Особенности дифференциальной защиты силового оборудования

Дифференциальная токовая защита является одним из типов релейной защиты, которая характеризуется высокой эффективностью, а также имеет сравнительно неплохие показатели скорости срабатывания. Применяется она как для силового оборудования (двигателей, трансформаторов, генераторов и секций шин), так и в последнее время чаще стала широко использоваться для защиты бытовых объектов от фазных замыканий. Это стало возможно, за счёт специальных компактных устройств похожих по конструкции на обычный автоматический выключатель.

Однако некоторое силовое оборудование просто обязано, согласно правилам электроснабжения, быть оборудовано быстродействующей дифференциальной релейной защитой. Среди разновидностей ДФЗ различают два основных её типа:

1. продольная;
2. поперечная.

Для того чтобы понять нужна ли дифференциально фазная защита для конкретного электрооборудования и как её выполнить, нужно понять принцип её работы, а также разобраться в нюансах по установке.

Принцип действия дифференциальной защиты

Действие данной защиты базируется на сравнивании токов, которые приходят в участок нуждающийся в защите, и выходят из него. Для такого сравнения величины силы тока применяются трансформаторы тока, так как только за счёт них есть возможность измерять большие его величины. Лучше всего это видно на примере простейшей схемы, приведённой ниже.

В схеме трансформаторы тока обозначены ТА1 и ТА2. Вторичные цепи их соединяются с реле тока КА. Таким образом, получается, что обмотка главного реле защиты получает разницу токовых значений от двух трансформаторов, и при нормальном рабочем процессе она будет равна нулевому значению, а значит реле КА останется не втянутым. Однако если в цепи, которая защищается, происходит межфазное короткое замыкание (к. з.), то на обмотку реле поступит уже значение равное сумме нескольких токов, это и приведёт в движение подвижную часть электромеханического реле, которая, в свою очередь, замкнёт контакты и подаст сигнал на отключение оборудования от источника электрической энергии. Однако это всё в теории, а в практике всегда через катушку реле будет протекать некий небольшой ток небаланса, который при расчёте катушки необходимо учесть.

Вот несколько причин возникновения этого отрицательного явления:

• ТТ (трансформаторы тока) могут иметь характеристики значительно отличающие их друг от друга. Чтобы снизить эти показатели применяются более точные трансформаторы, изготовленные попарно специально для этого вида защиты;
• За счёт тока намагничивания, возникающего в обмотке защищаемого трансформатора в момент его включения из режима холостого хода, в рабочий режим с наличием нагрузки. Для того чтоб избежать ложного срабатывания реле КА нужно подобрать ток срабатывания реле побольше чем, самое большое значение тока намагничивания, которые может произвести защищаемый объект, в данном случае трансформатор;
• За счёт различного соединения обмоток (звезда-треугольник и наоборот). Для этого нужно выбрать число витков трансформаторов тока, участвующих в дифзащите, таким образом, чтобы они компенсировали эти неблагоприятные величины.

Ток небаланса в дифференциальной защите, возникающий при эксплуатации — это отрицательное явление, с которым нужно бороться и которое нужно обязательно учесть при расчёте данного защитного электрооборудования.

Продольная дифзащита

Преимущества:

• абсолютная селективность;
• можно применять без ограничений с другими видами;
• безотказна для ЛЭП небольшой длины;
• без задержки во времени отключает аварийный участок сети.

Недостатки:

• при проектировании дифзащиты для длинных ЛЭП значительно снижается эффективность ее действия. Для корректировки работы необходимы устройства контроля отказа вспомогательных проводов;
• возникает ток небаланса;
• высокая стоимость в случае применения реле с торможением;
• сложность реализации – необходимо сооружение линии связи между участками проводников, к которым производится подключение трансформатора тока.

Области действия:

• защита автотрансформатора и трансформатора;
• защита на ПС одиночного трансформатора или автотрансформатора с установленной мощностью более 6300 кВА;
• дифзащита параллельно работающих трансформаторов мощностью более 1000 кВА, если токовая отсечка выполняет корректно свою функцию.

Дифференциальная защита трансформатора

Принцип действия

Принцип работы аппаратов дифзащиты построен на сравнении значения токовых нагрузок, протекающих через защитные устройства на участках линии. Для замеров силы тока целесообразно применение трансформатора. Цепи двух ТТ соединяют с реле так, чтобы на него не действовала разница значений тока между обмотками трансформаторов. В реальных условиях эксплуатации всегда присутствует электроток небаланса.

