Дифференциальная защита реагирует на разность токов проходящих по защищаемому участку, т. е. срабатывает только при коротких замыканиях в пределах защищаемого участка, что позволяет при соблюдении требования селективности обеспечить быстрое, без выдержки времени ее действие. Дифференциальная защита широко применяется для защиты линий, трансформаторов, генераторов, мощных электродвигателей и шин распределительных устройств. Рассмотрим принцип действия и устройство дифференциальных защит линий и трансформаторов.
При поперечной дифференциальной защите параллельных линий W1 и W2 реле К А подключается к трансформаторам тока ТА1 и ТА2У соединенным по схеме на разность токов. Как при нормальном режиме, так и при сквозном коротком замыкании в точке 3 (за пределами защищаемых линий) токи, проходящие по линиям W1 и W2, будут равны и совпадать по фазе. Разность токов /t — /2 в идеальном случае должна быть равна нулю. Однако из-за некоторых отличий характеристик трансформаторов тока и параметров линий по реле будет проходить ток небаланса /нб = 1{ - /2, значительно меньший тока нагрузки. Так как ток срабатывания защиты выбирают больше максимального возможного тока небаланса, при сквозном коротком замыкании в точке 3 защита не сработает.
При коротком замыкании на защищаемом участке в точке 1 ток, проходящий по начальному участку линии Wl> будет больше тока, проходящего к той же точке 1 через линию W2. Ток в реле /р = /1 — h при этом будет достаточен для действия реле КА, которое сработает и отключит выключатель Q. Если каждая линия будет иметь выключатели с двух сторон, следует применять направленную дифференциальную защиту с реле направления мощности, обеспечивающую отключение поврежденной линии.
Чем ближе место короткого замыкания к концу линии, тем меньше разность токов, проходящих по реле К А, и при коротком замыкании в конце защищаемого участка (точка 2) ток в реле КА окажется меньше тока его срабатывания. Защита не придет в действие и не отключит выключатель Q. Часть защищаемого участка, где дифференциальная защита не действует, называется мертвой зоной. При коротком замыкании в мертвой зоне должна действовать другая, резервная защита, например защита максимального тока с соответствующей выдержкой времени.
При продольной дифференциальной защите линии W1 реле КА подключается к обмоткам соединенных последовательно трансформаторов тока ТА1 и ТА2. В нормальном режиме и при сквозных коротких замыканиях (например, в точке 2 линии W2) по вторичным обмоткам трансформаторов тока ТА1 и ТА2 и соединяющим их проводам проходит ток /| = /2, а по реле К А — ток небаланса /||б = == /1 — /2, значительно меньший тока срабатывания реле, поэтому защита не приходит в действие.
При коротком замыкании на защищаемой линии W1 (точка/) в случае одностороннего питания со стороны подстанции А ток в реле КА будет проходить от трансформатора тока ТА2У а при двустороннем питании со стороны подстанций А и Б одинаковые по значению, но противоположные по фазе токи и /2. Поэтому геометрическая разность этих токов будет в два раза больше каждого из них. В обоих случаях ток, проходящий по реле, превысит ток срабатывания, защита придет в действие и отключит выключатели Q1 и Q2.
Дифференциальная защита трансформаторов аналогична продольной дифференциальной защите линий. Цепи постоянного и переменного тока дифференциальной защиты двух обмоточного трансформатора показаны на рис. 41, я, б. Первичная обмотка трансформатора Т соединена в звезду, а вторичная — в треугольник, что для стандартной 11-й группы соединений определяет сдвиг по фазе между напряжениями, а следовательно, и между токами этих обмоток на 330°. Для компенсации этого сдвига по фазе в цепях дифференциальной защиты вторичные обмотки трансформаторов тока ТА1 соединены в треугольник. Автотрансформатор TL необходим для уравнивания токов в цепях дифференциальной защиты, поскольку подобрать трансформаторы ТА1 и ТА2 так, чтобы обеспечить равенство их вторичных токов при нормальной работе трансформатора Г, невозможно.
При нормальном режиме и сквозном коротком замыкании токи в реле К А1 —К A3 невелики и недостаточны для срабатывания защиты, но при коротком замыкании на защищаемом участке между трансформаторами тока ТА1 и ТА2 токи в реле КА1 — КАЗ будут значительно больше, защита сработает и отключит выключатели Q1 и Q2.
Чтобы отстроить защиту от бросков намагничивающего тока при включении трансформатора Г, в первый момент значительно превышающего номинальный ток, приходится увеличивать время действия защиты, что нежелательно, или уставку тока срабатывания реле К А1 — КАЗ до значения большего броска намагничивающего тока. В этом случае защита действует мгновенно, но чувствительность ее невелика.
Для повышения чувствительности защиты трансформатора, не увеличивая времени ее действия, применяют реле тока с насыщающимися трансформаторами, через которые они подключаются к трансформаторам тока ТА1 и ТА2 дифференциальной защиты. Намагничивающий ток трансформатора Т имеет постоянную составляющую, ток которой вызывает насыщение магнитопровода насыщающегося трансформатора, в результате чего ЭДС в его вторичной обмотке незначительна и ток в реле, подключенном к этой обмотке, недостаточен для его срабатывания. При коротком замыкании постоянная составляющая тока отсутствует, магнитопровод насыщающегося трансформатора ненасыщен, в его вторичной обмотке индуктируется значительная ЭДС, под действием которой по обмотке реле проходит ток, достаточный для его срабатывания.
В дифференциальных защитах трансформаторов используют реле РНТ560, состоящие из трех стержневого насыщающегося трансформатора и реле тока. Насыщающийся трансформатор имеет первичные обмотки, размещенные на среднем стержне, вторичную обмотку и>2, находящуюся на одном из боковых стержней, и короткозамкнутую wKi3, расположенную на среднем и другом боковом стержне. Ток /2, проходящий по обмотке реле тока КА, индуктируется магнитным потоком, создаваемым токами 1Х первичной и /кз короткозамкнутой обмоток.
Для защиты трансформаторов выпускаются реле РНТ565, РНТ566 и РНТ566/2 с реле тока типа РТ40, отличающиеся в основном числом первичных обмоток. Реле РНТ565 имеет четыре, РНТ566 — три, а реле РНТ566/2 — две первичные обмотки, выполненные с ответвлениями, позволяющими в широких пределах изменять ток срабатывания, а также выравнивать намагничивающие силы при разных значениях протекающих по этим обмоткам токов. В цепь короткозамкнутой обмотки включен резистор, изменяя сопротивление которого можно регулировать степень отстройки реле от токов небаланса при переходных режимах. При уменьшении сопротивления степень отстройки повышается.
Параллельно обмотке реле КА также включен резистор, изменяя сопротивление которого можно в некоторых пределах изменять ток срабатывания. Все элементы реле РНТ установлены на металлическом цоколе и закрыты съемным кожухом.