V článku se dozvíte, co je diferenciální ochrana, jak funguje, jaké má pozitivní vlastnosti. Řeč bude také o tom, jaké jsou nedostatky diferenciální ochrany elektrického vedení. Naučíte se také praktická schémata pro ochranu zařízení a elektrického vedení.
Rozdílový typ ochrany je v současnosti považován za nejběžnější a nejrychlejší. Je schopen chránit systém před mezifázovými zkraty. A v těch systémech, které používají pevně uzemněný neutrál, může snadno zabránit vzniku jednofázových zkratů. Diferenciální typ ochrany se používá k ochraně elektrického vedení, vysokovýkonných motorů, transformátorů, generátorů.
Existují celkem dva typy diferenciální ochrany:
- Vzájemně se vyrovnávající napětí.
- S cirkulačním proudem.
Tento článek budeoba tyto typy diferenciální ochrany jsou brány v úvahu, abychom se o nich dozvěděli co nejvíce.
Diferenciální ochrana pomocí cirkulačních proudů
Princip je, že proudy se porovnávají. A přesněji řečeno, na začátku prvku, jehož ochrana se provádí, i na konci je porovnání parametrů. Toto schéma se používá při realizaci podélného typu a příčného. První se používají k zajištění bezpečnosti jednoho elektrického vedení, elektromotorů, transformátorů, generátorů. Podélná diferenciální ochrana vedení je v moderní energetice velmi běžná. Druhý typ diferenciální ochrany se používá při použití paralelně pracujících elektrických vedení.
Podélná diferenciální ochrana vedení a zařízení
Pro implementaci ochrany podélného typu je nutné nainstalovat stejné proudové transformátory na oba konce. Jejich sekundární vinutí musí být navzájem zapojena do série pomocí dalších elektrických vodičů, které je třeba připojit k proudovým relé. Kromě toho musí být tato proudová relé připojena k sekundárním vinutím paralelně. Za normálních podmínek, stejně jako za přítomnosti vnějšího zkratu, bude v obou primárních vinutích transformátorů protékat stejný proud, který bude stejný jak ve fázi, tak ve velikosti. O něco menší hodnota poteče elektromagnetickým proudovým vinutím relé. Můžete jej vypočítat pomocí jednoduchého vzorce:
Ir=I1-I2.
Předpokládejme, že proudové závislosti transformátorů budou zcela odpovídat. Proto je výše uvedený rozdíl v aktuálních hodnotách blízký nebo roven nule. Jinými slovy, Ir=0 a ochrana v tuto chvíli nefunguje. Pomocné vedení, které spojuje sekundární vinutí transformátorů, cirkuluje proud.
Schéma podélné diferenciální ochrany
Tento obvod diferenciální ochrany umožňuje získat stejné hodnoty proudů, které protékají sekundárním obvodem transformátorů. Na základě toho můžeme usoudit, že toto ochranné schéma bylo pojmenováno tak kvůli principu fungování. V tomto případě oblast, která se nachází přímo mezi proudovými transformátory, spadá do ochranné zóny. V případě, že dojde ke zkratu v ochranné zóně při napájení z jedné strany transformátoru, protéká vinutím elektromagnetického relé proud I1. Odesílá se do sekundárního okruhu transformátoru, který je instalován na druhé straně vedení. Je třeba dát pozor na to, že v sekundárním vinutí je velmi vysoký odpor. Proto jím neprotéká téměř žádný proud. Podle tohoto principu funguje diferenciální ochrana pneumatik, generátorů, transformátorů. V případě, že se I1 ukáže být stejné nebo větší než Ir, ochrana začne fungovat a rozepne skupinu kontaktů spínačů.