Возникновение тока небаланса

• Возникновение намагничивающихся токов в обмотках трансформатора. В некоторых случаях, например, от действия переключения из режима ХХ на полную нагрузку, его значение может превышать номинальное. В связи с этим, ток уставки реле выбирают большим, чем максимальное значение намагничивающегося тока.
• ТТ не всегда абсолютно точно совпадают друг с другом по техническим характеристикам. Чтобы избежать негативных последствий, принцип испытаний трансформаторов на производстве заключается в подборе подходящих пар, которые поставляются в комплектах.
• Соединение обмоток. При разных соединениях (звезда-треугольник, например) также возникают токи небаланса. Уравнивание значений электротока невозможно решить путем подбора витков токового трансформатора. Сдвиг угла компенсируется соединением обмоток: треугольник для звезды и, наоборот.

Современная микропроцессорная продольная дифзащита снабжается устройством компенсации электротока небаланса.

Дифференциальная защита шин (ДЗШ)

Особенности применения и срабатывания разных защит трансформатора

Шины и шинные сборки являются ключевым надёжным токоведущим элементом электроустановки, соединяющим источник напряжения с распределительным устройством или же самим действующим агрегатом. Он отличается высокой нагрузочной способностью и возможностью визуального контроля за состоянием изоляторов. При этом многие знают что нужно выполнять схемы, защищающие электрооборудование, а шины при этом очень часто остаются не защищёнными.

Основные виды повреждений шин:

1. Неправильные или ошибочные манипуляции обслуживающего персонала с переключениями шинных разъединителей;
2. Фазное перекрытие или же короткое замыкание на землю из-за ухудшения изоляции посредством загрязнения изоляторов;
3. Пробой при атмосферных агрессивных явлениях (гроза, молния);
4. Неполадки изоляторов разъединителей с обеих сторон.

Для защиты шин используется в основном дифференциальная токовая защита. Принцип её действия аналогичен, и основан на сопоставлении токов в присоединениях защищаемых шин. Когда шины находятся в нормальном рабочем состоянии в катушке реле дифференциальной защиты протекает только лишь ток небаланса, который не приводит в действие подвижный механизм реле. Во время фазного замыкания о реле защиты получит ток, величина которого будет равна сумме всех токов, питающих присоединение, где произошел пробой.

Основные преимущества такой защиты это:

1. Высокая скорость срабатывания;
2. Отличная селективность;
3. Сравнительно несложная реализация.

Недостаток здесь один — это ложное срабатывание, возможное чаще всего, при обрыве монтажных (соединительных) проводов, который может возникнуть вследствие различных причин как электрических, так и механических. Для того чтобы максимально уменьшить вероятность ложного срабатывания необходимо ток срабатывания ДЗШ подбирать немного больше, чем рабочий ток самого мощного присоединения. Зона действия данной защиты ограничивается непосредственно промежутком где установлены ТТ, её срабатывание направлено на отключение от напряжения всех питающих присоединений. Для ручного контроля за током небаланса, на панели управления, устанавливается миллиамперметр и обслуживающий персонал обязан проверять его, нажав на соответствующую кнопку. Это действие персонал обязан производить один раз в смену, с записью в оперативный журнал.

Дифференциальная защита ошиновки выводится с работы в следующих случаях:

1. Появление звукового или светового сигнала о неисправности токовых цепей или увеличение тока небаланса;
2. Если произошло новое подключение, токовые цепи которого не присоединены к системе защиты, а также не были правильно сфазированы;
3. При плановой проверке данной защиты.

Защита бытовых сетей (УЗО)

Работа устройств с дифзащитой, устанавливаемых на вводах в административные и жилые здания, ничем существенно не отличается от уже рассмотренного ранее принципа действия для трансформаторов и двигателей. В них также имеется чувствительный элемент, реагирующий на дисбаланс втекающего и вытекающего тока и реагирующий при его появлении отключением потребителя от питающей линии.

Устройства этого класса, используемые в обозначенных выше целях, получили название УЗО (смотрите рисунок ниже).

Причиной возникновения дисбаланса токов в бытовых условиях могут быть следующие факторы:

• Прикосновение человека или животного к оголенным токовым носителям (проводам) или к оказавшемуся под опасным потенциалом корпусу оборудования;
• Разрушение изоляции электропроводки с угрозой КЗ;
• Повышенная влажность в обслуживаемом помещении (в ванной, например);
• Повреждение кабелей бытовых электроприборов с образованием утечки на землю.

