на чем основано действие токовой защиты предохранителей
2-1. Принцип действия предохранителей
С помощью плавких предохранителей защита электрических установок осуществляется наиболее просто и дешево. При их использовании не требуется устанавливать трансформаторы тока и напряжения, реле и автоматические выключатели, необходимые при осуществлении релейной защиты.
В сетях напряжением до 1 000 В плавкие предохранители являются основным видом защиты. Применяются плавкие предохранители и в сетях более высоких напряжений до 110 кВ, когда они удовлетворяют требуемым параметрам и условиям эксплуатации.
Принцип работы плавких предохранителей основан на тепловом действии электрического тока. Согласно закону Джоуля—Ленца прохождение тока по проводнику сопровождается выделением определенного количества тепла.
В нормальных условиях все тепло, выделяемое проводником, рассеивается в окружающей среде. При увеличении же тока количество выделяемого тепла увеличится, возникнет избыток тепла, который не будет успевать отводиться в окружающую среду, и температура проводника начнет повышаться. При значительном увеличении тока температура проводника может достичь температуры плавления металла, из которого он выполнен.
Таким образом, если в определенном месте сети сделать вставку из проводника меньшего сечения или другого материала, имеющего большее сопротивление, то при увеличении тока этот проводник, называемый плавкой вставкой, будет нагреваться сильнее, чем другие участки сети, и при достижении опасных величин тока расплавится (перегорит) и прервет цепь тока. Очевидно, чем больше сила тока, проходящего по плавкой вставке, тем быстрее она перегорит. На этом явлении и основано действие плавких предохранителей.
Плавкий предохранитель состоит из плавкой вставки, патрона или конструкции, в которой закрепляется плавкая вставка, и иногда устройства, облегчающего гашение дуги.
Предохранители и плавкие вставки характеризуются следующими данными:
Номинальным напряжением предохранителя называется указанное на нем напряжение, для длительной работы при котором он предназначен.
Номинальным током плавкой вставки IВС.НОМ называется указанный на ней ток, который вставка
выдерживает неограниченно долгое время.
Номинальным током предохранителя IП,НОМ называется указанный на нем ток, равный наибольшему номинальному току плавкой вставки, которая может быть установлена в данный предохранитель.
Минимальным испытательным током плавкой вставки Iисп.мин называется ток, при котором вставка перегорает за время более 1 ч.
Соответственно кратностью минимального испытательного тока называется отношение
Максимальным испытательным током плавкой вставки Iисп.макс называется ток, при котором вставка перегорает за время менее 1 ч.
Соответственно кратностью максимального испытательного тока называется отношение
Предельным отключаемым током или ; разрывной мощностью называется соответ-
ственно ток или мощность короткого замыкания, которые способен разорвать (отключить) предохранитель.
Защитной характеристикой плавкой вставки называется зависимость полного времени от момента возникновения тока до его отключения плавкой вставкой от величины тока, проходящего через вставку, или кратности этого тока к номинальному току вставки IВС.НОМ (рис. 2-1).
Токовая защита линий
Максимальная токовая защита линий
Максимальная токовая защита (МТЗ) линий широко распространена в радиальных сетях с одним источником питания и устанавливается на каждой линии.
Условия выбора таковы:
а) Ток срабатывания Iсз > Iр макс i,
б) время срабатывания tсз i = tсз (i-1) макс + Δt,
Выбор времени срабатывания максимальной токовой защиты с независимыми (а) и зависимыми (б) характеристиками показан на рис. 1 для радиальной сети.
Рис. 1. Выбор времени срабатывания максимальной токовой защиты с независимыми (а) и зависимыми (б) характеристиками.
Ток срабатывания максимальной токовой защиты выражается формулой:
Рис. 2. Структурная схема включения реле косвенного действия.
Для реле косвенного действия характерно включение собственно реле через трансформатор тока и схему с коэффициентами передачи Кт и Ксх, как показано на рис. 2. Поэтому ток в защищаемой линии Iсз связан с током срабатывания реле Iср формулой: IСР =KсхICЗ/Kт.
Коэффициент чувствительности защиты характеризуется отношением тока в реле при режиме КЗ с минимальным током (I рк.мин ) к току срабатывания реле (Iср): Kч = IРК.МИН / IСР > 1.
а) селективность МТЗ обеспечивается только в радиальной сети с одним источником питания,
б) защита не быстродействующая, причем наибольшая выдержка на головных участках, где быстрое отключение короткого замыкания особенно важно,
в) защита проста и надежна, реализуется на реле тока серии РТ-40 и реле времени, и реле РТ-80 соответственно для независимой и зависимой от тока характеристики срабатывания,
г) используется в радиальных сетях
Токовая отсечка линий
Токовая отсечка является быстродействующей защитой. Селективность обеспечивается выбором тока срабатывания, больше максимального тока короткого замыкания при коротком замыкании в точках сети незащищаемой зоны.
Поэтому токовая отсечка защищает часть линии, как показано на рис. 3 для случая трехфазного КЗ
Рис. 3. Защита части линии с помощью токовой отсечки.
Однако для тупиковой подстанции возможно целиком защитить линию до ввода в трансформатор, отстроив защиту от тока КЗ на низкой стороне, как показано на рис. 4 для случая короткого замыкания в Т.2.
Рис 4. Схема защиты тупиковой подстанции.
а) селективность токовой отсечки обеспечивается выбором тока срабатывания большим максимального тока внешнего КЗ и имеет место в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания,
б) защита быстродействующая, надежно работающая на головных участках, где быстрое отключение необходимо,
в) в основном защищает часть линии, имеет зону защиты, и поэтому не может быть основной защитой.
