No artigo você aprenderá sobre o que é proteção diferencial, como funciona, quais qualidades positivas ela possui. Também falará sobre quais são as deficiências da proteção diferencial das linhas de energia. Você também aprenderá esquemas práticos para proteger dispositivos e linhas de energia.
A proteção diferencial é atualmente considerada a mais comum e mais rápida. É capaz de proteger o sistema contra curtos-circuitos fase-fase. E naqueles sistemas que usam um neutro solidamente aterrado, pode facilmente prevenir a ocorrência de curtos-circuitos monofásicos. O tipo de proteção diferencial é usado para proteger linhas de energia, motores de alta potência, transformadores, geradores.
Existem dois tipos de proteção diferencial no total:
- Com as tensões se equilibrando.
- Com corrente circulante.
Este artigo iráambos os tipos de proteção diferencial são considerados para aprender o máximo possível sobre eles.
Proteção diferencial por correntes circulantes
O princípio é que as correntes são comparadas. E para ser mais preciso, há uma comparação de parâmetros no início do elemento, cuja proteção é realizada, bem como no final. Este esquema é utilizado na execução do tipo longitudinal e transversal. Os primeiros são usados para garantir a segurança de uma única linha de energia, motores elétricos, transformadores, geradores. A proteção de linha diferencial longitudinal é muito comum na indústria de energia moderna. O segundo tipo de proteção diferencial é usado ao usar linhas de energia operando em paralelo.
Proteção diferencial longitudinal de linhas e dispositivos
Para implementar a proteção do tipo longitudinal, é necessário instalar os mesmos transformadores de corrente em ambas as extremidades. Seus enrolamentos secundários devem ser conectados uns aos outros em série com a ajuda de fios elétricos adicionais que precisam ser conectados a relés de corrente. Além disso, esses relés de corrente devem ser conectados aos enrolamentos secundários em paralelo. Em condições normais, bem como na presença de um curto-circuito externo, a mesma corrente fluirá em ambos os enrolamentos primários dos transformadores, que serão iguais tanto em fase quanto em magnitude. Um valor ligeiramente menor fluirá através do enrolamento de corrente eletromagnética do relé. Você pode calculá-lo usando uma fórmula simples:
Ir=I1-I2.
Assuma que as dependências de corrente dos transformadores serão totalmente compatíveis. Portanto, a mencionada diferença nos valores atuais é próxima ou igual a zero. Em outras palavras, Ir=0 e a proteção não está funcionando neste momento. A fiação auxiliar que conecta os enrolamentos secundários dos transformadores circula a corrente.
Esquema de proteção diferencial do tipo longitudinal
Este circuito de proteção diferencial permite obter valores iguais de correntes que circulam pelo circuito secundário dos transformadores. Com base nisso, podemos concluir que esse esquema de proteção recebeu esse nome devido ao princípio de funcionamento. Neste caso, a área que está localizada diretamente entre os transformadores de corrente cai na zona de proteção. Em caso de curto-circuito, na zona de proteção, quando alimentado por um lado do transformador, a corrente I1 flui pelo enrolamento do relé eletromagnético. Ele é enviado para o circuito secundário do transformador, que está instalado do outro lado da linha. É necessário prestar atenção ao fato de que há uma resistência muito alta no enrolamento secundário. Portanto, quase nenhuma corrente flui através dele. De acordo com este princípio, a proteção diferencial de pneus, geradores, transformadores funciona. Caso I1 seja igual ou maior que Ir, a proteção passa a atuar, abrindo o grupo de contatos das chaves.
