In het artikel leert u wat differentiële bescherming is, hoe het werkt, welke positieve eigenschappen het heeft. Het zal ook praten over wat de tekortkomingen zijn van de differentiële bescherming van hoogspanningslijnen. Je leert ook praktische schema's voor het beschermen van apparaten en hoogspanningslijnen.
Het differentiële type bescherming wordt momenteel als de meest voorkomende en snelste beschouwd. Het is in staat om het systeem te beschermen tegen fase-naar-fase kortsluitingen. En in die systemen die een stevig geaarde nulleider gebruiken, kan het het optreden van enkelfasige kortsluitingen gemakkelijk voorkomen. Het differentiële type bescherming wordt gebruikt om hoogspanningslijnen, krachtige motoren, transformatoren, generatoren te beschermen.
Er zijn in totaal twee soorten differentiële bescherming:
- Met spanningen die elkaar in evenwicht houden.
- Met circulatiestroom.
Dit artikel zalbeide soorten differentiële bescherming worden overwogen om er zoveel mogelijk over te weten te komen.
Differentiële bescherming met circulatiestromen
Het principe is dat stromen worden vergeleken. En om preciezer te zijn, er is een vergelijking van parameters aan het begin van het element, waarvan de bescherming wordt uitgevoerd, evenals aan het einde. Dit schema wordt gebruikt bij de implementatie van het longitudinale type en transversaal. De eerste worden gebruikt om de veiligheid van een enkele stroomlijn, elektromotoren, transformatoren, generatoren te waarborgen. Longitudinale differentiële lijnbescherming is heel gebruikelijk in de moderne energiesector. Het tweede type differentiële bescherming wordt gebruikt bij gebruik van parallel werkende hoogspanningslijnen.
Longitudinale differentiële bescherming van lijnen en apparaten
Om overlangse typebescherming te implementeren, is het noodzakelijk om aan beide uiteinden dezelfde stroomtransformatoren te installeren. Hun secundaire wikkelingen moeten in serie met elkaar worden verbonden met behulp van extra elektrische draden die moeten worden aangesloten op stroomrelais. Bovendien moeten deze stroomrelais parallel op de secundaire wikkelingen worden aangesloten. Onder normale omstandigheden, evenals in aanwezigheid van een externe kortsluiting, zal dezelfde stroom vloeien in beide primaire wikkelingen van de transformatoren, die zowel in fase als in grootte gelijk zal zijn. Door de elektromagnetische stroomwikkeling van het relais zal een iets kleinere waarde vloeien. Je kunt het berekenen met een eenvoudige formule:
Ir=I1-I2.
Veronderstel dat de huidige afhankelijkheden van de transformatoren volledig overeenkomen. Daarom is het bovengenoemde verschil in huidige waarden dichtbij of gelijk aan nul. Met andere woorden, Ir=0 en de bescherming werkt op dit moment niet. De hulpbedrading die de secundaire wikkelingen van de transformatoren verbindt, circuleert stroom.
Schema van differentiële bescherming in lengterichting
Met dit differentiële beveiligingscircuit kunt u gelijke waarden verkrijgen van stromen die door het secundaire circuit van transformatoren stromen. Op basis hiervan kunnen we concluderen dat deze beschermingsregeling zo is genoemd vanwege het werkingsprincipe. In dit geval v alt het gebied dat zich direct tussen de stroomtransformatoren bevindt in de beschermingszone. In het geval dat er een kortsluiting is, in de beschermingszone, stroomt de stroom I1 wanneer gevoed vanaf één kant van de transformator door de wikkeling van het elektromagnetische relais. Het wordt naar het secundaire circuit van de transformator gestuurd, dat aan de andere kant van de lijn is geïnstalleerd. Het is noodzakelijk om aandacht te besteden aan het feit dat er een zeer hoge weerstand is in de secundaire wikkeling. Daarom stroomt er bijna geen stroom doorheen. Volgens dit principe werkt de differentiële bescherming van banden, generatoren, transformatoren. In het geval dat I1 gelijk of groter blijkt te zijn dan Ir, begint de beveiliging te werken, waardoor de contactgroep van schakelaars wordt geopend.