Zkrat a ochrana obvodu
V případě zkratu uvnitř chráněného prostoru obojíelektromagnetickým relé protéká proud rovný součtu proudů každého vinutí. V tomto případě se ochrana aktivuje také otevřením kontaktů spínačů. Všechny výše uvedené příklady předpokládají, že všechny technické parametry transformátorů jsou naprosto stejné. Proto Ir=0. To jsou ale ideální podmínky, ve skutečnosti se díky malým rozdílům ve výkonech magnetických systémů primárních proudů od sebe elektrické spotřebiče výrazně liší, a to i stejného typu. Pokud existují rozdíly v charakteristikách proudových transformátorů (když je implementována diferenciální fázové ochrany konstrukce), pak se proudy sekundárních obvodů budou lišit, i když primární jsou absolutně stejné. Nyní musíme zvážit, jak funguje obvod diferenciální ochrany v případě vnějšího zkratu na elektrickém vedení.
Externí zkrat
V případě vnějšího zkratu bude přes elektromagnetické relé diferenciální ochrany protékat nesymetrický proud. Jeho hodnota přímo závisí na tom, jaký proud prochází primárním obvodem transformátoru. V normálním režimu zatížení je jeho hodnota malá, ale v přítomnosti vnějšího zkratu se začíná zvyšovat. Jeho hodnota závisí také na době po začátku poruchy. Kromě toho by měla dosáhnout maximální hodnoty v prvních několika obdobích po začátku uzavření. Právě v této době celý zkratový obvod I prochází primárními obvody transformátorů.
Za zmínku také stojí, že nejprve I zkrat sestává ze dvou typů proudu - stejnosměrného a střídavého. Také se jim říkáaperiodické a periodické složky. Zařízení diferenciální ochrany je takové, že přítomnost aperiodické složky v proudu musí vždy způsobit nadměrné sycení magnetického systému transformátoru. V důsledku toho se rozdíl potenciálu nevyváženosti prudce zvyšuje. Jakmile se zkratový proud začne snižovat, sníží se i hodnota nesymetrie systému. Podle tohoto principu se provádí diferenciální ochrana transformátoru.
Citlivost ochranných konstrukcí
Všechny typy diferenciální ochrany jsou rychle působící. A nefungují za přítomnosti externích zkratů, takže je nutné zvolit elektromagnetická relé s ohledem na maximální možný nesymetrický proud v systému za přítomnosti vnějšího zkratu. Je třeba věnovat pozornost skutečnosti, že tento typ ochrany má extrémně nízkou citlivost. Chcete-li jej zvýšit, musíte splnit mnoho podmínek. Jednak je nutné použít proudové transformátory, které nezasytí magnetické obvody v okamžiku, kdy primárním obvodem protéká proud (bez ohledu na jeho hodnotu). Za druhé je žádoucí používat elektrické spotřebiče rychle saturujícího typu. Musí být připojeny k sekundárnímu vinutí prvků, které mají být chráněny. Elektromagnetické relé je připojeno k rychle saturujícímu transformátoru (proudová diferenciální ochrana se stává co nejspolehlivější) paralelně s jeho sekundárním vinutím. Takto funguje diferenciální ochrana generátoru nebo transformátoru.
Zvýšení citlivosti
Předpokládejme, že došlo k externímu zkratu. Primárními obvody ochranných transformátorů, skládajících se z aperiodických a periodických složek, v tomto případě protéká určitý proud. Stejné "součástky" jsou přítomny v nesymetrickém proudu, který protéká primárním vinutím rychle saturujícího transformátoru. V tomto případě aperiodická složka proudu výrazně saturuje jádro. Nedochází tedy k transformaci proudu do sekundárního okruhu. S útlumem aperiodické složky dochází k výraznému poklesu saturace magnetického obvodu a postupně se v sekundárním obvodu začíná objevovat určitá hodnota proudu. Maximální úroveň nevyváženého proudu však bude mnohem menší než při absenci rychle saturujícího transformátoru. Proto můžete zvýšit citlivost nastavením hodnoty ochranného proudu menší nebo rovné maximální hodnotě rozdílu nesymetrických potenciálů.
