История релейной защиты » Введение в историю дифференциальной защиты
Введение в историю дифференциальной защиты PAC World лето 2008

Введение в историю дифференциальной защиты
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в летнем номере журнала «PAC World» в 2008 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич

Дифференциальная защита стала
важной технологией в области
релейной защиты в 20-м веке

В последних статьях этой серии в журнале «PAC World» рассматривалась дистанционная защита. Это основная защита в сетях ВН и СВН, а также сетях СН в Германии, Австрии и ряде других стран. Но некоторые страны, такие как Великобритания, США и Россия предпочитают, как раньше, так и сейчас в качестве основной МТЗ, ДФЗ и ВЧ-схемы передачи сигналов. Для защиты трансформаторов, генераторов и двигателей повсеместно в качестве основной используется дифференциальная защита.

Предшественники дифференциальной дащиты

Уже в начале 19-го века некоторые инженеры обсуждали дифференциальную защиту это было сравнение напряжений и токов в отдельных фазах. Первое предложение в 1896 году сравнивало напряжение двух фаз системы постоянного тока с нейтральной фазой. Реле с равновесным рычагом (коромыслом) и катушками на обоих сторонах оставалось в равновесии до тех пор, пока напряжения были равны (патент Германии DRP 92442, Рис.1).

Рисунок 1. Первая дифференциальная защита

Рисунок 1. Первая дифференциальная защита

Согласно предложению Шукерта (Schuckert) из компании «Elektrizitats-AG», патент DRP 113521, в трехфазной системе токов сравнивались токи разных фаз (одно реле с двумя катушками на каждую фазу). Каждая катушка воздействовала на свою сторону рычага. При симметричных условиях токи одинаковы. Эта схема использовалась для обнаружения несимметричных КЗ и обрывах линии.
В 1900 г Шукерт предложил другой тип дифференциального реле с равновесными рычагами. Теперь ток одной фазы действовал на одну сторону, оставшиеся две фазы на другую. Изменение нагрузки в одной фазе приводило к срабатыванию реле (Патент DRP 122503). Хотя это реле описывалось как реле баланса фаз, оно использовало систему нулевой последовательности. Компания AEG уже в 1899 г опубликовала в немецком журнале "Elektrotechnische Rundschau" статью об дифференциальном реле.
В 1898 г Кальман (Kallmann) описал в журнале ETZ свою идею об "дифференциальной схеме для прямой индикации изменений токов" . Эта система применялась только для сигнализации. [page]

Дифференциальная защита как селективная защита

Дифференциальная защита, которая сравнивает токи по обоим сторонам оборудования энергосистемы была запатентована Чарльзом Хестерман Мерцом (Charles Hestermann Merz) и Бернхардом Прайсом (Bernhard Price) Англия. "Улучшения в методе и способах защиты аппаратов в системах переменного тока" были запатентованы в Великобритании (патент 3896) 16 февраля 1904 и 31 мая 1904 г в Германии (DRP 166224) год 1904 стал годом рождения дифференциальной защиты. По обоим концам линии устанавливался трансформатор (теперь трансформаторы тока). Вторичные обмотки соединяются таким образом, что в нормальном режиме ток равен нулю. Соединение трансформаторов выполняется с помощью сигнальных (контрольных) проводов. Для защиты линий реле устанавливались на обоих концах, каждое отключало силовой выключатель при повреждении (Рис. 2)

Рисунок 2. Дифзащита Мерца-Прайса

Рисунок 2. Дифзащита Мерца-Прайса

Для защиты трансформаторов достаточно только одного реле, которое отключает трансформатор с обоих сторон. В случае повреждения между измерительными трансформаторами токи на обоих сторонах становятся разными и реле действует на отключение. Недостатком этой системы является то, что если трансформаторы работают без нагрузки, то это приводит к появлению высокого напряжения в цепи. Для решения этой проблемы применялась «мостовая» схема (Рис.3).
«Суммирующая» схема из трансформаторов тока и реле при диагональном соединении была предложена Кульманом (Kuhlmann), компания AEG в 1904.

