Diferenciální ochrana sběrnice

Definice diferenciální ochrany sběrnice

Diferenciální ochrana sběrnice je schéma, které rychle izoluje poruchy porovnáním proudů vstupujících a odcházejících ze sběrnice pomocí Kirchhoffova zákona o proudech.

Diferenciální ochrana proudu

Schéma ochrany sběrnice zahrnuje Kirchhoffův zákon o proudech, který říká, že celkový proud vstupující do elektrického uzlu je přesně roven celkovému proudu opouštějícímu uzel. Tedy, celkový proud vstupující do sekce sběrnice je roven celkovému proudu opouštějícímu sekci sběrnice.

Princip diferenciální ochrany sběrnice je velmi jednoduchý. Zde jsou sekundární části transformátorů proudu (CT) propojeny paralelně. To znamená, že S1 terminály všech CT jsou spojeny dohromady a tvoří sběrnicový vodič. Podobně jsou S2 terminály všech CT spojeny dohromady a tvoří další sběrnicový vodič. Přepínací relé je připojeno mezi těmito dvěma sběrnicovými vodiči.

 V následujícím obrázku předpokládáme, že za normálních podmínek vedení A, B, C, D, E a F vedou proudy IA, IB, IC, ID, IE a IF. Nyní, podle Kirchhoffova zákona o proudech,

 Všechny CT použité pro diferenciální ochranu sběrnice mají stejný poměr proudu. Proto musí být také součet všech sekundárních proudů roven nule.

 Nyní, řekněme, že proud relé připojeného paralelně se všemi sekundárními částmi CT je iR, a iA, iB, iC, iD, iE a iF jsou sekundární proudy. Nyní aplikujme KCL na uzel X. Podle KCL na uzlu X,

 Je tedy jasné, že za normálních podmínek žádný proud neprotéká přepínacím relé ochrany sběrnice. Toto relé se obvykle označuje jako Relé 87. Nyní, řekněme, že došlo k poruše na některém z vedení mimo chráněnou zónu.

V tom případě, poškozený proud protéká primární částí CT tohoto vedení. Tento poškozený proud je přispíván všemi ostatními vedeními připojenými ke sběrnici. Takže přispívající část poškozeného proudu protéká odpovídajícím CT daného vedení. V tuto chvíli, pokud aplikujeme KCL na uzel K, stále získáme, i R = 0

To znamená, že za externích poškozených podmínek žádný proud neprotéká relé 87. Nyní zvažme situaci, kdy došlo k poškození přímo na sběrnici. V této podmínce je poškozený proud přispíván všemi vedeními připojenými ke sběrnici. V této podmínce je tedy součet všech přispívajících poškozených proudů roven celkovému poškozenému proudu.

Nyní, na poškozené cestě není žádný CT. (při externí poruše, jak poškozený proud, tak přispívající proud k poruše různými vedeními projdou CT). Součet všech sekundárních proudů již není nula. Je roven sekundárnímu ekvivalentu poškozeného proudu. Nyní, pokud aplikujeme KCL na uzly, získáme nenulovou hodnotu i R.

 V této podmínce začne proud protékat relé 87 a spustí vypínače všech vedení připojených k této sekci sběrnice.

Jelikož jsou všechna příchozí a odchozí vedení, připojená k této sekci sběrnice, vypnutá, sběrnice se stane neaktivní. Toto schéma diferenciální ochrany sběrnice je také označováno jako diferenciální ochrana proudu sběrnice.

Ochrana sekčované sběrnice

Při vysvětlování principu fungování diferenciální ochrany proudu sběrnice jsme ukázali jednoduchou nesekčovanou sběrnici. Avšak v středně vysokotlakých systémech je elektrická sběrnice rozdělena na více sekcí pro zvýšení stability systému.

Je to provedeno proto, aby porucha v jedné sekci sběrnice nedisturbovala jiné sekce systému. Během poruchy na sběrnici by byla přerušena celá sběrnice. Nyní nakresleme a diskutujme o ochraně sběrnice s dvěma sekciemi.

Zde je sekce sběrnice A nebo zóna A ohraničena CT 1, CT2 a CT3, kde CT1 a CT2 jsou vedeními CT a CT3 je sběrnice CT.

Diferenciální ochrana napětí

Schéma diferenciální ochrany proudu je citlivé pouze tehdy, pokud CT nejsou nasyceny a udržují stejný poměr proudu, fázový úhel chyby za maximálních poškozených podmínek. To obvykle není 80, zejména v případě externí poruchy na jednom z vedení. CT na poškozeném vedení může být nasyceno celkovým proudem a v důsledku toho bude mít velké chyby. V důsledku těchto velkých chyb nemusí být součet sekundárních proudů všech CT v dané zóně nulový.

 Tedy existuje vysoká šance, že všechny vypínače spojené s touto ochrannou zónou budou vypnuté i v případě externí velké poruchy. Aby bylo zabráněno těmto nežádoucím operacím diferenciální ochrany proudu sběrnice, jsou relé 87 vybaveny vysokým startovacím proudem a dostatečnou časovou prodlevou. Největší problém způsobující nasycení transformátoru proudu je přechodová složka stejnosměrného proudu krátkého zapojení.

Tyto problémy lze překonat použitím CT s vzduchovým jádrem. Tento transformátor proudu se také nazývá lineární kruh. Jelikož jádro CT nepoužívá železo, sekundární charakteristiky těchto CT jsou přímky. V diferenciální ochraně napětí sběrnice jsou CT všech příchozích a odchozích vedení spojeny sériově místo paralelního spojení.

Sekundární části všech CT a diferenciální relé tvoří uzavřený obvod. Pokud jsou polarizace všech CT správně nastaveny, je součet napětí na všech sekundárních částech CT nulový. Tedy, nebude zde žádné výsledné napětí napříč diferenciálním relé. Když dojde k poruše na sběrnici, součet všech sekundárních napětí CT již není nulový. Tedy, bude v obvodu cirkulovat proud způsobený výsledným napětím. 

Jelikož tento obvodový proud protéká i diferenciálním relé, relé je aktivováno a vypne všechny vypínače spojené s chráněnou zónou sběrnice. Kromě situace, kdy je zemní proud silně omezován impedancí neutrálu, obvykle neexistuje problém s selektivitou. Pokud tento problém existuje, je vyřešen použitím dodatečného citlivějšího relé, včetně dozorového ochranného relé.

Význam selektivní izolace

Moderní systémy potřebují izolovat pouze poškozené sekce, aby minimalizovaly přerušení dodávky energie a zajistily rychlé odstranění poruch.