Nell'articolo imparerai cos'è la protezione differenziale, come funziona, quali qualità positive ha. Parlerà anche di quali sono le carenze della protezione differenziale delle linee elettriche. Imparerai anche schemi pratici per la protezione di dispositivi e linee elettriche.
Il tipo di protezione differenziale è attualmente considerato il più comune e veloce. È in grado di proteggere il sistema dai cortocircuiti fase-fase. E in quei sistemi che utilizzano un neutro con messa a terra solida, può facilmente prevenire il verificarsi di cortocircuiti monofase. Il tipo di protezione differenziale viene utilizzato per proteggere linee elettriche, motori ad alta potenza, trasformatori, generatori.
Ci sono due tipi di protezione differenziale in totale:
- Con tensioni che si bilanciano a vicenda.
- Con corrente circolante.
Questo articolo lo faràentrambi questi tipi di protezione differenziale sono presi in considerazione per imparare il più possibile su di essi.
Protezione differenziale mediante correnti circolanti
Il principio è che le correnti vengono confrontate. E per essere più precisi, c'è un confronto dei parametri all'inizio dell'elemento, la cui protezione viene eseguita, così come alla fine. Questo schema è utilizzato nell'implementazione del tipo longitudinale e trasversale. I primi servono a garantire la sicurezza di un'unica linea elettrica, motori elettrici, trasformatori, generatori. La protezione della linea differenziale longitudinale è molto comune nell'industria energetica moderna. Il secondo tipo di protezione differenziale viene utilizzato quando si utilizzano linee elettriche funzionanti in parallelo.
Protezione differenziale longitudinale di linee e dispositivi
Per implementare una protezione di tipo longitudinale, è necessario installare gli stessi trasformatori di corrente su entrambe le estremità. I loro avvolgimenti secondari devono essere collegati tra loro in serie con l'aiuto di cavi elettrici aggiuntivi che devono essere collegati a relè di corrente. Inoltre, questi relè di corrente devono essere collegati in parallelo agli avvolgimenti secondari. In condizioni normali, oltre che in presenza di un cortocircuito esterno, in entrambi gli avvolgimenti primari dei trasformatori scorrerà la stessa corrente, che sarà uguale sia in fase che in grandezza. Un valore leggermente inferiore scorrerà attraverso l'avvolgimento di corrente elettromagnetica del relè. Puoi calcolarlo usando una semplice formula:
Ir=I1-I2.
Supponiamo che le dipendenze di corrente dei trasformatori corrispondano completamente. Pertanto, la suddetta differenza dei valori correnti è prossima o uguale a zero. In altre parole, Ir=0 e la protezione non funziona in questo momento. Il cablaggio ausiliario che collega gli avvolgimenti secondari dei trasformatori fa circolare la corrente.
Schema protezione differenziale di tipo longitudinale
Questo circuito di protezione differenziale permette di ottenere valori uguali di correnti che scorrono attraverso il circuito secondario dei trasformatori. Sulla base di ciò, possiamo concludere che questo schema di protezione è stato chiamato così a causa del principio di funzionamento. In questo caso, l'area che si trova direttamente tra i trasformatori di corrente cade nella zona di protezione. In caso di cortocircuito, nella zona di protezione, quando alimentata da un lato del trasformatore, la corrente I1 scorre attraverso l'avvolgimento del relè elettromagnetico. Viene inviato al circuito secondario del trasformatore, che è installato sull' altro lato della linea. È necessario prestare attenzione al fatto che esiste una resistenza molto elevata nell'avvolgimento secondario. Pertanto, quasi nessuna corrente lo attraversa. Secondo questo principio funziona la protezione differenziale di pneumatici, generatori, trasformatori. Nel caso in cui I1 risulti uguale o maggiore di Ir, la protezione entra in funzione aprendo il gruppo di contatti degli interruttori.