Kortsluiting en circuitbeveiliging
In het geval van een kortsluiting binnen het beveiligde gebied, beidezijden vloeit er een stroom door het elektromagnetische relais, gelijk aan de som van de stromen van elke wikkeling. In dit geval wordt de beveiliging ook geactiveerd door de contacten van de schakelaars te openen. Alle bovenstaande voorbeelden gaan ervan uit dat alle technische parameters van de transformatoren exact hetzelfde zijn. Daarom Ir=0. Maar dit zijn ideale omstandigheden, in werkelijkheid, vanwege kleine verschillen in de prestaties van magnetische systemen van primaire stromen, verschillen elektrische apparaten aanzienlijk van elkaar, zelfs van hetzelfde type. Als er verschillen zijn in de kenmerken van stroomtransformatoren (wanneer differentiaalfasebeveiliging van de structuur is geïmplementeerd), zullen de stromen van de secundaire circuits verschillen, zelfs als de primaire absoluut hetzelfde zijn. Nu moeten we overwegen hoe het differentiële beveiligingscircuit werkt in het geval van een externe kortsluiting op de voedingslijn.
Externe kortsluiting
In de aanwezigheid van een externe kortsluiting zal er een onbalansstroom door het elektromagnetische relais voor differentiële bescherming vloeien. De waarde ervan hangt rechtstreeks af van welke stroom door het primaire circuit van de transformator gaat. In de normale belastingsmodus is de waarde klein, maar in de aanwezigheid van een externe kortsluiting begint deze te stijgen. De waarde ervan hangt ook af van de tijd na het begin van de fout. Bovendien zou het zijn maximale waarde moeten bereiken in de eerste periodes na de start van de sluiting. Het was op dit moment dat de hele I-kortsluiting door de primaire circuits van de transformatoren stroomt.
Het is ook vermeldenswaard dat ik in eerste instantie kortsluiting uit twee soorten stroom bestaat - direct en wisselstroom. Ze worden ook welaperiodieke en periodieke componenten. De differentiële beschermingsinrichting is zodanig dat de aanwezigheid van een aperiodieke component in de stroom altijd een overmatige verzadiging van het magnetische systeem van de transformator moet veroorzaken. Het onbalanspotentiaalverschil neemt daardoor sterk toe. Wanneer de kortsluitstroom begint af te nemen, neemt ook de onbalanswaarde van het systeem af. Volgens dit principe wordt differentiële bescherming van de transformator uitgevoerd.
Gevoeligheid van beschermende constructies
Alle soorten differentiële bescherming werken snel. En ze werken niet in de aanwezigheid van externe kortsluitingen, dus het is noodzakelijk om elektromagnetische relais te kiezen, rekening houdend met de maximaal mogelijke onbalansstroom in het systeem in de aanwezigheid van een externe kortsluiting. Het is de moeite waard om op te letten dat dit type bescherming een extreem lage gevoeligheid heeft. Om het te verhogen, moet je aan veel voorwaarden voldoen. Ten eerste is het noodzakelijk om stroomtransformatoren te gebruiken die de magnetische circuits niet verzadigen op het moment dat de stroom door het primaire circuit vloeit (ongeacht de waarde). Ten tweede is het wenselijk elektrische apparaten van het snel verzadigende type te gebruiken. Ze moeten worden aangesloten op de secundaire wikkelingen van de te beschermen elementen. Een elektromagnetisch relais is parallel aan de secundaire wikkeling aangesloten op een snel verzadigende transformator (de huidige differentiële bescherming wordt zo betrouwbaar mogelijk). Dit is hoe differentieelbeveiliging van generator of transformator werkt.
Gevoeligheid verhogen
Stel dat er een externe kortsluiting is opgetreden. In dit geval vloeit een bepaalde stroom door de primaire circuits van beschermende transformatoren, bestaande uit aperiodieke en periodieke componenten. Dezelfde "componenten" zijn aanwezig in de onbalansstroom die door de primaire wikkeling van een snel verzadigende transformator vloeit. In dit geval verzadigt de aperiodieke component van de stroom de kern aanzienlijk. Daarom vindt de transformatie van de stroom in het secundaire circuit niet plaats. Met de verzwakking van de aperiodische component treedt een significante afname van de verzadiging van het magnetische circuit op en geleidelijk begint een bepaalde stroomwaarde in het secundaire circuit te verschijnen. Maar het maximale niveau van onbalansstroom zal veel minder zijn dan bij afwezigheid van een snel verzadigende transformator. Daarom kunt u de gevoeligheid verhogen door de beveiligingsstroomwaarde in te stellen op minder dan of gelijk aan de maximale waarde van het onbalanspotentiaalverschil.
Positieve eigenschappen van differentiële bescherming
Tijdens de eerste perioden is het magnetische circuit zeer sterk verzadigd, de transformatie vindt praktisch niet plaats. Maar nadat de aperiodieke component is vervallen, begint het periodieke deel te transformeren in het secundaire circuit. Het is de moeite waard aandacht te besteden aan het feit dat het erg belangrijk is. Daarom werkt het elektromagnetische relais en schakelt het het beveiligde circuit uit. Een zeer laag transformatieniveau gedurende de eerste ongeveer anderhalve tijd vertraagt de werking van het beveiligingscircuit. Maar dit speelt geen grote rol bij de constructie van praktische circuitbeveiligingscircuits.