Первые применения

Впервые защита была применена для защиты кабелей 20 кВ в распределительной компании земли Дюрам (grid of Country of Durham Electrical Power Distribution Co.) в северной Англии (1906/1907). Компания AEG приобрела патент Мерца и Прайса (Merz and Price) в 1907. Первым применением была защита в шахте Люзен-халь ( Luisenthal (Saar) и в Вестфаллене (EW Westfalen) (оба в Германии) вскоре после этого. Другими известными применениями было: защита оборудования на электростанции Рошервиль (Rosherville (1911)); компании Виктория Фоллс и Трансвааль (Victoria Falls and Transvaal Power Co. Ltd.) (Южная Африка; генераторы и трансформаторы 1911/12).

Рисунок 3. Мостовая цепь

Рисунок 3. Мостовая цепь

Рисунок 4. Высокочувствительное реле (Siemens) Рисунок 5. Реле QS1, AEG с коэффициентным измерением

Рисунок 4. Высокочувствительное реле (Siemens)
Рисунок 5. Реле QS1, AEG с коэффициентным измерением

На Рис.4 показано высокочувствительное дифференциальное реле с подвижным железным измерительным элементом. Внешнее ярмо было сделано из шихтованных листов сплава железа с высокой начальной намагниченностью. На нем располагались (на заостренных концах) рабочие обмотки. Подвижный элемент в виде Z увеличивает напряженность поля при небольших перемещениях. Теперь, при малом потреблении возможен большой момент. Вес подвижного элемента был только 8 граммов; небольшая пружина противодействовала ходу элемента.
Другая схема защиты трансформатора, применявшаяся до 1918, состояла из катушек с сердечниками, соединявшихся последовательно с обмотками ТТ и зашунтированных предохранителями. Схему можно сравнить с ранее упоминавшейся схемой Кливленда (Cleveland) с предохранителем. Оно работало на электромагнитном принципе. Позже AEG разработала трехфазное универсальное устройство (Рис.6).

Рисунок 6. Дифференциальное реле AEG

Рисунок 6. Дифференциальное реле AEG

[page]

Его можно было заказать как для защиты кабеля, так и трансформатора и генератора. Результирующее магнитное поле создавалось сдвинутыми на 120° частями обмотки. Когда ток превышал порог срабатывания, поворачивался треугольный вращающийся якорь и освобождал падающий индикатор. Был возможен ручной сброс. Регулировка уставки достигалась передвижением индикатора по шкале. Устройство для защиты трансформатора имело замыкающий контакт, который включал таймер. Таймер имел уставку в 2 сек и этим достигалась отстройка от броска тока намагничивания.
Токовая дифференциальная защита широко применялась в Англии. В других странах, например в США взамен применялась МТЗ. Тем не менее, позднее и там стала популярной дифференциальная защита.
Дифференциальные защитные системы стали применяться и в Германии, где имела название «защита по сигнальным проводам» с 1907 года. Другой идеей было сравнение токов в параллельных линиях, так как они имеют определенное отношение своих первичных полных сопротивлений. Эта поперечная дифференциальная защита (другое название было «восьмерочная защита» из-за формы цепи в виде цифры 8) (Рис.10) была запатентована Уэдмором (Wedmore) (Великобритания) в 1908 (Brit. Pat. 11797).
Ее большое преимущество: нет необходимости в сигнальных проводах. Конечно, работа такой защиты возможна только при постоянно работающих параллельных линиях.
Для защиты более чем двух параллельных линий Рихард Баух (Richard Bauch), компания SIEMENS предложил в 1918 г поперечную дифференциальную защиту с полигональным соединением (патент DRP 330667; Рис. 11). Обратите внимание, что на рисунке показано сравнение только в одной фазе. В нормальных условиях в реле ток отсутствует

Дифференциальная защита ЛЭП
известна также под названием
«защита по сигнальным проводам»

