu.
Bohužiaľ, ochrana môže fungovať, ak je poškodený pomocný obvod, ku ktorému je pripojené sekundárne vinutie. Ale všetky výhody diferenciálnej ochrany s obehovým prúdom prerušujú tieto menšie nevýhody. Sú však schopné ochrániť elektrické vedenia veľmi krátkej dĺžky, nie viac ako kilometer.
Veľmi často sa používajú pri realizácii ochrany vodičov, pomocou ktorých sú napájané rôzne zariadenia potrebné na prevádzku elektrární a generátorov. V prípade, že je dĺžka elektrického vedenia veľmi veľká, ide napríklad o niekoľko desiatok kilometrov, ochrana podľatento obvod je veľmi ťažko realizovateľný, keďže na pripojenie elektromagnetických relé a sekundárneho vinutia transformátorov je potrebné použiť vodiče s veľmi veľkým prierezom.
Ak použijete štandardné vodiče, zaťaženie prúdových transformátorov bude príliš veľké, rovnako ako nevyvážený prúd. Ale čo sa týka citlivosti, tá sa ukazuje ako extrémne nízka.
Konštrukcia ochranných relé a rozsah obvodov
Vo veľmi dlhých elektrických vedeniach sa používa obvod, v ktorom je ochranné relé špeciálnej konštrukcie. S ním môžete poskytnúť normálnu úroveň citlivosti a použiť štandardné spojovacie vodiče. Priečna diferenciálna ochrana funguje porovnaním prúdu v dvoch riadkoch vo fázach a veľkostiach.
Vysokorýchlostná diferenciálna ochrana sa používa v elektrických vedeniach, v ktorých prúdi napätie v rozsahu 3-35 tisíc voltov. To poskytuje spoľahlivú ochranu proti medzifázovému skratu. Diferenciálna ochrana sa vykonáva ako dvojfázová z dôvodu, že sieť s vyššie uvedenými prevádzkovými napätiami nie je uzemnená neutrálmi. V opačnom prípade je neutrál spojený so zemou pomocou oblúkového žľabu.
Pomocné vodiče pri navrhovaní ochranných obvodov
Transformátory prúdu sú navzájom relatívne blízko. Preto sú pomocné vodiče dosť krátke. Pri použití drôtov s malým priemerom natransformátory budú vystavené relatívne nízkej záťaži. Čo sa týka nevyváženého prúdu, ten je tiež malý. Ale stupeň citlivosti je veľmi vysoký. V prípade odpojenia akéhokoľvek vedenia sa diferenciálna ochrana stáva aktuálnou, nedochádza k časovému oneskoreniu a selektivite. Aby ste predišli falošným poplachom, linkové pomocné kontakty odpojte obvod.
diferenciálna ochrana straverzového obvodu
Priečna ochrana je široko používaná pri vývoji paralelne fungujúcich systémov vedenia. Prepínače sú inštalované na oboch stranách linky. Pointa je, že takéto vedenia je veľmi ťažké chrániť jednoduchými obvodmi. Dôvodom je, že nie je možné dosiahnuť normálnu úroveň selektivity. Na zlepšenie selektivity je potrebné starostlivo zvoliť časové oneskorenie. Ale v prípade použitia priečne smerovanej diferenciálnej ochrany nie je potrebné časové oneskorenie, selektivita je dosť vysoká. Má hlavné orgány:
- Smer výkonu. Často sa používajú dvojčinné výkonové smerové relé. Niekedy sa používa dvojica jednočinných diferenciálnych ochranných relé, ktoré pracujú s rôznymi smermi výkonu.
- Štartovanie - v jeho úlohe sa spravidla používajú vysokorýchlostné relé s maximálnym možným prúdom.
Konštrukcia systému je taká, že na vedeniach sú inštalované prúdové transformátory so sekundárnymi vinutiami zapojenými v obvode cirkulujúceho prúdu. Ale potom sú všetky prúdové vinutia zapnuté v sériičo sú pripojené pomocou prídavných vodičov k prúdovým transformátorom. Aby fungovala diferenciálna fázová ochrana, napätie sa privádza do relé pomocou prípojníc inštalácií. Práve na nich je nainštalovaná celá súprava. Ak sa pozriete na obvod na zapnutie sekundárnych obvodov transformátorov a ochranného relé, môžeme dospieť k záveru, prečo sa nazýva „riadená osem“. Celý systém je vyrobený v dvoch súpravách. Na každom konci vedenia je jedna sada, ktorá poskytuje prúdovú diferenciálnu ochranu elektrického vedenia.
Jednofázový reléový obvod
Napätie do ochranného relé je dodávané v obrátenej fáze, ako je potrebné na odpojenie jednej linky s poškodením. Pri normálnej prevádzke (vrátane prítomnosti externého skratu) preteká cez vinutie relé iba nevyvážený prúd. Aby sa predišlo chybným vypnutiam, je potrebné, aby spúšťacie relé mali vypínací prúd väčší ako nesymetrický prúd. Zvážte prácu pri ochrane dvoch liniek.
Na začiatku skratu preteká určitý prúd v ochrannej zóne druhého vedenia. Stojí za to venovať pozornosť skutočnosti, že:
- Štartovacie relé aktivované.
- Na strane jednej rozvodne relé smeru napájania otvára kontakty ističa.
- Zo strany druhej rozvodne je vedenie tiež odpojené pomocou spínačov.
- V relé smeru výkonu je krútiaci moment záporný, preto sú kontakty otvorené.
Vo vinutiach relé ochrany prvého vedeniasmer pohybu prúdu sa mení (vzhľadom na prvý riadok) pri skrate. Relé smeru výkonu udržuje skupinu kontaktov v rozpojenom stave. Vypínajú sa ističe na strane oboch rozvodní.
Len takáto rozdielová ochrana vedenia môže správne fungovať len vtedy, keď obe vedenia bežia paralelne. V prípade, že je jeden z nich vypnutý, je porušený princíp fungovania diferenciálnej ochrany. V dôsledku toho ďalšia ochrana vedie k neselektívnemu odstaveniu druhého vedenia pri vonkajších skratoch. V tomto prípade sa stáva obyčajným smerovým prúdom a nemá časové oneskorenie. Aby sa tomu zabránilo, krížová ochrana sa automaticky deaktivuje počas odpojenia jedného vedenia prerušením obvodu s pomocným kontaktom.
Ďalšie typy ochrany
Vybavovacie prúdy spúšťacích relé musia byť väčšie ako nevyvážené prúdy počas externého skratu. Aby sa predišlo falošným pozitívam, keď je jedno z vedení odpojené a maximálny zaťažovací prúd prechádza cez zostávajúce, je potrebné, aby bol väčší ako rozdiel nesymetrických potenciálov. Ak je na vedení priečny typ diferenciálnej ochrany, musia byť poskytnuté ďalšie stupne.
Umožňujú ochranu jednej linky, keď je paralelná linka vypnutá. Typicky sa používajú na nadprúdovú ochranu pri vonkajšom skrate (v tomto prípade diferenciálna ochrana nereaguje). Navyše dodatočná ochranaje záloha diferenciálu (ak tento zlyhal).
Často sa používa smerová a nesmerová prúdová ochrana, odpojovače a pod.. Krížová diferenciálna ochrana je konštrukčne jednoduchá, veľmi spoľahlivá a našla široké uplatnenie v energetických sieťach s napätím 35 tisíc voltov resp. viac. Takto funguje diferenciálna ochrana, jej princíp činnosti je celkom jednoduchý, no aj tak potrebujete vedieť aspoň základy elektrotechniky, aby ste pochopili všetky zložitosti.