Pozitivní vlastnosti diferenciální ochrany
Během prvních period je magnetický obvod velmi silně saturován, k transformaci prakticky nedochází. Ale po rozpadu aperiodické složky se periodická část začne transformovat v sekundárním okruhu. Stojí za to věnovat pozornost skutečnosti, že je to velmi důležité. Proto elektromagnetické relé sepne a vypne chráněný obvod. Velmi nízká úroveň transformace během prvních přibližně jeden a půl doby zpomaluje činnost ochranného obvodu. Ale to nehraje velkou roli při konstrukci praktických obvodů ochrany obvodů.
Rozdílová ochrana transformátoru nefunguje v případech, kdy dojde k poškození elektrického obvodu mimo ochrannou zónu. Proto není nutné časové zpoždění a selektivita. Doba odezvy ochrany se pohybuje od 0,05 do 0,1 sekundy. To je obrovská výhoda tohoto typu diferenciální ochrany. Je tu ale ještě jedna výhoda – velmi vysoká míra citlivosti, zvláště při použití rychle saturujícího transformátoru. Mezi menší výhody stojí za zmínku, jako je jednoduchost a velmi vysoká spolehlivost.
Negativní vlastnosti
Podélná i příčná diferenciální ochrana má ale nevýhody. Například není schopen ochránit elektrický obvod při zkratu zvenčí. Také není schopen otevřít elektrický obvod, když je vystaven silnému přetížení.
Bohužel může ochrana fungovat, pokud je poškozen pomocný obvod, ke kterému je připojeno sekundární vinutí. Ale všechny výhody diferenciální ochrany s oběhovým proudem tyto drobné nevýhody přerušují. Jsou však schopny ochránit elektrické vedení o velmi krátké délce, maximálně kilometr.
Velmi často se používají při realizaci ochrany vodičů, pomocí kterých jsou napájena různá zařízení nezbytná pro provoz elektráren a generátorů. V případě, že je délka elektrického vedení velmi velká, jedná se např. o několik desítek kilometrů, ochrana dletento obvod je velmi obtížně proveditelný, protože je nutné použít vodiče s velmi velkým průřezem pro připojení elektromagnetických relé a sekundárního vinutí transformátorů.
Použijete-li standardní vodiče, bude zatížení proudových transformátorů příliš velké, stejně jako nesymetrický proud. Ale pokud jde o citlivost, ta se ukazuje jako extrémně nízká.
Návrhy ochranných relé a rozsah obvodů
Ve velmi dlouhých elektrických vedeních se používá obvod, ve kterém je ochranné relé speciální konstrukce. S ním můžete poskytnout normální úroveň citlivosti a použít standardní propojovací vodiče. Příčná diferenciální ochrana funguje tak, že porovnává proud ve dvou řádcích ve fázích a velikostech.
Vysokorychlostní diferenciální ochrana se používá v elektrických vedeních, ve kterých proudí napětí v rozsahu 3-35 tisíc voltů. To poskytuje spolehlivou ochranu proti mezifázovému zkratu. Diferenciální ochrana je provedena jako dvoufázová z toho důvodu, že napájecí síť s výše uvedenými provozními napětími není uzemněna nulovými vodiči. Jinak je neutrál spojen se zemí pomocí zhášecí komory.
Pomocné vodiče při návrhu ochranných obvodů
Proudové transformátory jsou v relativní blízkosti u sebe. Proto jsou pomocné dráty spíše krátké. Při použití vodičů malého průměru natransformátory budou vystaveny relativně nízké zátěži. Co se týče nesymetrického proudu, ten je také malý. Ale míra citlivosti je velmi vysoká. V případě odpojení jakéhokoli vedení se diferenciální ochrana stává proudovou, nedochází k časové prodlevě a selektivitě. Abyste předešli falešným poplachům, odpojte linkové pomocné kontakty.
Diferenciální ochrana obvodu proti přepětí
Příčná ochrana je široce používána při vývoji paralelně fungujících linkových systémů. Spínače jsou instalovány na obou stranách linky. Pointa je, že taková vedení je velmi obtížné chránit jednoduchými obvody. Důvodem je, že není možné dosáhnout normální úrovně selektivity. Pro zlepšení selektivity je třeba pečlivě zvolit časové zpoždění. Ale v případě použití příčně směrované diferenciální ochrany není časové zpoždění potřeba, selektivita je dost vysoká. Má hlavní orgány:
- Směr napájení. Často se používají dvojčinná výkonová směrová relé. Někdy se používá dvojice jednočinných diferenciálních ochranných relé, která pracují s různými směry výkonu.