так как оба тока имеют одинаковую величину и направление. Токи циркулируют в «восьмерке» или в полигональной схеме. Только в случае небаланса через реле протекает ток. Для защиты одиночных линий в 1912 г компания F&G запатентовала (патент DRP 264541) другой метод. Одножильный кабель электрически разделяется на несколько жил. В нормальном режиме имеется определенное отношение между токами и они «исключают» друг друга. При повреждении реле срабатывает.
Биерманс (Biermanns) (AEG) предложил «дифференциальное реле мощности». Оно работает как контактный ваттметр (счетчик) с двумя приводными системами в схеме Аарона, обе воздействуют на алюминиевый диск. Оба срабатывают при разнице токов и показывают в нормальном режиме «потери железа» (на намагничивание) в трансформаторе. Они очень чувствительны и могут работать «на уменьшение», например при неисправностях в «железе» (сердечнике трансформатора); с другой стороны они достаточно быстры и успевают «обнаружить» КЗ в обмотке до того, как оно может «разрушить» трансформатор. Это ваттметрическое реле пускается при мощности в месте повреждения, равной 0.5% от номинальной мощности трансформатора. Дополнительно применяется обычное токовое дифференциальное реле, оно должно работать в случае неисправных цепей напряжения и когда ваттметрическое реле становится менее чувствительным.
Дифференциальное реле мощности не может работать без задержки по времени (мгновенно), и работает с временем токового дифференциального реле и его таймера на рис.12 показана схема.
Англичане Клотье (Clothier) и Лиисон (Leeson) в 1929 г опубликовали «систему с контрольными проводами и расщеплением». Одна катушка дифференциального трансформатора, необходимая для схемы сравнения токов была «расщеплена» посередине. Реле подсоединялись к средней точке этого измерительного трансформатора. (Рис.7)

Рисунок 7. Система с сигнальными проводами и расщеплением

Рисунок 7. Система с сигнальными проводами и расщеплением

[page]

Так как в нормальном режиме та же часть тока протекает в каждой полуобмотке, поля компенсируют друг друга.
В середине сигнального провода нет разницы в напряжениях, поэтому ток, протекающий через «поперечное» соединение равен нулю. При повреждении через это соединение и обмотку дифференциального реле начинает течь ток и оно запускается. При помощи такого разделения реле нечувствительно к помехам в обоих катушках.

Торможение

В 1920 г Вальдемар Петерсен (Waldemar Petersen), AEG написал, что в случае внешнего КЗ может произойти ложное отключение в схеме классической дифференциальной защиты. Причина – различное насыщение измерительных трансформаторов из-за увеличения токов КЗ и появления постоянной составляющей. Кроме того, небаланс между трансформаторами тока стал все больше увеличиваться из-за применения устройств РПН. Небаланс уменьшали за счет применения отпаек на промежуточных трансформаторах и соединении их с учетом векторной группы; но их (отпайки) приходилось переключать при каждом переключении РПН. При частых переключениях, или при автоматическом РПН это становилось невозможным. Из-за этого в 1930 г компания AEG предложила специальное измерительное реле. Это реле больше не пускалось только от величины дифференциального тока; оно оценивало отношение дифференциального и «сквозного» тока при повреждении. Поэтому устройство не срабатывало ложно при внешних повреждениях. Такое измерительное реле использовало и электромеханический принцип. В дополнение к дифференциальной системе применялась 3-х полюсная система торможения, создающая тормозной момент при внешних («сквозных») токах КЗ (рис.5).

Рисунок 8. RW10 однополюсное реле (Siemens)  Рисунок 9. Кабельная защита Фанкуша AEG, 1920 г

Рисунок 8. RW10 однополюсное реле (Siemens)
Рисунок 9. Кабельная защита Фанкуша AEG, 1920 г.

Согласно решению SIEMENS, примененному в реле RW10, действие на отключение запрещалось, если превышалась фиксированная величина, равная 1.5 от максимального нагрузочного тока. (Рис.13 и 8).
Фирма ASEA представила в 1925 г свое дифференциальное реле с торможением RBD. Интересное предложение было сделано П.Барри (P. Barry), Франция, в 1925 г – применить промежуточный трансформатор с тем же числом ампер-витков на низкой стороне трансформаторов, где трансформаторы тока имеют большое число ампер-витков. Это позволяло уменьшить зависимость от различия магнитных характеристик, но увеличивало???? (возможно надо: уменьшало – прим.переводчика) чувствительность защиты (Рис. 15). Барри применяет при этом более старую схему, где измерительные трансформаторы подсоединяются «встречно». Для предотвращения опасности «раскорачивания» вторичных обмоток он применяет нагрузочные резисторы. Эти резисторы потребляют много энергии и уменьшают чувствительность.

