Диференціальний захист лінії (ANSI 87L) — порівняння струму через канал зв'язку

Гід про дистанційний захист (21) та гід про телезахист (85) розглядають, як дистанційне реле розпізнає пошкодження за оціненим імпедансом, за потреби пришвидшуючись через дозвільну чи блокувальну схему між обома кінцями лінії. ANSI 87L (диференціальний захист лінії) працює за принципово іншим принципом: замість оцінки імпедансу реле безпосередньо порівнює струм, що входить і виходить на обох кінцях захищеного лінійного чи кабельного з'єднання — той самий базовий принцип, що й у диференціального захисту трансформатора (87T) та диференціального захисту шин (87B), але тепер застосований до з'єднання, яке може сягати кількох кілометрів.

Основний принцип: що зайшло, має вийти

Для справної лінії діє закон Кірхгофа: сума струмів, що входять у лінію на одному кінці, дорівнює (окрім зарядного струму, див. нижче) сумі струмів, що виходять на іншому кінці. При внутрішньому пошкодженні — короткому замиканні десь між двома точками вимірювання — частина струму залишає лінію через саме місце пошкодження, створюючи вимірювану різницю між двома кінцями. Оскільки ця різниця за визначенням виникає лише при внутрішньому пошкодженні, 87L за своєю природою селективний для власної зони захисту, і — на відміну від дистанційного захисту — реле не потрібно налаштовувати за часовими ступенями: реле 87L може вимикати миттєво по всій довжині лінії.

Чому потрібно компенсувати затримку каналу

При диференціальному захисті трансформатора чи шин усі точки вимірювання струму фізично розташовані близько одна до одної, зазвичай в одній і тій самій розподільній установці, тому одне реле може відбирати всі зразки струму в один і той самий момент. У лінії обидві точки вимірювання рознесені на кілометри, і зразки струму з обох кінців мають порівнюватися через канал зв'язку — канал, який сам має час поширення (для оптоволокна орієнтовно 5 мкс на кілометр). Без корекції цей час поширення спричиняв би позірну різницю між обома кінцями, навіть за повністю справної лінії. Сучасні реле 87L компенсують це одним з двох методів:

• Компенсація на основі каналу ("пінг-понг"): реле на обох кінцях безперервно вимірюють час поширення самого каналу зв'язку, надсилаючи мітки часу туди й назад, і коригують отримані зразки струму на виміряну затримку.
• Синхронізація часу за GPS: обидва реле позначають власні зразки струму еталоном часу GPS, завдяки чому порівняння не залежить від точної затримки каналу — за умови, що обидва приймачі GPS залишаються коректно синхронізованими.

Зарядний струм: завадний фактор при довгих кабелях

Довге кабельне чи повітряне лінійне з'єднання має значну власну ємність між фазними провідниками та землею, яка за нормальної експлуатації споживає безперервний зарядний струм — струм, який дійсно входить на одному кінці, але ніколи не виходить на іншому, оскільки він "витрачається" всередині самої лінії через ємність. При довгому, сильно навантаженому кабелі цей зарядний струм може спричинити позірний диференціальний сигнал, який без компенсації може призвести до неправильного вимкнення. Сучасні реле 87L явно віднімають цей зарядний струм на основі відомої ємності з'єднання, що особливо актуально для довгих високовольтних кабельних з'єднань, де зарядний струм може становити суттєву частку номінального струму.

Порівняння з дистанційним захистом (21) і телезахистом (85)

Чому відмова каналу вимагає резервного захисту

Оскільки 87L для своєї основної функції повністю залежить від працюючого каналу зв'язку, втрата цього каналу означає втрату самої основної функції захисту — а не лише затримку, як за схеми телезахисту, накладеної поверх уже самостійно функціонуючого дистанційного захисту. Тому застосування 87L майже завжди поєднується з незалежним резервним захистом (зазвичай дистанційним захистом або ступеневим струмовим захистом), який автоматично активується, щойно реле виявляє несправність каналу.

Примітка: цей гід розглядає принцип. Точні вимоги до каналу (пропускна здатність, максимально допустима асиметрична затримка між обома напрямками), налаштування компенсації зарядного струму та точна стратегія резервного захисту визначаються системним дослідженням і специфікацією виробника обраного реле.

Практична значущість

При оцінюванні філософії захисту критичного кабельного чи лінійного з'єднання — наприклад, довгого високовольтного кабельного з'єднання між двома розподільними установками, або короткої лінії, для якої важко селективно налаштувати дистанційний захист — важливо перевірити, чи справді контролюється канал зв'язку, чи правильно налаштована компенсація зарядного струму для фактичної довжини кабелю та чи резервний захист автоматично перебирає функцію при відмові каналу.

Часті помилки

1. Відсутність контрольованого резервного захисту при відмові каналу — 87L для своєї основної функції повністю залежить від каналу зв'язку; без резерву основний захист повністю зникає, щойно канал виходить з ладу.
2. Недооцінка компенсації зарядного струму для довгих кабельних з'єднань — при менш навантаженому, довгому кабелі зарядний струм може становити непропорційно велику частку виміряного струму.
3. Розгляд 87L як повної заміни дистанційного захисту замість додаткового, швидшого основного захисту — ці дві функції взаємодоповнювальні, а не взаємозамінні.
4. Некоректна компенсація затримки каналу під час введення в експлуатацію — некомпенсована чи асиметрична затримка каналу може спричинити позірний диференціальний сигнал, що веде до неправильного вимкнення.

Пов'язані матеріали

• Дистанційний захист (21) — імпедансний захист і зони
• Телезахист (85) — дозвільні/блокувальні схеми
• Диференціальний захист трансформатора (87T)
• Диференціальний захист шин (87B)