Doğru şekilde anlamanız GEREKEN üç temel diferansiyel koruma ilkesi

 

Her durumda, ölçüm, bir düğüme giren veya çıkan akımların geometrik (vektör) toplamının herhangi bir zamanda 0'a eşit olması gerektiğini belirten Kirchhoff yasalarına dayanır.

 

Bu bağlamda kullanılan konvansiyon, korunan bölgeye akan akımların pozitif, korunan bölgeden çıkan akımların ise negatif olduğunu belirtir.

 

Yüksek hassasiyet ve hızlı çalışma, hasarı en aza indirmek için ideal olduğundan, farklı diferansiyel koruma genellikle jeneratörleri, motorları ve transformatörleri korur. Fiderlerde, diferansiyel koruma esas olarak kabloları korumak için, özellikle de mesafe korumanın kolayca uygulanamadığı kısa mesafelerde kullanılır.

 

İçindekiler:

1. Akım diferansiyel koruması
   1. Dijital ölçülen değer aktarımı ile akım karşılaştırması
2. Sapmalı (stabilize) diferansiyel koruma
   1. Örnek
   2. Önemli notlar
3. İki pilot tel çekirdekli Diferansiyel Koruma
   1. Voltaj karşılaştırması (zıt voltaj prensibi)
   2. Dolaşan akım prensibi
   3. Ölçüm prensiplerinin karşılaştırılması

1. Akım diferansiyel koruması

Bu, diferansiyel korumanın en basit ve en sık uygulanan şeklidir. Ölçüm prensibi Şekil 1'de gösterilmektedir. Diferansiyel koruma bölgesinin uçlarındaki akım trafoları, sekonder tarafta seri olarak bağlanır, böylece akımlar, harici bir arıza sırasında (bkz. Şekil 1a) akım trafolarından geçer ve akım olmaz. diferansiyel rölenin bulunduğu diferansiyel ölçüm kolundan akar.

 

Dahili bir arıza durumunda (Şekil 1b), arıza akımları arıza yerine doğru akar, böylece sekonder akımlar toplanır ve diferansiyel kol üzerinden akar. Diferansiyel röle alır ve açmayı başlatır.

 

Şekil 1 – Ölçüm prensibi: Harici hata veya yük (a), Dahili hata (b)

Bu basit devre prensibi (sapmalı akım diferansiyel koruması), akım trafolarının birbirine fiziksel olarak yakın olduğu tüm dağıtılmamış koruma nesnelerinde kullanılabilir.

 

En basit düzenleme, özellikle akım trafoları aynı orana sahip olduğunda, jeneratörler veya motorlarla sonuçlanır (Şekil 2a). Trafo koruması, vektör grubu için araya giren akım trafolarını ve karşılaştırma için kullanılan akımların oran düzeltmesini gerektirir (Şekil 2b).

 

Şekil 2 – Diferansiyel koruma, üç fazlı temel ilke

Bara koruması için birkaç fiderden gelen akımlar toplanmalıdır (Şekil 3). Yük ve harici arıza durumunda, besleyici akımlarının vektör toplamı sıfıra eşittir, bu nedenle rölede diferansiyel akım akmaz.

 

Ancak dahili arızalar sırasında akımlar büyük bir diferansiyel akım oluşturur.

 

Şekil 3 – Bara koruması (yük veya arıza durumu üzerinden)

Fider diferansiyel koruması için, korunan nesnenin iki terminalindeki akım trafoları birbirinden çok uzaktadır. Bu durumda, Şekil 4'e göre bağlantı devresi kullanılır (üç çekirdekli pilot diferansiyel koruma). Tipik olarak bir iletişim kablosu aracılığıyla "bükülmüş üçlü" olarak sağlanan iki istasyonu bağlamak için üç pilot tel çekirdeği gerekir.

 

(!) Akım diferansiyel röleleri, dahili bir arıza durumunda ilgili istasyonlarındaki devre kesicileri açan diferansiyel çekirdeğindeki her iki terminale bağlanır. Bu nedenle istasyonlar arasında başka açma komutu iletişimine gerek yoktur.