Улучшение поведения дифференциальной защиты
достигается применением тормозного реле

Для исключения неправильной работы дифзащиты на силовых трансформаторах с автоматическим управлением РПН Шутце Х. Аума (Schulze,H., Auma) предложил в 1929 г учитывать положение отпайки устройства РПН; Компания BEWAG в Берлине применяет «дифференциальную защиту по мощности». Чтобы позволить ее применение на трансформаторах с различными векторными группами и с РПН, SIEMENS начал применять промежуточные ТТ для разных векторных групп с отпайками (патент DRP 315272). При увеличении мощности увеличиваются как токи КЗ, так и токи небаланса.

Рисунок 10. Поперечная дифференциальная защита Уэдмора, 1908 г. (показана одна фаза)

Рисунок 10. Поперечная дифференциальная защита Уэдмора, 1908 г. (показана одна фаза)

[page]

Улучшение поведения дифференциальной защиты достигается применением тормозного реле.

Для предотвращения ложных отключений Альберт Эдвард МакКол (Albert Edward McColl) предложил тормозную обмотку. (процентное дифференциальное реле , Рис.14). Два электромагнита воздействуют на балансный рычаг (коромысло). Один электромагнит использует геометрическую сумму токов для торможения (тормозное реле), а другое использует геометрическую разность для отключения. Теперь ток, действующий на отключение и пропорциональный «сквозному току», должен быть большим, чтобы произошло отключение, поэтому реле и получило название «процентное реле». Тормозное действие можно регулировать (изменением числа обмоток или «плеч») для достижения требуемых характеристик. Согласно английского патента (133187) Уэдмор (Wedmore) изготовил еще одно дифференциальное реле. Теперь на действие отключающей катушки влиял полный ток трансформатора. Чем больше ток, тем больше запуск. Этим предупреждается ложное отключение и этот принцип используется и сегодня.

Рисунок 11. Поперечная дифференциальная защита (полигональное соединение), Баух, 1918 г. (показана одна фаза)

Рисунок 11. Поперечная дифференциальная защита (полигональное соединение), Баух, 1918 г. (показана одна фаза)

Рисунок 12. Ваттметрическое дифференциальное реле (Siemens), промежуточные трансформаторы напряжения

Рисунок 12. Ваттметрическое дифференциальное реле (Siemens), промежуточные трансформаторы напряжения

Торможение при броске тока намагничивания

Из-за возвратной пружины на другой стороне контакт у реле нормально замкнут. Если геометрическая сумма больше геометрической разницы, то контакт размыкается. Если этот контакт соединен последовательно с «обычным» токовым реле (срабатывающим при токе повреждения), то это реле блокируется как процентно-дифференциальное реле. Реле превращается в реле с торможением. Единственным отличием этого реле от процентно-дифференциального реле является направление мощности пружины ± C У процентно-дифференциального реле + C; У реле с торможением – C. C имеет размерность в амперах, которые необходимы на преодоление силы упругости.).
Английский патент 104571 и инженер Гейзе (Geise,Fr), SIEMENS, предложили реле с торможением как дополнение к обычному дифференциальному реле в 1932г. Оно было внедрено в Германии под названием «дифференциальное реле со стабилизацией», другие известные названия такого реле «коэффициентное дифференциальное реле» (AEG); "процентное дифференциальное реле" (BBC) и "реле с тормозным элементом" (SIEMENS). Влияние медленно затухающих бросков тока намагничивания может быть устранено только элементом выдержки времени (0-5...2сек) (оценка величины 10 выборками плюс 0.3 сек.). Появилась и идея «гармонического торможе-ния». Но только в 50'х годах прошлого века появились выпрямители и фильтры для блокировки защиты и повышения надежности несрабатывания при включении с одной стороны и быстрого отключения (50…100 мс) с другой. Гейзе (Geise), компания SIEMENS, применил насыщающиеся трансформа-торы, которые блокировали постоянную составляющую в броске тока намагничивания. Хоэл (Hoel) в 1944 г предложил «колеблющийся» контакт, настроенный на номинальную частоту системы; эта идея была запатентована Ж.Стоклином (Stoec-klin,J)., компания BBC (CH) в 1944 (патент DRP 849444).
Идея поперечной защиты, предложенная Р.Баухом (Bauch,R.) была в 1920'м развита применением реле с торможением для предотвращения ложных отключений при внешних КЗ или различных сопротивлений линий. Другой идеей было использование мгновенных величин для сравнения направлений токов, но при работе в реальных условиях эта идея не прижилась. В целом, мы можем сделать вывод, что применение поперечной дифференциальной защиты для линий в общем случае нецелесообразно, так как линии должны быть параллельны во всех режимах сети и находиться на одной системе шин. Несмотря на это эта защита используется для защиты одинаковых частей обмоток в генераторах и для защиты больших батарей конденсаторов.