Curto-circuito e proteção de circuito
Em caso de curto-circuito dentro da área protegida, amboslados, uma corrente flui através do relé eletromagnético, igual à soma das correntes de cada enrolamento. Neste caso, a proteção também é ativada abrindo os contatos das chaves. Todos os exemplos acima assumem que todos os parâmetros técnicos dos transformadores são exatamente os mesmos. Portanto, Ir=0. Mas estas são condições ideais, na realidade, devido a pequenas diferenças no desempenho dos sistemas magnéticos de correntes primárias, os aparelhos elétricos diferem significativamente uns dos outros, mesmo do mesmo tipo. Se houver diferenças nas características dos transformadores de corrente (quando a proteção de fase diferencial da estrutura é implementada), as correntes dos circuitos secundários serão diferentes, mesmo que as primárias sejam absolutamente as mesmas. Agora precisamos considerar como o circuito de proteção diferencial funciona no caso de um curto-circuito externo na linha de energia.
Curto circuito externo
Na presença de um curto-circuito externo, uma corrente de desequilíbrio fluirá através do relé eletromagnético de proteção diferencial. Seu valor depende diretamente de qual corrente passa pelo circuito primário do transformador. No modo de carga normal, seu valor é pequeno, mas na presença de um curto-circuito externo, começa a aumentar. Seu valor também depende do tempo após o início da falha. Além disso, deve atingir seu valor máximo nos primeiros períodos após o início do fechamento. Foi neste momento que todo o curto-circuito I flui através dos circuitos primários dos transformadores.
Também vale a pena notar que a princípio o curto-circuito consiste em dois tipos de corrente - direta e alternada. Também são chamadoscomponentes aperiódicos e periódicos. O dispositivo de proteção diferencial é tal que a presença de um componente aperiódico na corrente deve sempre causar saturação excessiva do sistema magnético do transformador. Consequentemente, a diferença de potencial de desequilíbrio aumenta acentuadamente. Quando a corrente de curto-circuito começa a diminuir, o valor de desequilíbrio do sistema também diminui. De acordo com este princípio, a proteção diferencial do transformador é realizada.
Sensibilidade das estruturas de proteção
Todos os tipos de proteção diferencial são de ação rápida. E eles não funcionam na presença de curtos-circuitos externos, por isso é necessário escolher relés eletromagnéticos, levando em consideração a corrente de desequilíbrio máxima possível no sistema na presença de um curto-circuito externo. Vale a pena atentar para o fato de que esse tipo de proteção possui uma sensibilidade extremamente baixa. Para aumentá-lo, você deve atender a muitas condições. Em primeiro lugar, é necessário utilizar transformadores de corrente que não saturem os circuitos magnéticos no momento em que a corrente flui através do circuito primário (independentemente do seu valor). Em segundo lugar, é desejável usar aparelhos elétricos do tipo de saturação rápida. Eles devem ser conectados aos enrolamentos secundários dos elementos a serem protegidos. Um relé eletromagnético é conectado a um transformador de saturação rápida (a proteção diferencial de corrente torna-se o mais confiável possível) em paralelo com seu enrolamento secundário. É assim que funciona a proteção diferencial do gerador ou transformador.
Aumentar a sensibilidade
Assuma que ocorreu um curto-circuito externo. Nesse caso, uma certa corrente flui pelos circuitos primários dos transformadores de proteção, consistindo em componentes aperiódicos e periódicos. Os mesmos "componentes" estão presentes na corrente de desequilíbrio que flui através do enrolamento primário de um transformador de saturação rápida. Neste caso, o componente aperiódico da corrente satura significativamente o núcleo. Portanto, a transformação da corrente no circuito secundário não ocorre. Com a atenuação do componente aperiódico, ocorre uma diminuição significativa na saturação do circuito magnético e, gradualmente, um certo valor de corrente começa a aparecer no circuito secundário. Mas o nível máximo de corrente de desequilíbrio será muito menor do que na ausência de um transformador de saturação rápida. Portanto, você pode aumentar a sensibilidade ajustando o valor da corrente de proteção menor ou igual ao valor máximo da diferença de potencial de desequilíbrio.