Cortocircuito e protezione del circuito
In caso di cortocircuito all'interno dell'area protetta, entrambilati, una corrente scorre attraverso il relè elettromagnetico, pari alla somma delle correnti di ciascun avvolgimento. In questo caso la protezione si attiva anche aprendo i contatti degli interruttori. Tutti gli esempi precedenti presuppongono che tutti i parametri tecnici dei trasformatori siano esattamente gli stessi. Pertanto, Ir=0. Ma queste sono condizioni ideali, in re altà, a causa di piccole differenze nelle prestazioni dei sistemi magnetici delle correnti primarie, gli elettrodomestici differiscono notevolmente tra loro, anche dello stesso tipo. Se ci sono differenze nelle caratteristiche dei trasformatori di corrente (quando è implementata la protezione di fase differenziale della struttura), le correnti dei circuiti secondari saranno diverse, anche se quelle primarie sono assolutamente le stesse. Ora dobbiamo considerare come funziona il circuito di protezione differenziale in caso di cortocircuito esterno sulla linea di alimentazione.
Cortocircuito esterno
In presenza di un cortocircuito esterno, una corrente di squilibrio fluirà attraverso il relè elettromagnetico di protezione differenziale. Il suo valore dipende direttamente da quale corrente passa attraverso il circuito primario del trasformatore. In modalità di carico normale, il suo valore è piccolo, ma in presenza di un cortocircuito esterno inizia ad aumentare. Il suo valore dipende anche dal tempo dopo l'inizio del guasto. Inoltre, dovrebbe raggiungere il suo valore massimo nei primi periodi successivi all'inizio della chiusura. Fu in questo momento che l'intero cortocircuito I scorre attraverso i circuiti primari dei trasformatori.
Vale anche la pena notare che all'inizio il cortocircuito è costituito da due tipi di corrente: continua e alternata. Sono anche chiamaticomponenti aperiodiche e periodiche. Il dispositivo di protezione differenziale è tale che la presenza di una componente aperiodica nella corrente deve sempre causare un'eccessiva saturazione del sistema magnetico del trasformatore. Di conseguenza, la differenza di potenziale di squilibrio aumenta notevolmente. Quando la corrente di cortocircuito inizia a diminuire, diminuisce anche il valore di squilibrio del sistema. Secondo questo principio viene eseguita la protezione differenziale del trasformatore.
Sensibilità delle strutture protettive
Tutti i tipi di protezione differenziale sono ad azione rapida. E non funzionano in presenza di cortocircuiti esterni, quindi è necessario scegliere relè elettromagnetici, tenendo conto della massima corrente di squilibrio possibile nel sistema in presenza di un cortocircuito esterno. Vale la pena prestare attenzione al fatto che questo tipo di protezione ha una sensibilità estremamente bassa. Per aumentarlo, devi soddisfare molte condizioni. In primo luogo, è necessario utilizzare trasformatori di corrente che non saturano i circuiti magnetici nel momento in cui la corrente scorre attraverso il circuito primario (indipendentemente dal suo valore). In secondo luogo, è desiderabile utilizzare apparecchi elettrici di tipo a saturazione rapida. Devono essere collegati agli avvolgimenti secondari degli elementi da proteggere. Un relè elettromagnetico è collegato a un trasformatore a saturazione rapida (la protezione differenziale di corrente diventa il più affidabile possibile) in parallelo con il suo avvolgimento secondario. Ecco come funziona la protezione differenziale del generatore o del trasformatore.
Aumenta la sensibilità
Supponiamo che si sia verificato un cortocircuito esterno. In questo caso, una certa corrente scorre attraverso i circuiti primari dei trasformatori di protezione, costituiti da componenti aperiodiche e periodiche. Gli stessi "componenti" sono presenti nella corrente di squilibrio che scorre nell'avvolgimento primario di un trasformatore a saturazione rapida. In questo caso, la componente aperiodica della corrente satura notevolmente il nucleo. Pertanto non avviene la trasformazione della corrente nel circuito secondario. Con l'attenuazione della componente aperiodica si verifica una significativa diminuzione della saturazione del circuito magnetico e gradualmente nel circuito secondario inizia a comparire un certo valore di corrente. Ma il livello massimo di corrente di squilibrio sarà molto inferiore rispetto all'assenza di un trasformatore a saturazione rapida. Pertanto è possibile aumentare la sensibilità impostando il valore della corrente di protezione minore o uguale al valore massimo della differenza di potenziale di squilibrio.
