Bu makalede açıklanan ve onlarca yıldır bilinen diferansiyel korumanın üç temel ilkesi hala uygulanabilir ve belirli bir cihaz teknolojisinden bağımsızdır. Diferansiyel koruma, ölçülen değerleri büyüklük ve faz açısından karşılaştırır. Bu, anlık değerlerin doğrudan karşılaştırılması veya vektör (fazör) karşılaştırması ile mümkündür.
Her durumda ölçüm, bir düğüme (noda) giren veya çıkan akımların geometrik (vektörel) toplamının herhangi bir zamanda 0 olması gerektiğini belirten Kirchhoff yasalarına dayanır.
Bu bağlamda kullanılan kural, korunan bölgeye akan akımların pozitif, korunan bölgeden ayrılan akımların ise negatif olduğunu belirtir.
Jeneratörler, motorlar ve transformatörler genellikle diferansiyel koruma ile korunur, çünkü yüksek hassasiyet ve hızlı çalışma, hasarı en aza indirmek için idealdir. Fiderlerde diferansiyel koruma, özellikle mesafe korumanın kolayca uygulanamadığı kısa mesafelerde kabloları korumak için kullanılır.
İçindekiler:
1| Akım Diferansiyel Koruması
Bu, diferansiyel korumanın en basit ve en sık uygulanan şeklidir. Ölçüm prensibi Şekil 1'de gösterilmiştir. Diferansiyel koruma bölgesinin uçlarındaki akım trafoları sekonder tarafta seri bağlanır, böylece akımlar harici bir arıza sırasında akım trafoları üzerinden dolaşır (bkz. Şekil 1a), ve diferansiyel rölenin bulunduğu diferansiyel ölçüm dalından akım geçmez.
Dahili bir arıza durumunda (Şekil 1b), arıza akımları arıza konumuna doğru akar, böylece sekonder akımlar toplanır ve diferansiyel kol üzerinden akar. Diferansiyel röle açar ve açmayı başlatır.
Bu basit devre prensibi (yanlı olmayan akım diferansiyel koruması), akım trafolarının fiziksel olarak birbirine yakın olduğu tüm dağıtılmamış koruma nesnelerinde kullanılabilir.
En basit düzenleme, özellikle akım trafoları aynı orana sahip olduğunda, jeneratörler veya motorlarla (Şekil 2a) sonuçlanır.Transformatör koruması, vektör grubu için araya giren akım transformatörlerini ve karşılaştırma için kullanılan akımların oran düzeltmesini gerektirir (Şekil 2b).
Bara koruması için, birkaç fiderden gelen akımların toplanması gerekir (Şekil 3). Yük ve harici arıza durumunda, fider akımlarının vektörel toplamı sıfıra eşittir, böylece rölede diferansiyel akım akmaz. Bununla birlikte, dahili arızalar sırasında, akımlar büyük bir diferansiyel akıma eklenir.
Fider diferansiyel koruma için, korunan nesnenin iki terminalindeki akım trafoları birbirinden uzaktır. Bu durumda Şekil 4'e göre bağlantı devresi kullanılır (üç çekirdekli pilot diferansiyel koruma). İki istasyon arasındaki bağlantı için, tipik olarak bir iletişim kablosu aracılığıyla "bükümlü üçlü" olarak sağlanan üç pilot tel çekirdeği gerekir.
Akım diferansiyel röleleri, diferansiyel çekirdekteki her iki terminale bağlanır ve bunlar, dahili bir arıza durumunda ilgili istasyonlardaki devre kesicileri açar. Bu nedenle, istasyonlar arasında daha fazla açma komutu iletişimi gerekmez.
Uygulamada, akım trafosu sekonder akımları (1 veya 5 A), pilot tel çekirdeklerinin yükünü azaltmak için akım trafoları devreye girerek 100 mA'ya dönüştürülür. Akım diferansiyel koruması, bu azaltılmış akım trafosu yükü nedeniyle yaklaşık 10 km'lik mesafelerde kullanılabilir.