Qualidades positivas da proteção diferencial
Durante os primeiros períodos, o circuito magnético está saturado muito fortemente, a transformação praticamente não ocorre. Mas depois que o componente aperiódico decai, a parte periódica começa a se transformar no circuito secundário. Vale a pena prestar atenção ao fato de que é muito importante. Portanto, o relé eletromagnético opera e desliga o circuito protegido. Um nível de transformação muito baixo para os primeiros períodos de aproximadamente um tempo e meio retarda a ação do circuito de proteção. Mas isso não desempenha um grande papel na construção de circuitos práticos de proteção de circuitos.
A proteção diferencial do transformador não funciona nos casos em que há danos no circuito elétrico fora da zona de proteção. Portanto, atraso de tempo e seletividade não são necessários. O tempo de resposta da proteção varia de 0,05 a 0,1 segundos. Esta é uma grande vantagem deste tipo de proteção diferencial. Mas há outra vantagem - um grau muito alto de sensibilidade, especialmente ao usar um transformador de saturação rápida. Entre as menores vantagens, vale destacar a simplicidade e a altíssima confiabilidade.
Propriedades negativas
Mas tanto a proteção diferencial longitudinal quanto a transversal têm desvantagens. Por exemplo, não é capaz de proteger o circuito elétrico quando exposto a curtos-circuitos externos. Além disso, não é capaz de abrir o circuito elétrico quando submetido a uma forte sobrecarga.
Infelizmente, a proteção pode funcionar se o circuito auxiliar estiver danificado, ao qual o enrolamento secundário está conectado. Mas todas as vantagens da proteção diferencial com corrente circulante interrompem essas pequenas desvantagens. Mas eles são capazes de proteger linhas de energia de comprimento muito curto, não mais que um quilômetro.
Eles são muito usados na implementação da proteção de fios, com a ajuda de que vários dispositivos necessários para a operação de usinas e geradores são alimentados. No caso de o comprimento da linha de energia ser muito grande, por exemplo, várias dezenas de quilômetros, a proteção de acordo comeste circuito é muito difícil de executar, pois é necessário usar fios com seção transversal muito grande para conectar os relés eletromagnéticos e o enrolamento secundário dos transformadores.
Se você usar fios padrão, a carga nos transformadores de corrente será muito grande, assim como a corrente desbalanceada. Mas quanto à sensibilidade, acaba sendo extremamente baixa.
Projetos de relés de proteção e escopo de circuitos
Em linhas de energia muito longas, é usado um circuito no qual há um relé de proteção de design especial. Com ele, você pode fornecer um nível normal de sensibilidade e usar fios de conexão padrão. A proteção diferencial transversal funciona comparando a corrente em duas linhas em fases e magnitudes.
A proteção diferencial de alta velocidade é usada em linhas de energia nas quais a tensão flui na faixa de 3-35 mil volts. Isso fornece proteção confiável contra curto-circuito fase-fase. A proteção diferencial é realizada como bifásica devido ao fato de que a rede elétrica com as tensões de operação acima não é aterrada por neutros. Caso contrário, o neutro é conectado ao terra por meio de uma calha de arco.
Fios auxiliares no projeto de circuitos de proteção
Os transformadores de corrente estão relativamente próximos uns dos outros. Portanto, os fios auxiliares são bastante curtos. Ao usar fios de pequeno diâmetro emtransformadores serão expostos a uma carga relativamente baixa. Quanto à corrente de desequilíbrio, ela também é pequena. Mas o grau de sensibilidade é muito alto. No caso de desconexão de qualquer linha, a proteção diferencial passa a ser corrente, não há temporização e seletividade. Para evitar alarmes falsos, os contatos auxiliares de linha desconectam o circuito.
Proteção diferencial do circuito transversal
A proteção transversal é amplamente utilizada no desenvolvimento de sistemas de linha operando em paralelo. Os interruptores são instalados em ambos os lados da linha. A conclusão é que essas linhas são muito difíceis de proteger com circuitos simples. A razão é que é impossível atingir um nível normal de seletividade. Para melhorar a seletividade, o atraso de tempo deve ser cuidadosamente selecionado. Mas no caso de usar uma proteção diferencial direcionada transversalmente, o atraso de tempo não é necessário, a seletividade é bastante alta. Ela tem órgãos principais:
- Direção de potência. Relés de direção de potência de dupla ação são frequentemente usados. Às vezes, é usado um par de relés de proteção diferencial de ação simples que operam com diferentes direções de potência.