Differentiële beveiliging van de transformator werkt niet in gevallen waarin er schade is aan het elektrische circuit buiten de beschermingszone. Tijdvertraging en selectiviteit zijn daarom niet vereist. De reactietijd van de bescherming varieert van 0,05 tot 0,1 seconden. Dit is een enorm voordeel van dit type differentiële bescherming. Maar er is nog een voordeel: een zeer hoge mate van gevoeligheid, vooral bij gebruik van een snel verzadigende transformator. Onder de kleinere voordelen is het vermeldenswaard, zoals eenvoud en zeer hoge betrouwbaarheid.
Negatieve eigenschappen
Maar zowel longitudinale als transversale differentiële bescherming hebben nadelen. Het is bijvoorbeeld niet in staat om het elektrische circuit te beschermen bij blootstelling aan kortsluiting van buitenaf. Het is ook niet in staat om het elektrische circuit te openen wanneer het wordt blootgesteld aan een sterke overbelasting.
Helaas kan de beveiliging werken als het hulpcircuit is beschadigd, waarop de secundaire wikkeling is aangesloten. Maar alle voordelen van differentiële beveiliging met circulatiestroom onderbreken deze kleine nadelen. Maar ze zijn in staat om hoogspanningslijnen van zeer korte lengte, niet meer dan een kilometer, te beschermen.
Ze worden heel vaak gebruikt bij de implementatie van de bescherming van draden, met behulp waarvan verschillende apparaten die nodig zijn voor de werking van krachtcentrales en generatoren worden aangedreven. In het geval dat de lengte van de hoogspanningsleiding erg groot is, bijvoorbeeld enkele tientallen kilometers, bescherming volgensdit circuit is erg moeilijk uit te voeren, omdat het nodig is om draden met een zeer grote doorsnede te gebruiken voor het aansluiten van elektromagnetische relais en de secundaire wikkeling van transformatoren.
Als je standaard draden gebruikt, zal de belasting op de stroomtransformatoren te groot zijn, evenals de onbalansstroom. Maar wat betreft de gevoeligheid, deze blijkt extreem laag te zijn.
Ontwerpen van beveiligingsrelais en omvang van circuits
In zeer lange hoogspanningslijnen wordt een circuit gebruikt waarin zich een beschermend relais van een speciaal ontwerp bevindt. Hiermee kunt u een normaal gevoeligheidsniveau bieden en standaard verbindingsdraden gebruiken. Transversale differentiële bescherming werkt door de stroom in twee lijnen in fasen en magnitudes te vergelijken.
Hogesnelheidsdifferentieelbeveiliging wordt gebruikt in hoogspanningslijnen waarin een spanning loopt in het bereik van 3-35 duizend volt. Dit biedt betrouwbare bescherming tegen fase-naar-fase kortsluiting. De differentiële bescherming wordt uitgevoerd als tweefasig vanwege het feit dat het stroomnetwerk met de bovenstaande bedrijfsspanningen niet geaard is door nulleiders. Anders is de nulleider verbonden met aarde door middel van een booggoot.
Hulpdraden in het ontwerp van beveiligingscircuits
Stroomtransformatoren staan relatief dicht bij elkaar. Daarom zijn de hulpdraden vrij kort. Bij gebruik van draden met een kleine diameter optransformatoren worden blootgesteld aan een relatief lage belasting. Wat betreft de onbalansstroom, deze is ook klein. Maar de mate van gevoeligheid is erg hoog. In het geval van een ontkoppeling van een lijn, wordt de differentiële beveiliging actueel, er is geen tijdvertraging en selectiviteit. Om valse alarmen te voorkomen, ontkoppelen lijnhulpcontacten het circuit.
Straverse circuit differentiële bescherming
Dwarsbescherming wordt veel gebruikt bij de ontwikkeling van parallel werkende lijnsystemen. Aan beide zijden van de lijn worden schakelaars geïnstalleerd. Het komt erop neer dat dergelijke lijnen erg moeilijk te beschermen zijn met eenvoudige circuits. De reden is dat het onmogelijk is om een normaal niveau van selectiviteit te bereiken. Om de selectiviteit te verbeteren, moet de tijdvertraging zorgvuldig worden geselecteerd. Maar in het geval van gebruik van een dwars gerichte differentiële bescherming, is de tijdvertraging niet nodig, de selectiviteit is vrij hoog. Ze heeft grote orgels:
- Power richting. Vaak worden dubbelwerkende vermogensrichtingrelais gebruikt. Soms wordt een paar enkelwerkende differentieelbeveiligingsrelais gebruikt die met verschillende stroomrichtingen werken.