1 ila 2 km'lik kısa mesafelerde kontrol kabloları (2 kV izolasyon) kullanılabilir.
Pilot tel kabloları, güç kablolarına veya havai hatlara yakın olduğunda, toprak yoluyla arıza akımlarına karşı yeterli koruma gereklidir. Daha uzun mesafelerde, pilot tellerde birkaç kV'luk yüksek voltajlar indüklenebilir. Bu, pilot tellerin toprağa karşı izolasyonunu etkiler ve daha yüksek izolasyonlu (örn. 8 kV) özel pilot tel kabloları gerektirir ve yüksek gerilimlerin koruma rölelerine ulaşmasını önlemek için bariyer transformatörleri gerektirebilir.
Gerekli pilot tel çekirdeği sayısını daha da azaltmak için araya giren akım trafoları aynı zamanda toplama trafolarıdır, burada faz akımları tek (toplanmış) bir bileşik akımda birleştirilir.
1.1| Dijital ölçülen değer aktarımı ile akım karşılaştırması
Akım diferansiyel korumanın prensibi şimdiye kadar, pilot telli iletişim yoluyla 50/60 Hz analog ölçüm değeri 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 işlenmesine rağmen, temel prensip aynı kalır. Siemens'in dijital fider diferansiyel koruması 7SD52 ve merkezi olmayan sayısal bara koruması 7SS52 buna örnektir.
Yukarıda açıklanan karşılaştırma koruma devreleri ayrıca "boyuna diferansiyel koruma" olarak da adlandırılır.Bütünlük adına, daha önce kullanılmış olan enine diferansiyel korumadan da bahsedilmelidir.Paralel bağlı iki veya daha fazla devrenin terminallerindeki akımı karşılaştırdı.
Bu tür bir koruma, özellikle hatlarda artık neredeyse hiç kullanılmamaktadır çünkü bu tür bir koruma için devrelerin paralel bağlanması gerekir ve bağımsız olarak çalıştırılamaz..
Yalnızca her fazda ayrı terminallere getirilen paralel (bölünmüş) sargılara sahip jeneratörlerde, dönüş arızalarına karşı enine diferansiyel koruma hala kullanılmaktadır.
2| Eğilimli (Stabilize) Diferansiyel Koruma
Şimdiye kadar, basitlik adına, diferansiyel devredeki akımı ölçen röle için sabit bir başlatma eşiği varsayılmıştır. Ancak pratikte, akım trafolarının dönüştürme hatalarından kaynaklanan bir yanlış diferansiyel akım dikkate alınmalıdır. Akım trafolarının doğrusal aralığında, bu hata geçiş akımıyla orantılıdır.
Büyük arıza akımları durumunda, bu yanlış diferansiyel akımın hızlı bir şekilde artmasına neden olan CT doyması sonuç olabilir. Ek olarak, trafo kademe değiştiricileri, dönüşüm oranının değiştirilmesi nedeniyle yanlış akıma neden olur.
.
Şekil 6, yük veya harici arızalar sırasında geçiş akımı (Ithrough) ile ilgili olarak röle tarafından ölçülen diferansiyel akımı gösterir.
Geçiş akımı arttığında, toplama eşiğinin artırılması gerektiği açıktır. Bu, yük ve küçük arıza akımları sırasında yüksek hassasiyet sağlarken, aynı zamanda AT (CT) doyumunun beklendiği durumlarda büyük akımlarla yanlış çalışmaya karşı geliştirilmiş kararlılık sağlar.
Korumanın ilk günlerinde, bu, başlatma eşiğini geçiş akımıyla orantılı olarak artırarak başarıldı.Bu yöntem, 1920'de önyargılı bir diferansiyel röle olarak önerildi. Çalışma prensibi Şekil 7'de gösterilmiştir - McCroll'a göre taraflı diferansiyel röle.
