Аналоговая дифференциальная защита — это два сердечника, обмотка торможения и реле. Цифровая делает то же самое, но по-другому: считает токи в комплексной форме, выравнивает их по коэффициентам, сравнивает с характеристикой срабатывания и отсеивает то, что не является КЗ. Понимание этих шагов объясняет, почему терминал ведёт себя «странно» там, где по логике должен работать.
Принцип самой дифференциальной защиты разбирал в статье ДЗТ-11 — там про электромеханику. Здесь про то, что происходит внутри терминала.
Шаг 1: измерение и фильтрация
Терминал дискретизирует ток с частотой, кратной промышленной (обычно 16–80 точек на период), и восстанавливает из отсчётов вектор тока — амплитуду и фазу первой гармоники. Дальше всё считается над комплексными числами.
Из этой же выборки получают два побочных, но критичных сигнала:
- вторую гармонику — для отстройки от броска намагничивания;
- скорость изменения — для быстродействующих алгоритмов.
Ключевая особенность цифровой обработки: фильтр имеет конечное окно. Пока окно не заполнено (10–20 мс после изменения режима), измерение недостоверно. Поэтому алгоритмы либо ждут заполнения окна, либо работают по более короткому окну с повышенной погрешностью.
Насыщение ТТ искажает форму тока — и первая гармоника перестаёт отражать реальный ток. Циглер подробно разбирает это отдельным разделом: определять степень насыщения и обеспечивать достаточное торможение нужно так, чтобы защита оставалась устойчивой без требования идеальных ТТ.
Шаг 2: выравнивание токов плеч
Дифференциальная защита сравнивает токи, приведённые к одной стороне. В цифровом терминале это делается программно, и здесь три вещи, на которых чаще всего ошибаются при настройке.
Коэффициенты трансформации. Токи плеч приводятся к общему базису:
iвыр = Iизм / Iном.плечаIном.плеча — это не номинальный ток ТТ, а ток присоединения, приведённый к выбранному базису. Ошибка в этом параметре даёт постоянный небаланс и «съедает» чувствительность.
Схемы соединения и группы. При группе Δ/Y ток на стороне, соединённой в треугольник, сдвинут на 30° и в √3 раза больше фазного. Раньше это компенсировали соединением вторичных обмоток ТТ в треугольник. В цифровых терминалах ТТ всегда соединяют в звезду, а углы и масштаб компенсирует алгоритм по уставке «группа соединений трансформатора». Если уставка не соответствует реальной группе, токи не выравниваются — и защита либо работает неверно, либо блокируется по небалансу.
Компенсация РПН. При изменении положения регулятора коэффициент трансформации меняется, и ток плеча соответствующей стороны меняется вместе с ним. Терминал либо учитывает положение РПН по дискретным сигналам (до 33 положений, каждый — двоичный вход или аналоговый сигнал), либо работает без компенсации с запасом. Без учёта РПН небаланс на краях диапазона может достигать 10–16%.
Шаг 3: дифференциальный ток и торможение
Дифференциальный (рабочий) ток — это векторная сумма приведённых токов плеч:
Iд = | I1 + I2 + ... |Ток небаланса в нагрузочном режиме и при внешнем КЗ — это тот же Iд, и он тем больше, чем хуже выровнены плечи и чем хуже ТТ.
Тормозной ток формируется суммой модулей:
Iт = | I1 | + | I2 | + ...(у разных производителей — с коэффициентами и с учётом только тех плеч, где ток больше порога).
Дальше работает характеристика срабатывания: зависимость уставки Iд.ср от тормозного тока. Типовая форма — три участка:
1. Горизонтальный участок (малые токи). Уставка постоянна и определяется отстройкой от тока небаланса в нормальном режиме и от броска намагничивания. Это соответствует чувствительности к витковым замыканиям.
2. Наклонный участок. Уставка растёт пропорционально тормозному току с коэффициентом торможения (типично 0,3–0,6). Коэффициент подбирается так, чтобы характеристика шла выше тока небаланса при внешнем КЗ в любом режиме.
3. Отсечка (быстрый участок при больших токах). Верхняя горизонталь — дифференциальная отсечка, работающая без выдержки при больших токах внутри зоны.