- Arranque - como regra, relés de alta velocidade com a máxima corrente possível são usados em sua função.
O projeto do sistema é tal que transformadores de corrente com enrolamentos secundários conectados em um circuito de corrente circulante sejam instalados nas linhas. Mas todos os enrolamentos de corrente são ligados em série, apóso que eles estão conectados com a ajuda de fios adicionais aos transformadores de corrente. Para que a proteção diferencial de fase funcione, a tensão é fornecida ao relé usando os barramentos das instalações. É neles que todo o kit é instalado. Se você observar o circuito para ligar os circuitos secundários de transformadores e um relé de proteção, podemos concluir por que ele é chamado de “oito direcionado”. Todo o sistema é feito em dois conjuntos. Existe um conjunto em cada extremidade da linha, que fornece proteção diferencial de corrente para a linha de energia.
Circuito de relé monofásico
A tensão do relé de proteção é fornecida em fase reversa ao necessário para desconectar uma linha com dano. Em operação normal (inclusive na presença de um curto-circuito externo), somente a corrente desbalanceada flui pelos enrolamentos do relé. Para evitar falsos disparos, é necessário que os relés de partida tenham uma corrente de disparo maior que a corrente de desequilíbrio. Considere o trabalho de proteger duas linhas.
No início do curto-circuito, alguma corrente flui na zona de proteção da segunda linha. Vale a pena prestar atenção ao fato de que:
- Iniciar relé ativado.
- Do lado de uma subestação, o relé de direção de potência abre os contatos do disjuntor.
- Do lado da segunda subestação, a linha também é desconectada por meio de interruptores.
- No relé de direção de potência o torque é negativo, portanto os contatos estão abertos.
Nos enrolamentos do relé de proteção de primeira linhaa direção do movimento atual muda (em relação à primeira linha) durante um curto-circuito. O relé de direção de potência mantém o grupo de contatos no estado aberto. Os disjuntores do lado de ambas as subestações abrem.
Somente essa proteção diferencial de linha pode funcionar corretamente somente quando ambas as linhas estão funcionando em paralelo. No caso de um deles ser desligado, o princípio de operação da proteção diferencial é violado. Consequentemente, uma proteção adicional leva ao desligamento não seletivo da segunda linha durante curtos-circuitos externos. Neste caso, torna-se uma corrente direcional comum e não possui retardo de tempo. Para evitar isso, a proteção direcional cruzada é desabilitada automaticamente durante a desconexão de uma linha, interrompendo o circuito com o contato auxiliar.
Tipos de proteção adicionais
As correntes de disparo dos relés de partida devem ser maiores que as correntes de desequilíbrio durante um curto-circuito externo. Para evitar falsos positivos quando uma das linhas é desconectada e a corrente máxima de carga passa pela restante, é necessário que seja maior que a diferença de potencial de desequilíbrio. Se houver um tipo transversal de proteção diferencial na linha, graus adicionais devem ser fornecidos.
Permitirão proteger uma linha quando a paralela for desligada. Normalmente eles são usados para proteção de sobrecorrente durante um curto-circuito externo (neste caso a proteção diferencial não reage). Além disso, proteção adicionalé um backup para o diferencial (se o último falhou).
Proteção de corrente direcional e não direcional, cortes, etc. A proteção diferencial direcional é simples em design, muito confiável e tem sido amplamente utilizada em redes de energia com tensões de 35 mil volts ou mais. É assim que funciona a proteção diferencial, seu princípio de funcionamento é bastante simples, mas ainda é preciso conhecer pelo menos o básico da engenharia elétrica para entender todos os meandros.