Elektromekanik ve statik röleler bu yöntemi bir doğrultucu köprü karşılaştırıcısı kullanarak uygulamıştır. Ölçüm yolu, yüksek hassasiyete sahip polarize hareketli bobin rölesi ve daha sonra bir elektronik tetikleme devresi ile gerçekleştirilmiştir. Eğilimli (stabilizasyon), bir geçiş akımı durumunda CT akımlarının "toplamına" karşılık gelen IBias = k1 × (I1 - I2) sinyali tarafından sağlandı.
Bu bağlamda, akımlar için seçilen işaret kurallarına uyulmalıdır;korunan nesneye aktıklarında akımları pozitif olarak belirler. Çalışma, IOp = k2 × (I1 + I2) CT akımlarının "farkından" etkilenir.
Toplama kriteri: IOp > IBias
yani.k2 × |I1 + I2|> k1 × |I1 – I2|
Başlatma rölesindeki bir sınırlama yayı aracılığıyla, minimum bir başlatma eşiği B de uygulanabilir.Önyargılı diferansiyel koruma için prensip denklemi böylece elde edilir:
|I1 + I2|> k1 × |I1 – I2|+ B, burada k = k1/k2
Daha sonra, ölçüm devresi daha da geliştirildi ve ek bir diyot direnci kombinasyonu ile desteklendi.Böylece, küçük akımlara sahip kısıtlama yavaş yavaş devreye girer ve Şekil 8'de noktalı özellik ile gösterildiği gibi yalnızca bir eşik değerinin (değişken kısıtlama) üzerinde güçlü bir şekilde artmaya başlar. Daha sonra sayısal koruma, birkaç bölümden oluşan bir özellik uygular.
Bu, hariç tutulması gereken yanlış akım ölçümü alanına daha iyi uyum sağlar.
Daha yeni koruma cihazlarında, B eşiği artık sınırlama tarafına eklenmez, ancak ayrı bir ayar değeri olarak sağlanır: IOp > B. Sonuç olarak, önyargılı karakteristik IOp > k×IRes artık başlangıç değeri B ile değiştirilmezbunun yerine koordinatların orijininden geçer.
Sonuç olarak, küçük akımlarla artan hassasiyet elde edilir.
Tarif edilen ölçüm prensibi, ikiden fazla terminale (üç sargı transformatörü veya bara koruması) sahip koruma nesnelerine de uygulanabilir. Böylece akım büyüklüklerinin toplamı (aritmetik toplam) kısıtlama1 için kullanılırken, akımların geometrik (vektörel) toplamının büyüklüğü işlem için kullanılır:
IRes = |I1| + |I2| + |I3| + … + |In|
IOp = |I1 + I2 + I3 + … + In|
Yukarıda belirtilen koşullar, başlatma kriteri olarak geçerlidir: IOp > k×IRes ve IOp > B
Önyargı karakteristiğinin 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 %10 IN olarak ayarlanabilirken, bara koruması için maksimum fider akımının %130'u tipiktir.
Bireysel koruma sistemleri ile ilgili bölümde buna uzun uzadıya değinilmektedir.Analog sinyal işlemeye dayalı ilgili devre aşağıdaki Şekil 9'da gösterilmektedir. Büyüklük hesaplaması düzeltme ile elde edilir.
Harici bir hata durumunda çalışma akımı IOp sıfır olmalıdır, yani akım vektörlerinin toplamı sıfır olmalıdır.Kısıtlama akımı, akım büyüklüklerinin toplamına karşılık gelir.
burada,
IOp = |I1 + I2 + I3 + … + In| = |ΣI|
IRes = |I1 + I2 + I3 + … + In| = |ΣI|
Dahili bir arıza durumunda çalışma akımı, toplam akım vektörlerinin sonucudur. En basit haliyle, beslemeler ve dolayısıyla ilgili arıza akımlarının tümü yaklaşık olarak aynı fazda olduğunda, vektör ve büyüklük toplamları eşittir, yani IOp = IRes.