- Starten - in de regel worden hogesnelheidsrelais met de maximaal mogelijke stroom in zijn rol gebruikt.
Het ontwerp van het systeem is zodanig dat stroomtransformatoren met secundaire wikkelingen aangesloten in een circulatiestroomcircuit op de lijnen worden geïnstalleerd. Maar alle huidige wikkelingen worden in serie ingeschakeld, nawat ze zijn verbonden met behulp van extra draden aan de stroomtransformatoren. Om de differentiaalfasebeveiliging te laten werken, wordt spanning aan het relais geleverd via de rails van de installaties. Het is op hen dat de hele kit is geïnstalleerd. Als je kijkt naar het circuit voor het inschakelen van de secundaire circuits van transformatoren en een beveiligingsrelais, kunnen we concluderen waarom het de "gerichte acht" wordt genoemd. Het hele systeem is gemaakt in twee sets. Er is één set aan elk uiteinde van de lijn, die de stroomdifferentiële bescherming biedt voor de hoogspanningslijn.
Eenfasig relaiscircuit
Spanning naar het beveiligingsrelais wordt in omgekeerde fase geleverd aan wat nodig is om één lijn met schade los te koppelen. Bij normaal bedrijf (ook bij aanwezigheid van een externe kortsluiting) vloeit alleen de onbalansstroom door de relaiswikkelingen. Om foutieve uitschakelingen te voorkomen, is het noodzakelijk dat de startrelais een uitschakelstroom hebben die groter is dan de onbalansstroom. Overweeg het werk van het beschermen van twee lijnen.
Aan het begin van de kortsluiting vloeit er wat stroom in de beveiligingszone van de tweede lijn. Het is de moeite waard aandacht te besteden aan het feit dat:
- Startrelais geactiveerd.
- Aan de zijkant van een onderstation opent het vermogensrichtingrelais de contacten van de stroomonderbreker.
- Vanaf de zijkant van het tweede onderstation wordt de lijn ook afgesloten met schakelaars.
- In het vermogensrichtingrelais is het koppel negatief, daarom zijn de contacten open.
In de wikkelingen van het eerste lijnbeveiligingsrelaisde richting van de stroombeweging verandert (ten opzichte van de eerste lijn) tijdens een kortsluiting. Het vermogensrichtingrelais houdt de contactgroep in de open toestand. De stroomonderbrekers aan de zijkant van beide onderstations gaan open.
Alleen een dergelijke lijndifferentieelbeveiliging kan alleen goed werken als beide lijnen parallel lopen. In het geval dat een van hen is uitgeschakeld, wordt het werkingsprincipe van de differentiële bescherming geschonden. Dientengevolge leidt verdere beveiliging tot niet-selectieve uitschakeling van de tweede lijn tijdens externe kortsluitingen. In dit geval wordt het een gewone richtstroom en heeft het geen tijdvertraging. Om dit te voorkomen, wordt de dwarsrichtingbeveiliging automatisch uitgeschakeld tijdens het loskoppelen van één lijn door het circuit met het hulpcontact te verbreken.
Extra soorten bescherming
De uitschakelstromen van de startrelais moeten groter zijn dan de onbalansstromen tijdens een externe kortsluiting. Om valse positieven te voorkomen wanneer een van de lijnen is losgekoppeld en de maximale belastingsstroom door de andere gaat, is het noodzakelijk dat deze groter is dan het onbalanspotentiaalverschil. Als er een transversaal type differentieelbeveiliging op de lijn is, moeten extra graden worden verstrekt.
Hiermee kan één lijn worden beveiligd wanneer de parallelle is uitgeschakeld. Meestal worden ze gebruikt voor overstroombeveiliging tijdens een externe kortsluiting (in dit geval reageert de differentiële beveiliging niet). Bovendien, extra beschermingis een back-up naar het differentieel (als de laatste faalde).
Gerichte en niet-gerichte stroombeveiliging, uitschakelingen, enz. Worden vaak gebruikt. Differentiële beveiliging in verschillende richtingen is eenvoudig van ontwerp, zeer betrouwbaar en wordt veel gebruikt in stroomnetwerken met spanningen van 35 duizend volt of meer. Dit is hoe differentiële bescherming werkt, het werkingsprincipe is vrij eenvoudig, maar je moet nog steeds op zijn minst de basis van elektrotechniek kennen om alle fijne kneepjes te begrijpen.