 

Pratikte, akım trafosu sekonder akımları (1 veya 5 A), pilot tel çekirdeklerinin yükünü azaltmak için akım trafoları araya getirilerek 100 mA'ya dönüştürülür. Bu azaltılmış akım trafosu yükü nedeniyle, akım diferansiyel koruması yaklaşık 10 km'lik mesafelerde kullanılabilir.

 

1 ila 2 km'lik kısa mesafelerde kontrol kabloları (2 kV izolasyon) kullanılabilir.

 

Şekil 4 - Hat diferansiyel koruması

Pilot kablo kabloları, güç kablolarına veya havai hatlara yakın olduğunda, topraklama yoluyla arıza akımlarına karşı yeterli ekranlama gereklidir. Daha uzun mesafelerde, pilot teller birkaç kV'luk yüksek voltajlar indükleyebilir. Bu, pilot tellerin toprağa karşı izolasyonunu etkiler, daha yüksek izolasyonlu (örn. 8 kV) özel pilot tel kabloları gerektirir ve yüksek gerilimlerin koruma rölelerine ulaşmasını önlemek için bariyer trafoları gerektirebilir.

 

Gerekli pilot tel çekirdeklerinin sayısını daha da azaltmak için araya giren akım trafoları aynı zamanda toplama trafolarıdır, bu sayede faz akımları tek (toplanmış) bir bileşik akım halinde birleştirilir.

 

1.1 Dijital ölçülen değer aktarımı ile akım karşılaştırması

Akım diferansiyel koruma ilkesi şimdiye kadar pilot kablolu iletişim yoluyla 50/60 Hz analog ölçülen değer iletiminin klasik moduna dayalı olarak açıklanmıştır. Sayısal koruma ile seri veri aktarımı uygulaması giderek daha fazla kullanılmaktadır.

 

(!) Böylece ölçülen değerler dijital olarak kodlanır ve özel bir fiber optik çekirdek veya bir dijital veri iletişim sistemi aracılığıyla iletilir. Sayısal ölçülen değer iletimi ve işlemesine rağmen, temel prensip aynı kalır. Siemens'in dijital fider diferansiyel koruması 7SD52 ve merkezi olmayan sayısal bara koruması 7SS52 bunun örnekleridir.

 

Yukarıda açıklanan karşılaştırmalı koruma devreleri “boyuna diferansiyel koruma”dır. Eksiksiz olması için daha önce kullanılan enine diferansiyel korumadan da bahsedilmelidir. Paralel bağlı iki veya daha fazla devrenin terminallerindeki akımı karşılaştırdı.

 

Bu tip koruma, özellikle hatlarda neredeyse hiç kullanılmaz, çünkü bu tip koruma için devrelerin paralel bağlanması gerekir ve bağımsız olarak çalıştırılamayabilir.

 

Şekil 5 – Tek bir cihazda yedekli algoritma ile iletim hattı koruması

 

Sadece her fazda ayrı terminallere gönderilen paralel (bölünmüş) sargılara sahip jeneratörlerde, dönüş hatalarına karşı enine diferansiyel koruma hala kullanılır.

 

2. Sapmalı (stabilize) diferansiyel koruma

Şimdiye kadar, basitlik adına, diferansiyel devredeki akımı ölçen röle için sabit bir başlatma eşiği varsayılmıştır. Ancak pratikte, akım trafolarının dönüşüm hatalarından kaynaklanan yanlış bir diferansiyel akım dikkate alınmalıdır. Akım trafolarının lineer aralığında bu hata, geçiş akımıyla orantılıdır.

 

Büyük arıza akımları durumunda, CT doygunluğu, bu yanlış diferansiyel akımın hızlı bir şekilde artmasına neden olabilir. Ek olarak, transformatör kademe değiştiricileri, dönüşüm oranının değiştirilmesi nedeniyle yanlış akıma neden olacaktır.

 

Şekil 6, yük veya harici arızalar sırasında geçiş akımı (Ithrough) ile ilgili olarak röle tarafından ölçülen diferansiyel akımı gösterir.