Normal koşullar altında (düşük direnç hatası ve faz eşdeğeri beslemeler) aşağıdakiler not edilebilir:
Nispeten büyük arıza direncine sahip dahili arızalarda, arıza sırasında yük akımının bir kısmının hala korunan nesneden 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
Bununla birlikte, geniş iletim sistemlerinde veya güç dalgalanmalarının veya hatta adım dışı koşulların ortaya çıkması durumunda, arıza konumuna 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'e göre koşullar ortaya çıkacaktır. Basitlik adına, iki akımın eşit büyüklüğe sahip olduğu varsayılırsa, o zaman aşağıdakiler geçerlidir::
IRes = 2 × |IF| ve IOp = 2 × cos (δ/2)
δ = 30° olduğunda, alt oran IOp/IRes = 0,87 olur.
The observed effects may of course also be compounded. The bias (stabilization) factor k should therefore not be set above 0.8. On the contrary, the current transformers should be chosen such that a setting above 0.7 is not necessary.
2.2| Önemli Notlar
Not #1
Koruma literatüründe ve röle kılavuzlarında, sıklıkla akan akım referans olarak alınır ve pozitif sayılır.Bu durumda çalışma akımı şuna karşılık gelir: IOp = |I1 − I2|(diferansiyel akım) ve tutucu akım IRes = |I1 + I2| geleneksel röleler veya IR'ler ile = |I1 + I2| sayısal röleler ile. Ancak iki uçlu nesnelerin korunmasına uyan bu kural, bara koruması gibi çoklu uç koruma nesnelerinde pratik değildir.
Bu nedenle, korunan nesneye akan akımların pozitif olarak kabul edildiği işaret kuralı, bu makalede aynı şekilde uygulanır (Siemens röle kurallarına da karşılık gelir).
Not #2
Bu makalede, kısıtlama miktarı mevcut büyüklüklerin toplamına karşılık gelir IRes = (|I1 + I2|). Dahili arızalar için IOp/IRes konumu, bu durumda çalışma/kısıtlama diyagramında 45° eğimli (%100 eğim) düz bir çizgidir (bkz. Şekil 8). Bu aynı zamanda tüm Siemens röleleri için de geçerlidir.
Bazı röle üreticileri, kısıtlama miktarı olarak akım toplamının yalnızca yarısını kullanır: IRes = (|I1 + I2|)/2, çoklu terminal korumada bile, örneğin; IRes = (|I1|+ |I2|+ |I3| … + |In|)/2.
Bu durumda, dahili arıza yeri %200 eğime sahiptir! Bu, farklı marka röleleri karşılaştırmak ve öngerilim faktörünü (eğim yüzdesi) ayarlamak için akılda tutulmalıdır.
3| İki pilot tel damarlı Diferansiyel Koruma
Pilot tel diferansiyel koruması (bükümlü çift pilot teller), bükümlü pilot tel çiftlerine (telefon kabloları) sahip iletişim kabloları ile uygulama için geliştirilmiştir.Öncelikle, bükümlü çiftlerin genellikle telefon şirketlerinden kiralandığı Kıta Avrupası dışında kullanılır.
Esasen iki varyant mümkündür:
Zıt voltaj prensibi (açma pilot şeması)
Dolaşan akım prensibi (engelleme pilot şeması)
Her iki varyant da geliştirildi ve pratikte uygulandı.Siemens tarafından üretilen röleler, ters gerilim prensibi ile çalışır.
3.1| Voltaj karşılaştırması (karşıt voltaj prensibi)
Bu teknikle, her bir hat terminalindeki akım bir şönt direnci (RQ) üzerinden yönlendirilir ve böylece her biri karşılık gelen akımla orantılı U1 ve U2 voltajları üretilir (Şekil 12). 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 akım akmayacak şekilde seçilir.Bununla birlikte, dahili arızalar sırasında, iki voltaj aynı fazdadır ve pilot tel döngüsünden bir akım geçirir.
Akım trafolarının nominal akımı olarak anılan yalnızca birkaç mA olan bu akım, hassas akım rölesi (ΔI) üzerinden açma ile sonuçlanır.
Pilot çekirdeklerdeki gerilim, CT'ler üzerinden nominal akım aktığında yalnızca birkaç volttur, ancak büyük arıza akımları durumunda yükselir.Bununla birlikte, pilot damarlardaki maksimum çapraz gerilim, telefon kablosunun anma yalıtım geriliminin (500 V) %60'ından, başka bir deyişle 300 V'tan büyük olamaz.