Рисунок 13. Дифференциальное реле с торможением 3-х плюсное, RW10, Siemens

Рисунок 13. Дифференциальное реле с торможением 3-х плюсное, RW10, Siemens

Рисунок 14. Процентное дифференциальное реле, Мак-Колл, 1917 г.

Рисунок 14. Процентное дифференциальное реле, Мак-Колл, 1917 г.

Рисунок 15. Дифференциальная защита с промежуточными трансформаторами тока (по Барри)

Рисунок 15. Дифференциальная защита с промежуточными трансформаторами тока (по Барри)

[page]

Другие защитные схемы на принципе сравнения

Применение дифференциальной защиты для защиты линий не является типичным для Германии. Одна из причин – необходимость наличия дополнительного провода (кроме самой линии) и что правильное поведение ТТ является существенным фактором для надежной работы всей системы. Из-за этого эффекта и опасности повреждения контрольного провода ценность этой защитной системы считалась иллюзорной и суще-ствующей только на бумаге. Другой причиной было мешающее работе влияние емкости контрольного провода, особенно на длинных линиях. Становились возможными резонансные явления и результаты работы было трудно обнаружить. Компенсирующие устройства с обмотками и трансформаторами часто отказывали. В любом случае длинные контрольные провода с их большим сопротивлением являются большой нагрузкой на ТТ. Поэтому дифференциальная защита часто используется в системах с небольшими расстояниями – генераторами, трансформаторами, преобразователями и двигателями.

Рисунок 16. Защита Фанкуша, объединенная с ТН

Рисунок 16. Защита Фанкуша, объединенная с ТН

Когда не было возможности применить дистанционную защиту, инженеры искали другие способы быстрого отключения от защитных устройств, особенно для кабельных сетей. Уже упоминавшаяся защита с расщеплением силового проводника была разработана в 20-х годах прошлого века и не требовала контрольного провода. Фанкуш (Pfannkuch), AEG, в 1920 г разработал «защиту Фанкуша» для защиты кабеля (Рис. 9 и 17). Она использовалась для напряжений вплоть до 60 кВ; несколько контрольных проводов со слабой изоляцией прокладывалось возле силовой жилы. Это требовало применения специального измерительного трансформатора Фанкуша (Рис.16). Разность напряжений между главной жилой и контрольными жилами была порядка 60…160 В. Защита была выполнена с помощью реле активной мощности.
Уставка выбиралась так, что при нормальной подаче напряжения на кабель ничего не происходило. Но при возникновении повреж-дения изоляция кабеля начинала обугливаться, реле срабатывало из-за появления активной мощности, срабатывала сигнализация еще до образования пробоя. Реле изменяло свою уставку и второй запуск действовал на отключение масляного силового выключателя.
Такие устройства впервые были применены в Берлине (30 кВ; 1920 /22), Кельне (25 кВ 4 км; 1921) Буэнос-Айресе (1922; 27.5 кВ; 62 км) и Константинополе (1922; 10 кВ; 4 км). В 1924 AEG ввела в работу в Японии (от цетральной станции Киото-Денто (Kyoto- Dento) до подстанций Тоджи, Гойо, Дай-бутсо, Шимобар (Toji, Gojo, Daibutso, Shimabar и Sujakuno) 20км 22 кВ кабель для компании Kyoto -Electric Light Co. с применением защитной систе-мы Фанкуша.
Далее этот тип защиты развивался усилиями Ротсипера (Rottsieper) и фирмой производителем кабеля "Kabelwerk Oberspree" в Берли-не. Так как с такой системой защиты кабелей были некоторые проблемы, то в это время становится более популярной дистанционная защита. Тем не менее, дистанционную защиту трудно использовать для защиты коротких кабелей. Поэтому начиная с 1933 г стали использоваться реле сравнения направлений мощности. Это могло делаться как введением элементов направленности в дистанционных реле, так и отдельных реле направления (мощности). Конечно, для этого также необходим контрольный кабель, но он может иметь низкое напряжение, уровень изоляции и малое сечение.("телефонный кабель"). Большим преимуществом по сравнению с другими системами является то, что больше нет необходимости передавать измеряемые величины с их амплитудой и фазой; достаточно передавать только сигналы постоянного тока.