Qualità positive della protezione differenziale
Durante i primi periodi il circuito magnetico è fortemente saturo, la trasformazione praticamente non avviene. Ma dopo che la componente aperiodica decade, la parte periodica inizia a trasformarsi nel circuito secondario. Vale la pena prestare attenzione al fatto che è molto importante. Pertanto, il relè elettromagnetico interviene e spegne il circuito protetto. Un livello di trasformazione molto basso per i primi periodi di tempo e mezzo circa rallenta l'azione del circuito di protezione. Ma questo non gioca un ruolo importante nella costruzione di circuiti di protezione dei circuiti pratici.
La protezione differenziale del trasformatore non funziona nei casi in cui vi siano danni al circuito elettrico al di fuori della zona di protezione. Pertanto, il ritardo e la selettività non sono richiesti. Il tempo di risposta della protezione varia da 0,05 a 0,1 secondi. Questo è un enorme vantaggio di questo tipo di protezione differenziale. Ma c'è un altro vantaggio: un grado di sensibilità molto elevato, specialmente quando si utilizza un trasformatore a saturazione rapida. Tra i vantaggi minori, vale la pena notare la semplicità e l' altissima affidabilità.
Proprietà negative
Ma sia la protezione differenziale longitudinale che quella trasversale presentano degli svantaggi. Ad esempio, non è in grado di proteggere il circuito elettrico se esposto a cortocircuiti dall'esterno. Inoltre, non è in grado di aprire il circuito elettrico se sottoposto a un forte sovraccarico.
Purtroppo la protezione può funzionare se il circuito ausiliario è danneggiato, a cui è collegato l'avvolgimento secondario. Ma tutti i vantaggi della protezione differenziale con corrente circolante interrompono questi piccoli inconvenienti. Ma sono in grado di proteggere linee elettriche di brevissima lunghezza, non più di un chilometro.
Sono molto spesso utilizzati nell'implementazione della protezione dei fili, con l'aiuto dei quali vengono alimentati vari dispositivi necessari per il funzionamento di centrali elettriche e generatori. Nel caso in cui la lunghezza della linea elettrica sia molto grande, ad esempio, è di diverse decine di chilometri, protezione secondoquesto circuito è molto difficile da eseguire, poiché è necessario utilizzare fili di sezione molto grande per il collegamento di relè elettromagnetici e l'avvolgimento secondario dei trasformatori.
Se usi cavi standard, il carico sui trasformatori di corrente sarà troppo grande, così come la corrente di squilibrio. Ma per quanto riguarda la sensibilità, risulta essere estremamente bassa.
Progettazione dei relè di protezione e portata dei circuiti
Nelle linee elettriche molto lunghe, viene utilizzato un circuito in cui è presente un relè di protezione di un design speciale. Con esso, puoi fornire un livello normale di sensibilità e utilizzare cavi di collegamento standard. La protezione differenziale trasversale funziona confrontando la corrente in due linee in fasi e grandezze.
La protezione differenziale ad alta velocità viene utilizzata nelle linee elettriche in cui la tensione scorre nell'intervallo 3-35 mila volt. Ciò fornisce una protezione affidabile contro il cortocircuito fase-fase. La protezione differenziale è realizzata come bifase in quanto la rete di alimentazione con le tensioni di esercizio sopra indicate non è messa a terra dai neutri. In caso contrario, il neutro è collegato a terra per mezzo di uno scivolo d'arco.
Fili ausiliari nella progettazione di circuiti di protezione
I trasformatori di corrente sono relativamente vicini l'uno all' altro. Pertanto, i fili ausiliari sono piuttosto corti. Quando si utilizzano fili di piccolo diametroi trasformatori saranno esposti a un carico relativamente basso. Per quanto riguarda la corrente di squilibrio, è anche piccola. Ma il grado di sensibilità è molto alto. In caso di disconnessione di una qualsiasi linea, la protezione differenziale diventa corrente, non c'è temporizzazione e selettività. Per evitare falsi allarmi, i contatti ausiliari di linea scollegano il circuito.
Protezione differenziale del circuito trasversale
La protezione trasversale è ampiamente utilizzata nello sviluppo di sistemi di linea operanti in parallelo. Gli interruttori sono installati su entrambi i lati della linea. La linea di fondo è che tali linee sono molto difficili da proteggere con circuiti semplici. Il motivo è che è impossibile raggiungere un livello normale di selettività. Per migliorare la selettività, è necessario selezionare attentamente il ritardo. Ma nel caso di utilizzo di una protezione differenziale diretta trasversalmente, il ritardo non è necessario, la selettività è piuttosto alta. Ha gli organi principali:
- Direzione della potenza. Vengono spesso utilizzati relè di direzione di potenza a doppio effetto. A volte viene utilizzata una coppia di relè di protezione differenziale a semplice effetto che funzionano con direzioni di alimentazione diverse.