 

Şekil 6 - Yük sırasında yanlış diferansiyel akım ve uyarlanmış röle karakteristiğine sahip harici arızalar

 

Geçiş akımı arttığında başlatma eşiğinin arttırılması gerektiği açıktır. Bu, yük ve küçük arıza akımları sırasında yüksek hassasiyetle sonuçlanırken, aynı zamanda CT doygunluğu beklendiğinde büyük akımlarla hatalı çalışmaya karşı geliştirilmiş stabilite sağlar.

 

Korumanın ilk günlerinde bu, geçiş akımıyla orantılı olarak başlatma eşiğinin arttırılmasıyla sağlanıyordu. Bu yöntem, 1920'de sapmalı bir diferansiyel röle olarak önerildi. Çalışma prensibi Şekil 7'de gösterilmiştir – McCroll'a göre Sapmalı diferansiyel röle.

 

Şekil 7 - McCroll'a göre Biased diferansiyel röle

Elektromekanik ve statik röleler bu yöntemi bir doğrultucu köprü Şekil 7’de karşılaştırıcı kullanarak uygulamışlardır. Ölçüm yolu, yüksek hassasiyete sahip polarize hareketli bobin rölesi ve daha sonra elektronik tetik devresi ile gerçekleştirilmiştir. Sapmalı (stabilizasyon), bir geçiş akımı durumunda akım trafosu akımlarının "toplamına" karşılık gelen IBias = k1 × (I1 - I2) sinyali tarafından sağlandı.

 

Bu bağlamda, akımlar için seçilen işaret kuralına uyulmalıdır; korunan nesneye aktıklarında onları pozitif olarak tanımlar. Çalışma, akım trafosu akımlarının IOp = k2 × (I1 + I2) “farkından” etkilenir.

Alma kriteri: IOp > IBias

yani. k2 × |I1 + I2| > k1 × |I1 – I2|

Toplama rölesinde bir sınırlama yayı kullanılarak, minimum bir başlatma eşiği B de uygulanabilir. Sapmalı diferansiyel koruma için temel denklem bu şekilde elde edilir:

|I1 + I2| > k1 × |I1 – I2| + B burada k = k1/k2

(!) Daha sonra, ölçüm devresi daha da iyileştirildi ve ek bir diyot direnç kombinasyonu ile desteklendi. Böylece, küçük akımlara sahip kısıtlama yavaş yavaş ayarlanır ve Şekil 8'de noktalı karakteristik ile gösterildiği gibi sadece bir eşik değerinin (değişken kısıtlama) üzerinde güçlü bir şekilde artmaya başlar. Sayısal koruma daha sonra birkaç bölümden oluşan bir karakteristik uyguladı.

Bu, hariç tutulması gereken yanlış akım ölçüm alanına daha iyi uyum sağlar.

Şekil 8 – Ölçüm yolunda köprü doğrultucu devreli diferansiyel koruma

 

Daha yeni koruma cihazlarında, B eşiği artık kısıtlama tarafına eklenmez, ancak ayrı bir ayar değeri olarak sağlanır: IOp > B. Sonuç olarak, sapmalı karakteristik IOp > k×IRes artık başlangıç değeri B ile yer değiştirmez, bunun yerine koordinatların orijininden geçer.

 

Sonuç olarak, küçük akımlarla artan hassasiyet elde edilir.

 

Tarif edilen ölçüm prensibi, ikiden fazla terminali olan (üç sargılı transformatör veya bara koruması) koruma nesnelerine de uygulanabilir. Böylece, kısıtlama1 için akım büyüklüklerinin toplamı (aritmetik toplam) kullanılırken, işlem için akımların geometrik (vektörel) toplamının büyüklüğü kullanılır:

 

• IRes = |I1| + |I2| + |I3| + … + |In|
• IOp = |I1 + I2 + I3 + … + In|

 

Başlama kriteri olarak yukarıda belirtilen koşullar geçerlidir: IOp > k×IRes ve IOp > B

 

(!) Sapma özelliğinin eğimini tanımlayan sapma faktörü k (%bias /100), uygulamaya ve akım trafolarının boyutlarına bağlı olarak k = 0,3 ila 0,8 aralığında ayarlanabilir. B eşiği, bir jeneratör için %10IN olarak ayarlanabilirken, maksimum fider akımının %130'u bara koruması için tipiktir.