Рисунок 17. Кабельная защита Фанкуша  Рисунок 18. SV-защита, схема, AEG, 1936 г.

Рисунок 17. Кабельная защита Фанкуша
Рисунок 18. SV-защита, схема, AEG, 1936 г.

Нагрузка на измерительные трансформаторы и длина линии больше не является ограничивающим фактором. Повреждения вблизи подстанции, приводящие к неопределенности (отсутствие напряжения для определения направления); качания и выпадение из синхронизма по обоим сторонам приводили к ложным отключениям.
Компания AEG в 1936 г. разработала защиту на принципе сравнения направлений токов (SV- защита). В защите применялись поляризованные реле (широко известные в технике связи). Эти реле срабатывали под действием тока через трансформаторы и их контакты переключались с частотой тока КЗ. Связь по контрольным проводам с использованием вспомогательного напряжения позволяла определить что если на обоих концах происходили одновременные положительные и отрицательные колебания, то это = внешнему КЗ, а если они срабатывали по разным концам в противофазе, то это = «внутреннему» КЗ (подпитка места КЗ с двух сторон). Правильное поведение обеспечивалось как при одностороннем (Рис.18 и 19а, в), так и двухстороннем питании. Первые применения такой защиты были в Бранденбурге, Айзе-нахе и Дармштадте (Brandenburg, Eisenach и Darms-tadt), Германия.
[page]

В 1913 г Хохштадтер (Hochststadter) разработал свою так называемую «Lypro-protection». Для нее требовался только один контрольный провод, соединенный так, что ампервитки обмоток основной цепи и цепи контрольного провода исключали друг друга. Поскольку другие типы защит, такие как «защита Глазера» (Glaser-protection), «защита Ферранти-Хоукинса» (Ferranti-Howkins-protection) и «защита кабеля Калекоре» (Kalecore-cables) далее не совершенствовались, то мы их можем только упомянуть. Более важной стала «защита сравнения направлений», использующая ВЧ-связь (power-line-carrier) по защищаемой ЛЭП. Эта система была предложена в 1933 г Нойгебауэром (Neugebauer), SIEMENS.

Рисунок 19. SV-защита AEG, 1936

Рисунок 19. SV-защита AEG, 1936

В 1924 г Биерманс (Biermanns), AEG внедрил принцип применения дифференциальной защиты как в качестве основной, так и резервной без использования контрольных проводов. Для двойных линий он предложил поперечную дифференциальную защиту (мгновенное отключение при повреждениях на линии) и дистанционную защиту для обнаружения повреждения на шинах. Смит Р.М. (Smith,R.M.); Зоннеман У.К.(Sonnemann,W.K.) и Доддс Г.Б. Dodds,G.B.) (США) описали в 1939 г свою защиту шин, основанную на процентной дифференциальной защите.
Дальнейшие разработки и усовершенствования будут рассмотрены в следующем выпуске.

Любые комментарии и вопросы присылайте по адресу: w.schossig@pacw.org

Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в летнем номере журнала «PAC World» в 2008 году >>смотреть

Все права сохранены © Музей РЗА

Перепубликация материалов возможна только с устного или письменного разрешения администрации сайта!