Обратите внимание! В тех случаях, когда система узо срабатывает без наличия нарушений в работе потребителя (без нагрузки токами утечки), следует считать, что этот прибор неисправен и подлежит ремонту. Особенностью функционирования систем УЗО является реагирование на микроскопические токи утечки (мкА), фиксируемые при появлении малейшей «подозрительной» пассивной или емкостной связи с землёй

При этом такая система срабатывает практически мгновенно, обеспечивая стопроцентную защиту человека от поражения электричеством

Особенностью функционирования систем УЗО является реагирование на микроскопические токи утечки (мкА), фиксируемые при появлении малейшей «подозрительной» пассивной или емкостной связи с землёй. При этом такая система срабатывает практически мгновенно, обеспечивая стопроцентную защиту человека от поражения электричеством.

В электротехнике принимается за правило, что обеспечить эффективную дифференциальную защиту с помощью УЗО удаётся лишь при использовании трехуровневой схемы. Это означает, что в защищаемую линию последовательно включается несколько устройств, рассчитанных на три уровня значений токов утечки: 100-300, 30 и 10 мА, соответственно.

Важно! Такая токовая защита, работающая по дифференциальному принципу, может быть эффективной даже на объектах, где в составе проводки шина заземления отсутствует. Ещё одной особенностью этого устройства является необходимость периодически (не реже раза в месяц) проверять его работоспособность, для чего на нём имеется специальная кнопка под названиями «Тест» или «Проверка»

В проверочную схему, помимо контрольной кнопки, входит ограничительный резистор, через который во время тестирования пропускается определённый ток, соответствующий аварийной ситуации

Ещё одной особенностью этого устройства является необходимость периодически (не реже раза в месяц) проверять его работоспособность, для чего на нём имеется специальная кнопка под названиями «Тест» или «Проверка». В проверочную схему, помимо контрольной кнопки, входит ограничительный резистор, через который во время тестирования пропускается определённый ток, соответствующий аварийной ситуации.

Продольная дифференциальная защита генератора

Особенности монтажа электрического оборудования

Для защиты различных генераторов от многофазных к. з. продольная дифференциальная защита получила наиболее широкое использование. Она подключается так же как и предыдущая к ТТ, только вот устанавливаются они со стороны нулевой точки генератора, а также со стороны выводов. Зона её действия это:

• обмотки электрической машины;
• вывода статора;
• шины или кабеля, которые проложены до распределительного устройства.

Ток срабатывания такой защиты устанавливается по условию настройки тока небаланса, проходящего в реле дифференциальной защиты при внешних к. з. Приведена схема защиты генератора повышенной чувствительности, с применением самых надёжных для этого случая реле РНТ.

Ток срабатывания такой схемы выставляется по двум условиям:

1. Настройка реально существующего тока небаланса;
2. Настройка тока, который будет проходить при обрыве монтажных проводов.

Поперечная дифференциальная защита генератора

Особенности применения и использования аппарата УЗО

Данная защита выполняется чтобы защитить от виковых замыканий, которые могут возникнуть непосредственно в обмотке статора, и, конечно же, если есть параллельные ветви статорных обмоток. Это возможно, за счёт сравнения величин токов этих ветвей по каждой из фаз. Поперечная дифзащита выполняется таким образом, чтобы для каждой из фаз она была организована отделено, то есть будет реагировать на межвитковые замыкания только в одной из фаз.

Ток, при котором, катушка поперечной дифзащиты втянется, отстраивается по максимальному току небаланса, который может протекать в реле при различных внешних коротких замыканиях, и принимается равным:

Рекомендовано при наладке системы дифзащиты производить более точный подсчет уставки с учетом абсолютно всех реально протекающих токов небаланса, а не расчётных. Как показывает навыки в процессе эксплуатации, на турбогенераторах они сравнительно невелики, и ток их срабатывания не требует дополнительных регулировок и подстроек. На гидрогенераторах, наоборот, величины этих нежелательных токов велики, потому приходится существенно загрублять настройки реле этой поперечной защиты, что иногда понижает ее сверхэффективность.

В итоге хотелось бы отметить, что расчётом и настройкой этих защит должны заниматься только профессионалы, имеющие опыт работы в данной сфере, чаще всего это инженеры электротехнических проектно-конструкторских бюро. Дифференциально фазная защита в быту тоже очень эффективна и выполнить её на основе компактных устройств, продающихся в специализированных магазинах, сможет даже начинающий электромонтёр, сложностей по подключению там возникнуть не должно. Главное, соблюдать элементарные правила электробезопасности.