 

Bu, bireysel koruma sistemleri ile ilgili bölümde belirtilmiştir. Analog sinyal işlemeye dayalı ilgili devre, aşağıdaki Şekil 9'da gösterilmektedir. Büyüklük hesaplaması düzeltme ile elde edilir.

 

Harici bir arıza durumunda, çalışma akımı IOp sıfır olmalıdır, yani akım vektörlerinin toplamı sıfır olmalıdır. Kısıtlama akımı, mevcut büyüklüklerin toplamına karşılık gelir.

 

• IOp = |I1 + I2 + I3 + … + In| = |ΣI|
• IRes = |I1 + I2 + I3 + … + In| = |ΣI|

 

Dahili bir arıza durumunda, çalışma akımı, toplam akım vektörlerinin sonucudur. En basit biçiminde, beslemeler ve dolayısıyla ilgili arıza akımlarının tümü yaklaşık olarak aynı fazda olduğunda, vektör ve büyüklük toplamları eşittir, yani IOp = IRes.

 

Normal koşullar altında (düşük dirençli arıza ve faz eşdeğeri beslemeler) aşağıdakiler not edilebilir:

 

Tablo 2 – Harici ve dahili hatalar

 

Harici hata	IRes = 2 × IF-thru	IOp = 0	IF-thru korunan nesneden akan arıza akımıdır
Dahili hata	IRes = IF-int	IOp = IF-int	IF-int arıza konumundaki arıza akımlarının toplamıdır

Nispeten büyük arıza direncine sahip dahili arızalar durumunda, arıza sırasında yük akımının bir kısmının korunan nesneden hala akıyor olabileceği dikkate alınmalıdır. Akan yük akımı, korunan nesneye akan arıza akımlarının üzerine bindirilir.

 

IOp/IRes oranı buna uygun olarak azalır.

 

 

2.1 Örnek

Arıza dirençli kısa devre (Şekil 10):

• IOp = 2300 – 300 = 2000
• IRes = 2300 + 300 = 2600
• IOp/IRes = 0.77

 

Şekil 10 – Arıza dirençli dahili arıza, akım dağılımı

Geniş iletim sistemlerinde veya güç dalgalanmaları veya hatta adım dışı koşullar ortaya çıkarsa, arıza yerine akan arıza akımları önemli faz açısı farklılıklarına sahip olabilir. Bu durumda, akımların vektörel toplamı, akım büyüklüklerinin toplamından daha küçüktür ve dolayısıyla IOp < IRes.

 

İki uçlu bir besleme için, Şekil 11'deki koşullar ortaya çıkacaktır. Basitlik adına, iki akımın eşit büyüklükte olduğu varsayılırsa, aşağıdakiler geçerlidir:

 

IRes = 2 × |IF| ve IOp = 2 × cos (δ/2)

δ = 30° olduğunda, daha düşük oran IOp/IRes = 0,87 sonuçlanır.

 

Şekil 11 - Beslemeler arasında faz kayması olan dahili hata

​​

 

Gözlenen etkiler elbette birleştirilebilir. Sapma (stabilizasyon) faktörü k bu nedenle 0,8'in üzerine ayarlanmamalıdır. Aksine, akım trafoları 0,7'nin üzerinde bir ayar gereksiz olacak şekilde seçilmelidir.

 

2.2 Önemli notlar

Not #1

Koruma literatüründe ve röle kılavuzlarında sıklıkla akan akım referans alınır ve pozitif sayılır. Bu durumda, çalışma akımı IOp = |I1 − I2|'ye karşılık gelir. (diferansiyel akım) ve kısıtlama akımı IRes = |I1 + I2| geleneksel röleler veya IRes = |I1 + I2| sayısal röleler ile. Bununla birlikte, iki terminalli nesnelerin korunması için uygun olan bu kural, bara koruması gibi çoklu uç koruma nesneleri durumunda pratik değildir.