Ağır dahili arıza akımları durumunda voltajı sınırlamak için bir varistör sağlanmıştır.
Harici arızalar sırasında gerilim sınırlama eşiğine ulaşılmamalıdır.Bu cihazların getirdiği küçük yük, yaklaşık 25 km'ye kadar olan mesafelerin köprülenmesine izin verir. Pilot tel damarlarının izolasyonu ve perdelenmesi ile ilgili olarak, "Akım diferansiyel koruması" birinci bölümünde üç damarlı pilot tel ile ilgili olarak verilen ifadeler burada da geçerlidir.
Ayrıca, topraktaki arıza akımı tarafından indüklenen ve ölçümü etkileyen enine voltajın minimuma indirilmesi için pilot tel damarları düzgün bir şekilde bükülmelidir.
Uygulamada uygulanan ölçüm devresi, önyargılı diferansiyel koruma prensibi ile çalışır.Çalışma akımı 1 böylece pilot tel akımı ile orantılıdır.Yönlendirme akımı, pilot tel akımından ek bir bileşenle birlikte şönt dalındaki akımdan elde edilir (Şekil 13).
IOp ve IRes elde etmek için pilot tel ve şönt akımları, belirtilen ağırlıklandırma faktörleriyle rölede toplanır.Analog cihazlarda bu, karşılık gelen kademelere sahip dahili araya giren transformatörler tarafından yapılır.Şekil 13'e bakınız.
RQ = k × RS / (1 – 2 × k)
Siemens tarafından üretilen analog röleler her zaman sabit bir k = 1/8 değeri uygular, başka bir deyişle, hizalama amacıyla RQ = 1/6 × RS ayarı uygulanır.
Sayısal koruma ile hizalama (RQ ayarı) gerekli değildir.Akım dağılımı her zaman, her uygulama için rölede ayarlanması gereken pilot tel döngü direnci RS değerinden ve sabit RQ değerinden hesaplanır.
3.2| Dolaşım akımı ilkesi
Devre, voltaj karşılaştırması için uygulanana benzer.Bununla birlikte, operasyon ve kısıtlama değiştirilir.Pilot tel döngüsündeki yardımcı trafo artık akım IRes = (|I1 − I2|) sağlar ve şönt dalındaki yardımcı trafo IOp = (|I1 + I2|) sağlar.CT'ler, 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, CT'lerin sekonder gerilimleri, akım besleyiciden geçtiğinde aynı fazdadır.Böylece bir sirkülasyon akımı pilot tel döngüsü boyunca 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
Karşılıklı voltaj prensibi ile pilot kablolar normal çalışma sırasında akım taşımazlar. Bununla birlikte, dahili bir arıza durumunda, akımın açmaya neden olması için pilot tel döngüsünden akması gerekir. Dolayısıyla bu çalışma modu, serbest bırakma prensibini (açma pilot şeması) kullanır. Pilot teller kesilirse, açma mümkün değildir.
Bir pilot tel kısa devresi durumunda, harici arızalar sırasında açma meydana gelebilir.Bu nedenle, pilot tel kısa devreleri meydana geldiğinde yük sırasında yanlış açmayı önlemek için ayrı bir aşırı akım koşulu uygulanmalıdır.Dolaşım akımı prensibiyle, tutma akımı pilot tel döngüsü boyunca akar ve yük ve harici arızalar sırasında rölenin açılmasını önler.
Dahili bir arıza sırasında, tutucu pilot akımı azaltılır ve açmaya izin verir.Bu çalışma modu bu nedenle engelleme prensibine (bloklama pilot şeması) dayanmaktadır.Pilot tellerin bir kesintisi, burada büyük akan akımlarla açma ile sonuçlanır.
Bu nedenle burada ek bir aşırı akım kriteri de uygulanmalıdır.Pilot tellerin kısa devresi, aşırı kısıtlama ve blokajla sonuçlanır.