Ochrona różnicowa szyn rozdzielczych

Definicja ochrony różnicowej szyny

Ochrona różnicowa szyny to schemat, który szybko izoluje awarie poprzez porównanie prądów wchodzących i wychodzących ze szyny przy użyciu prawa Kirchhoffa dotyczącego prądów.

Ochrona różnicowa prądu

Schemat ochrony szyny obejmuje prawo Kirchhoffa dotyczące prądów, które mówi, że całkowity prąd wchodzący do węzła elektrycznego jest dokładnie równy całkowitemu prądowi wychodzącemu z węzła. Zatem, całkowity prąd wchodzący do sekcji szyny jest równy całkowitemu prądowi wychodzącemu z sekcji szyny.

Zasada ochrony różnicowej szyny jest bardzo prosta. W tym przypadku wtórne transformatorów prądowych (TP) są połączone równolegle. To oznacza, że terminale S1 wszystkich TP są połączone razem i tworzą szynę. Podobnie, terminale S2 wszystkich TP są połączone razem, tworząc drugą szynę. Relacja wyłączająca jest podłączona między tymi dwiema szynami.

 Na powyższym rysunku zakładamy, że w normalnych warunkach linie A, B, C, D, E i F niosą prądy IA, IB, IC, ID, IE i IF. Teraz, zgodnie z prawem Kirchhoffa dotyczącym prądów,

 Wszystkie TP używane do ochrony różnicowej szyny mają taką samą relację prądową. Zatem, suma wszystkich prądów wtórnych również musi być równa zero.

 Teraz, powiedzmy, że prąd przez relację podłączoną równolegle do wszystkich wtórnych TP wynosi iR, a iA, iB, iC, iD, iE i iF to prądy wtórne. Teraz zastosujmy prawo KCL w węźle X. Zgodnie z KCL w węźle X,

 Jest jasne, że w normalnych warunkach nie ma prądu płynącego przez relację wyłączającą ochrony szyny. Ta relacja jest ogólnie nazywana Relacją 87. Teraz, powiedzmy, że awaria wystąpiła na jednej z linii, poza strefą ochrony.

W takim przypadku, prąd awaryjny przepłynie przez pierwotną część TP tej linii. Ten prąd awaryjny jest generowany przez wszystkie inne linie podłączone do szyny. Zatem, ta część prądu awaryjnego przepływa przez odpowiedni TP danej linii. Stąd, w tych warunkach awaryjnych, jeśli zastosujemy KCL w węźle K, nadal otrzymamy, iR = 0

To oznacza, że w warunkach zewnętrznej awarii, nie ma prądu płynącego przez relację 87. Teraz rozważmy sytuację, gdy awaria wystąpiła bezpośrednio na szynie. W takich warunkach, prąd awaryjny jest generowany przez wszystkie linie podłączone do szyny. Zatem, w tych warunkach, suma wszystkich prądów awaryjnych jest równa całkowitemu prądowi awaryjnemu.

Teraz, na ścieżce awaryjnej nie ma TP. (w przypadku zewnętrznej awarii, zarówno prąd awaryjny, jak i prądy contributory do awarii przez różne linie mają TP w swojej ścieżce). Suma wszystkich prądów wtórnych nie jest już równa zero. Jest ona równa wtórnemu odpowiednikowi prądu awaryjnego. Teraz, jeśli zastosujemy KCL w węzłach, otrzymamy niezerową wartość iR.

 W takich warunkach prąd zaczyna płynąć przez relację 87, co powoduje wyłączenie wyłączników obwodowych odpowiadających wszystkim liniom podłączonym do tej sekcji szyny.

Ponieważ wszystkie linie wchodzące i wychodzące, podłączone do tej sekcji szyny, są wyłączone, szyna staje się martwa. Ten schemat ochrony różnicowej szyny jest również nazywany ochroną różnicową prądu szyny.

Ochrona sekcjonowanej szyny

Podczas wyjaśniania zasady działania ochrony różnicowej prądu szyny, pokazaliśmy prostą, niesekcjonowaną szynę. Jednak w systemach średniego napięcia szyna jest sekcjonowana na więcej sekcji, aby zwiększyć stabilność systemu.

Robi się to, ponieważ awaria w jednej sekcji szyny nie powinna zakłócać innej sekcji systemu. Zatem, podczas awarii szyny, cała szyna zostanie przerwana. Rozważmy teraz ochronę szyny z dwoma sekcjami.

Tutaj, sekcja szyny A lub strefa A jest ograniczona przez TP 1, TP2 i TP3, gdzie TP1 i TP2 to TP linii, a TP3 to TP szyny.

Ochrona różnicowa napięcia

Schemat ochrony różnicowej prądu jest czuły tylko wtedy, gdy TP nie są nasycane i utrzymują tę samą relację prądową, błąd kąta fazowego w warunkach maksymalnej awarii. To zazwyczaj nie jest 80, szczególnie w przypadku zewnętrznej awarii na jednej z linii. TP na linii awaryjnej może być nasycany przez całkowity prąd, co skutkuje dużymi błędami. Ze względu na ten duży błąd, suma prądów wtórnych wszystkich TP w danej strefie może nie być równa zero.

 Więc istnieje duże prawdopodobieństwo wyłączenia wszystkich wyłączników obwodowych związanych z tą strefą ochrony, nawet w przypadku zewnętrznej dużej awarii. Aby zapobiec temu błędnemu działaniu ochrony różnicowej prądu szyny, relacje 87 są wyposażone w wysoki prąd wyzwalający i wystarczającą opóźnienie. Największą przyczyną nasycenia TP jest chwilowy składowy prądu stałego krótkiego spięcia.

Te trudności można przezwyciężyć, używając TP z rdzeniem powietrznym. Ten transformator prądowy jest również nazywany liniowym sprzęgaczem. Ponieważ rdzeń TP nie używa żelaza, charakterystyka wtórna tych TP jest linią prostą. W ochronie różnicowej napięcia szyny, TP wszystkich linii wchodzących i wychodzących są połączone szeregowo, zamiast równolegle.

Wtórne wszystkich TP i relacja różnicowa tworzą zamkniętą pętlę. Jeśli polaryzacja wszystkich TP jest właściwie dopasowana, suma napięć na wszystkich wtórnych TP wynosi zero. Zatem, nie będzie rezultatywnego napięcia pojawiającego się na relacji różnicowej. Gdy wystąpi awaria szyny, suma wszystkich napięć wtórnych TP nie będzie już równa zero. Zatem, w pętli pojawi się prąd z powodu rezultatywnego napięcia. 

Ponieważ ten prąd pętli również płynie przez relację różnicową, relacja działa, aby wyłączyć wszystkie wyłączniki obwodowe związane ze strefą ochrony szyny. Poza sytuacjami, gdy prąd ziemny jest silnie ograniczony przez impedancję neutralną, zwykle nie ma problemu z selektywnością. Jeśli taki problem występuje, jest on rozwiązany poprzez użycie dodatkowego, bardziej wrażliwego sprzętu relacyjnego, w tym nadzorczej relacji ochronnej.

Znaczenie selektywnej izolacji

Nowoczesne systemy wymagają izolacji tylko uszkodzonych sekcji, aby zminimalizować przerwy w dostawie energii i zapewnić szybkie usuwanie awarii.