 

(!) Bu nedenle, koruma nesnesine akan akımların pozitif sayıldığı işaret kuralı, bu maddede tekdüze bir şekilde uygulanmaktadır (Siemens röle konvansiyonlarına da uygundur).

 

Not #2

Bu makalede, kısıtlama miktarı, IRes = (|I1 + I2|) akım büyüklüklerinin toplamına karşılık gelmektedir. Dahili arızalar için IOp/IRes yeri bu durumda çalışma/kısıtlama şemasında 45° eğimli (%100 eğim) düz bir çizgidir (bkz. Şekil 8). Bu aynı zamanda tüm Siemens röleleri için de geçerlidir.

 

Bazı röle üreticileri, sınırlama miktarı olarak mevcut toplamın yalnızca yarısını kullanır: IRes = (|I1 + I2|)/2, çoklu terminal korumasıyla bile, yani IRes = (|I1|+ |I2|+ |I3| … + |In|)/2.

 

Bu durumda, iç fay yeri %200'lük bir eğime sahiptir! Farklı marka röleleri karşılaştırmak ve öngerilim faktörünü (eğim yüzdesi) ayarlamak için bu akılda tutulmalıdır.

 

3. İki pilot tel çekirdekli Diferansiyel Koruma

Pilot tel diferansiyel koruması (bükümlü çift pilot teller), bükümlü pilot tel çiftlerine (telefon kabloları) sahip iletişim kablolarıyla uygulama için geliştirilmiştir. Öncelikle, bükümlü çiftlerin genellikle telefon şirketlerinden kiralandığı kıta Avrupası dışında kullanılır.

 

İki varyant özünde mümkündür:

 

1. Karşı gerilim ilkesi (açma pilot şeması)
2. Dolaşım akımı prensibi (blokaj pilot şeması)

 

Her iki varyant da geliştirilmiş ve pratikte uygulanmıştır. Siemens tarafından üretilen röleler zıt gerilim prensibi ile çalışmaktadır.

 

3.1 Gerilim karşılaştırması (karşı gerilim ilkesi)

Bu teknikle, her bir hat terminalindeki akım, bir şönt direnci (RQ) üzerinden yönlendirilir, böylece her biri karşılık gelen akım Şekil 12 ile orantılı U1 ve U2 voltajları üretilir. Bu iki voltaj daha sonra pilot tel çifti aracılığıyla karşılaştırılır.

 

(!) Bağlantı, hattan akan yük akımı veya harici arıza akımı durumunda gerilimler zıt olacak ve pilot tel çifti üzerinden hiçbir akım akmayacak şekilde seçilir. Ancak dahili arızalar sırasında, iki voltaj aynı fazdadır ve pilot kablo döngüsünden bir akım geçirir.

Akım trafolarının nominal akımı olarak adlandırılan, sadece birkaç mA olan bu akım, hassas akım rölesi (ΔI) üzerinden açmaya neden olur.

 

Şekil 12 - Hat diferansiyel koruması, voltaj karşılaştırma prensibi

 

Pilot çekirdeklerdeki voltaj, akım trafoları üzerinden nominal akım aktığında yalnızca birkaç volttur, ancak büyük arıza akımları durumunda yükselir. Pilot damarlardaki maksimum enine voltaj, telefon kablosunun nominal yalıtım voltajının (500 V) %60'ından, diğer bir deyişle 300 V'tan büyük olamaz.

 

Ağır dahili arıza akımları durumunda voltajı sınırlamak için bir varistör sağlanır.

 

(!) Harici arızalar sırasında voltaj sınırlama eşiğine ulaşılmamalıdır. Bu cihazların getirdiği küçük yük, yaklaşık 25 km'ye kadar olan mesafelerin köprülenmesine izin verir. Pilot tel damarlarının izolasyonu ve ekranlanması ile ilgili olarak, üç damarlı pilot tellere ilişkin “Akım diferansiyel koruma” birinci bölümünde yapılan açıklamalar burada da geçerlidir.