- Avvio - di norma, nel suo ruolo vengono utilizzati relè ad alta velocità con la massima corrente possibile.
Il progetto del sistema è tale che sulle linee siano installati trasformatori di corrente con avvolgimenti secondari collegati in un circuito di circolazione di corrente. Ma tutti gli avvolgimenti attuali vengono accesi in serie, dopocosa sono collegati con l'aiuto di cavi aggiuntivi ai trasformatori di corrente. Affinché la protezione di fase differenziale funzioni, la tensione viene fornita al relè utilizzando le sbarre degli impianti. È su di loro che è installato l'intero kit. Se osservi il circuito per l'accensione dei circuiti secondari dei trasformatori e di un relè di protezione, possiamo concludere perché è chiamato "otto diretto". L'intero sistema è realizzato in due set. C'è un set a ciascuna estremità della linea, che fornisce protezione differenziale di corrente per la linea elettrica.
Circuito relè monofase
La tensione al relè di protezione viene fornita in fase inversa a quella necessaria per scollegare una linea danneggiata. Durante il normale funzionamento (anche in presenza di un cortocircuito esterno), solo la corrente di squilibrio fluisce attraverso gli avvolgimenti del relè. Per evitare falsi interventi è necessario che i relè di avviamento abbiano una corrente di intervento maggiore della corrente di squilibrio. Considera il lavoro di protezione di due linee.
All'inizio del cortocircuito, nella zona di protezione della seconda linea scorre della corrente. Vale la pena prestare attenzione al fatto che:
- Relè di avviamento attivato.
- A lato di una sottostazione, il relè di direzione dell'alimentazione apre i contatti dell'interruttore.
- Dal lato della seconda sottostazione, anche la linea viene disconnessa tramite interruttori.
- Nel relè di direzione di potenza, la coppia è negativa, quindi i contatti sono aperti.
Negli avvolgimenti del relè di protezione della prima lineala direzione del movimento della corrente cambia (rispetto alla prima linea) durante un cortocircuito. Il relè di direzione dell'alimentazione mantiene il gruppo di contatti nello stato aperto. Gli interruttori sul lato di entrambe le sottostazioni si aprono.
Solo tale protezione differenziale di linea può funzionare correttamente solo quando entrambe le linee funzionano in parallelo. Nel caso in cui uno di essi sia spento, viene violato il principio di funzionamento della protezione differenziale. Di conseguenza, un'ulteriore protezione porta allo spegnimento non selettivo della seconda linea durante i cortocircuiti esterni. In questo caso, diventa una normale corrente direzionale e non ha un ritardo. Per evitare ciò, la protezione incrociata si disattiva automaticamente durante la disconnessione di una linea interrompendo il circuito con il contatto ausiliario.
Tipi di protezione aggiuntivi
Le correnti di intervento dei relè di avviamento devono essere maggiori delle correnti di squilibrio durante un cortocircuito esterno. Per evitare falsi positivi quando una delle linee è scollegata e la corrente massima del carico attraversa quella rimanente, è necessario che sia maggiore della differenza di potenziale di squilibrio. Se sulla linea è presente una protezione differenziale di tipo trasversale, è necessario prevedere gradi aggiuntivi.
Permetteranno di proteggere una linea quando quella parallela è spenta. Tipicamente vengono utilizzati per la protezione da sovracorrente durante un cortocircuito esterno (in questo caso la protezione differenziale non reagisce). Inoltre, protezione aggiuntivaè un backup del differenziale (se quest'ultimo non è riuscito).
Vengono spesso utilizzate protezioni di corrente direzionali e non direzionali, interruzioni, ecc.. La protezione differenziale incrociata è semplice nel design, molto affidabile ed è stata ampiamente utilizzata nelle reti elettriche con tensioni di 35 mila volt o di più. Ecco come funziona la protezione differenziale, il suo principio di funzionamento è abbastanza semplice, ma è comunque necessario conoscere almeno le basi dell'ingegneria elettrica per comprendere tutte le complessità.