- Spouštění - v jeho roli jsou zpravidla používána vysokorychlostní relé s maximálním možným proudem.
Konstrukce systému je taková, že na vedení jsou instalovány proudové transformátory se sekundárními vinutími zapojenými do obvodu cirkulačního proudu. Ale všechna proudová vinutí jsou poté zapojena do sérieco jsou připojeny pomocí přídavných vodičů k proudovým transformátorům. Aby fungovala diferenciální ochrana fází, je relé přiváděno napětím pomocí přípojnic instalací. Právě na nich je nainstalována celá sada. Pokud se podíváte na obvod pro zapínání sekundárních obvodů transformátorů a ochranného relé, můžeme dojít k závěru, proč se nazývá „řízená osmička“. Celý systém je vyroben ve dvou sadách. Na každém konci vedení je jedna sada, která poskytuje proudovou diferenciální ochranu elektrického vedení.
Jednofázový reléový obvod
Napětí do ochranného relé je přiváděno v obrácené fázi, než jaké je potřeba k odpojení jednoho vedení s poškozením. V normálním provozu (včetně přítomnosti vnějšího zkratu) protéká vinutím relé pouze nesymetrický proud. Aby se zabránilo chybným vypnutím, je nutné, aby spouštěcí relé měla vypínací proud větší než proud nesymetrie. Zvažte práci na ochraně dvou linek.
Na začátku zkratu protéká ochranným pásmem druhého vedení určitý proud. Stojí za to věnovat pozornost skutečnosti, že:
- Spouštěcí relé aktivováno.
- Na straně jedné rozvodny vypíná relé směru napájení kontakty vypínače.
- Ze strany druhé rozvodny je vedení také odpojeno pomocí spínačů.
- V relé směru napájení je točivý moment záporný, proto jsou kontakty otevřené.
Ve vinutí relé ochrany prvního vedenípři zkratu se mění směr pohybu proudu (vzhledem k prvnímu řádku). Relé směru napájení udržuje skupinu kontaktů v rozepnutém stavu. Vypnou se jističe na straně obou rozvoden.
Pouze taková rozdílová ochrana vedení může správně fungovat pouze tehdy, když obě vedení běží paralelně. V případě, že je jeden z nich vypnutý, je porušen princip činnosti diferenciální ochrany. V důsledku toho další ochrana vede k neselektivnímu vypnutí druhého vedení při vnějších zkratech. V tomto případě se stává obyčejným směrovým proudem a nemá časové zpoždění. Aby se tomu zabránilo, je příčná ochrana automaticky deaktivována během odpojení jednoho vedení přerušením obvodu pomocným kontaktem.
Další typy ochrany
Vybavovací proudy spouštěcích relé musí být větší než nesymetrické proudy při externím zkratu. Aby nedocházelo k falešným poplachům, když je jedna z linek odpojena a maximální zatěžovací proud prochází zbývajícím, je nutné, aby byl větší než rozdíl nesymetrických potenciálů. Pokud je na vedení příčný typ diferenciální ochrany, musí být poskytnuty další stupně.
Umožňují ochranu jedné linky, když je paralelní vypnuta. Typicky se používají pro nadproudovou ochranu při externím zkratu (v tomto případě diferenciální ochrana nereaguje). Navíc dodatečná ochranaje záloha diferenciálu (pokud selže).
Často se používá směrová a nesměrová proudová ochrana, odpojovače atd. Křížová diferenciální ochrana je designově jednoduchá, velmi spolehlivá a byla široce používána v energetických sítích s napětím 35 tisíc voltů popř. více. Takto funguje diferenciální ochrana, její princip činnosti je vcelku jednoduchý, ale i tak potřebujete znát alespoň základy elektrotechniky, abyste pochopili všechny spleti.