 

Ek olarak, pilot tel damarları, topraktaki arıza akımı tarafından indüklenen ve ölçümü etkileyen enine voltajın minimuma indirilmesi için uygun şekilde bükülmelidir.

 

Pratikte uygulanan ölçme devresi, öngerilimli diferansiyel koruma prensibi ile çalışmaktadır. Çalışma akımı 1 bu nedenle pilot tel akımıyla orantılıdır. Yönlendirme akımı, pilot tel akımından ek bir bileşenle birlikte şönt branşındaki akımdan elde edilir (Şekil 13).

 

Şekil 13 - İki çekirdekli pilot tel diferansiyel koruma - karşıt voltaj ilkesi

 

IOp ve IRes elde etmek için, pilot tel ve şönt akımları belirtilen ağırlık faktörleri ile rölede toplanır. Analog cihazlarda bu, karşılık gelen kademelere sahip dahili araya giren transformatörler tarafından yapılır. Bakınız, Şekil 13'e.

 

RQ = k × RS / (1 – 2 × k)

 

Siemens tarafından üretilen analog röleler her zaman k = 1/8 sabit bir değer uygular, başka bir deyişle, hizalama amacıyla RQ = 1/6 × RS ayarı uygulanır.

 

Sayısal koruma ile hizalama (RQ ayarı) gerekli değildir. Akım dağılımı, her uygulama için, rölede ayarlanması gereken pilot tel döngü direnci RS değerinden ve RQ'nun sabit değerinden her zaman hesaplanır.

 

3.2 Dolaşan akım prensibi

Devre, voltaj karşılaştırması için uygulanana benzer. Ancak çalıştırma ve kısıtlama değiştirilir. Pilot kablo döngüsündeki yardımcı trafo şimdi IRes = (|I1 − I2|) akımını besler ve şönt branşındaki yardımcı trafo IOp = (|I1 + I2|) sağlar. Akım trafoları, genellikle diferansiyel koruma ile yapıldığı gibi pilot tel çekirdeklerine faz karşıtlığı ile bağlanır.

 

Sonuç olarak, Şekil 13'te gösterildiği gibi sağ taraftaki CT bağlantısının geçişi uygulanmaz. Buna göre, akım besleyiciden akarken akım trafolarının ikincil voltajları fazdadır. Böylece, pilot tel döngüsü boyunca bir sirkülasyon akımı sürülür. Dahili bir arıza sırasında, iki voltaj zıttır ve bu da pilot tel akımının azalmasına neden olur.

 

Her iki tarafta aynı besleme ile pilot tel akımı teorik olarak sıfırdır.

3.3 Ölçüm ilkelerinin karşılaştırılması

Zıt voltaj prensibi ile normal çalışma sırasında pilot teller akım taşımaz. Dahili bir arıza durumunda, akımın açmaya neden olması için pilot kablo döngüsünden geçmesi gerekir. Bu çalışma modu, bu nedenle, serbest bırakma ilkesini (açma pilot şeması) kullanır. Pilot teller kesintiye uğrarsa, açma mümkün değildir.

 

(!) Pilot kabloda kısa devre olması durumunda, harici arızalar sırasında açma meydana gelir. Bu nedenle, pilot kablo kısa devreleri meydana geldiğinde yük sırasında yanlış açmayı önlemek için ayrı bir aşırı akım koşulu uygulanmalıdır. Dolaşım akımı prensibi ile, kısıtlama akımı pilot kablo döngüsünden akar ve yük ve harici arızalar sırasında rölenin açılmasını önler.

 

Dahili bir arıza sırasında, kısıtlayıcı pilot akımı azaltılır ve açmaya izin verilir. Dolayısıyla bu çalışma modu, engelleme ilkesine (blokaj pilot şeması) dayanmaktadır. Pilot kabloların kesintiye uğraması burada büyük akan akımlarla açmaya neden olur.

 

Bu nedenle burada ek bir aşırı akım kriteri de uygulanmalıdır. Pilot tellerin kısa devresi, aşırı kısıtlama ve bloke ile sonuçlanır.