Именно процентная характеристика (в англоязычной литературе — процентная дифференциальная защита) позволяет не завышать уставку: она адаптируется к сквозному току, вместо того чтобы держать постоянный, заведомо грубый порог. Исторически этот принцип известен с 1920-х (схема МакКролла), но по-настоящему эффективным стал только в цифровой реализации, где характеристику можно задать ломаной линией.
Шаг 4: отстройка от броска намагничивания
При включении трансформатора под напряжение возникает бросок намагничивающего тока — до 8–10 номиналов, с большим содержанием второй гармоники. Для дифференциальной защиты это выглядит как КЗ внутри зоны, и она бы сработала, если бы не отстройка.
Три способа отстройки, обычно работающие вместе:
Выдержка времени. Самое грубое, но надёжное: бросок затухает за 0,05–0,15 с, поэтому вводят задержку. Ухудшает быстродействие при реальном КЗ.
Блокировка по второй гармонике. Классика: если доля второй гармоники в дифференциальном токе превышает уставку (типично 15–20%), защита блокируется. В цифровых терминалах чаще не полная блокировка, а дополнительное торможение — доля второй гармоники увеличивает тормозной ток.
Отстройка по форме кривой. Бросок имеет характерные «провалы» и несимметрию; алгоритм распознаёт нехарактерную для КЗ форму. Применяется как дополнение, поскольку при КЗ с насыщением ТТ форма тоже искажается.
Что важно на наладке: проверяется не только срабатывание, но и несрабатывание при подаче тока с высоким содержанием второй гармоники. Именно этот тест отличает настроенную защиту от «включённой».
Шаг 5: чувствительность и «мёртвые» режимы
Цифровая защита чувствительнее аналоговой, но и у неё есть границы:
- Витковые замыкания малой доли витков дают дифференциальный ток меньше уставки срабатывания. Здесь помогает только уменьшение уставки, что ограничено небалансом.
- КЗ через большое переходное сопротивление даёт малый дифференциальный ток при большом тормозном (ток растекается по плечам) — защита может не сработать. Проверяют расчётом с реальным сопротивлением в месте КЗ.
- Отключение одного из плеч (например, при выводе стороны в ремонт) требует перевода защиты в другой режим или отключения — иначе сумма токов не равна нулю, и защита видит «КЗ» постоянно.
Что проверяют при наладке
1. Коэффициенты выравнивания — по каждому плечу, при номинальном токе
2. Группы соединений — по углам между токами плеч
3. Ток небаланса в нагрузочном режиме и при сквозном токе
4. Границы характеристики срабатывания — на нескольких точках по тормозному току
5. Несрабатывание при токе с высоким содержанием 2-й гармоники
6. Дифференциальную отсечку — по току и по отсутствию выдержки
7. Компенсацию РПН — при крайних положениях
8. Действие на отключение всех выключателей, входящих в зонуЧастые вопросы
«Почему защита срабатывает при включении трансформатора?» Не настроена отстройка от броска: либо уставка блокировки по второй гармонике занижена, либо выдержка отсутствует, либо сердечники ТТ имеют остаточное подмагничивание.
«Терминал показывает небаланс в нормальном режиме — что проверять?» В порядке вероятности: группа соединений, коэффициенты выравнивания, полярность ТТ одного из плеч, фактическое положение РПН.
«Можно ли обойтись без торможения?» Технически можно при идеальных ТТ, но тогда уставка вырастает настолько, что витковые замыкания защита не увидит. Торможение — не «улучшение», а условие работоспособности.
«Чем цифровая ДЗ отличается от аналоговой по надёжности?» Она имеет самодиагностику и отказывает «в сторону отключения» или блокировки, а не молча. Но она же зависит от корректности уставок выравнивания — параметра, которого в аналоговой защите просто не было.
Итог
Цифровая дифференциальная защита — это последовательность: измерение и фильтрация, приведение токов плеч к общему базису, вычисление рабочего и тормозного токов, сравнение с характеристикой, отсев бросков и помех. Восемь из десяти проблем при наладке относятся не к алгоритму, а к первым двум шагам: неправильной группе соединений и неверным коэффициентам выравнивания.
Дальше: выбор уставок для защиты трансформатора — в статье ДЗ трансформатора: выбор уставок, а особенности цифровой подстанции с шиной процесса — в разборе цифровая подстанция.