Дифференциальная защита линии
Продольная дифференциальная защита реагирует на изменение разности токов или их фаз, сравнивая их величины с помощью измерительных органов, установленных в начале и в конце линии. Для продольной защиты сравнивающей токи, показанной на рис.5, ток срабатывания реле. Iср определяется выражением : Iср >=» i1в- i2в.
В случае внутреннего К3 (К2) ток реле становится: Iр=I1в+I2в
При одностороннем питании и внутреннем К3 (К2) I2в= 0 и ток реле: Iр=I1в
При внешнем К3 через реле проходит ток небаланса Iнб, вызванный неодинаковостью характеристик ТА:
где I’1нам, I’2нам токи намагничивания ТА, приведенные к первичным обмоткам.
Ток небаланса возрастает с увеличением первичного тока К3 и в переходных режимах.
Ток срабатывания реле должен отстраиваться от максимального значения тока небаланса: Iср >=» kотсiнб макс
Чувствительность защиты определяется как: Kч = Iк мин/KтIср
Даже для сравнительно коротких линий передач цеховых сетей промышленных предприятий, ТА оказываются расположенными далеко друг от друга. Поскольку защита должна отключать оба выключателя Q1 и Q2, устанавливаются два ТА на концах линии, что приводит к увеличению тока небаланса и уменьшению тока в реле при К3 на линии, т.к. ток вторичных обмоток распределяется на 2 ТА.
Для повышения чувствительности и отстроенности дифференциальной защиты применяются специальные дифференциальные реле с торможением, включение реле через промежуточные насыщающиеся ТА (НТТ) и автоматическое загрубление защиты.
При внешнем К3 (К1) в реле имеется ток небаланса: Iр = Iнб.
Ток срабатывания реле определяется аналогично продольной защите.
При К3 (К2) защита срабатывает, однако если К2 смещена к концу линии, вследствие того, что разность токов убывает, защита не срабатывает. К тому же поперечная защита не выявляет поврежденный кабель, а, значит, не может быть основной защитой параллельных линий.
Введение в схему органа направления мощности двухстороннего действия устраняет этот недостаток. При К3 на одной из линий реле направления мощности позволяют осуществить воздействие на выключатель поврежденной линии.
Продольная и поперечная дифференциальная защита широко применяются в системах электроснабжения для защиты трансформаторов, генераторов, кабельных параллельных линий в сочетании с максимальной токовой защитой.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Токовая защита с использованием предохранителей
Предохранитель представляет собой простейший коммутационный аппарат, состоящий из цилиндрического корпуса, изготовленного из изолирующего материала и двух металлических электродов, закрывающих корпус с обоих торцов. Электроды соединяются между собой плавкой вставкой, проходящей внутри корпуса предохранителя.
Принцип действия предохранителей основан на тепловом действии электрического тока. Согласно закону Джоуля-Ленца при прохождении тока по проводнику сопровождается выделением определённого количества тепла.
В нормальном режиме выделяемое в плавкой вставке предохранителя тепло нагревает саму вставку и корпус предохранителя и рассеивается в окружающую среду. Температура нагрева плавкой вставки в нормальном режиме не превышает температуру её плавления.
В режимах к.з. и при перегрузках увеличение тока через плавкую вставку предохранителя приводит к увеличению количества выделяемого тепла, и температура проводника плавкой вставки начнёт повышаться. При значительном увеличении тока (или времени прохождения тока) температура может достичь температуры плавления металла плавкой вставки, вставка плавится (перегорает), и происходит разрыв электрической цепи. Очевидно, чем больше сила тока (или время прохождения тока) по плавкой вставке, тем быстрее она перегорает. На этом явлении и основан принцип действия предохранителей с плавкими вставками.
Предохранитель выполняет функции всех элементов токовой защиты, а также функции измерительного преобразователя тока и выключателя линии. С помощью предохранителей защита осуществляется наиболее просто и дешево (при их использовании не требуется устанавливать трансформаторы тока и напряжения, реле и автоматические выключатели).
В сетях переменного и постоянного тока напряжением до 1 кВ предохранители с плавкими вставками являются основным видом защиты. В некоторых случаях предохранители используются и в сетях переменного тока более высоких напряжений (до 110 кВ), когда они удовлетворяют требуемым параметрам и условиям эксплуатации.
Предохранители применяются для защиты от к.з. и от перегрузки не только линий, но и трансформаторов, электродвигателей и др. электрооборудования, при условии, что минимальное напряжение и ток, а также предельный отключаемый ток соответствуют параметрам сети, если при этом обеспечиваются необходимые чувствительность и селективность.
Предохранители устанавливаются на всех фазах между разъединителем (или рубильником) и защищаемым элементом, для того, чтобы замену перегоревших плавких вставок можно было производить со снятием напряжения.
Предохранители характеризуются следующими техническими параметрами:
− номинальное напряжение предохранителя (Uпр.ном);
− номинальный ток плавкой вставки (Iвс.ном);
− номинальный ток предохранителя (Iпр.ном);
− предельный отключаемый ток (Iоткл.макс).
Любой предохранитель обладает время-токовой характеристикой плавкой вставки (защитной характеристикой).
Из рис. 3-1 видно, что защитная характеристика плавкой вставки представляет собой зависимость времени разрыва предохранителем цепи от проходящего через предохранитель тока, отнесенного к номинальному току плавкой вставки или к кратности этого тока к номинальному току вставки.
| |
|
Выбор предохранителей, используемых в качестве токовой защиты, должен осуществляться с соблюдением следующих условий:
| где: | ||
| UС | – | номинальное напряжение сети, в которой используется предохранитель; |
| Iраб. макс | – | максимальный рабочий ток защищаемой линии; |
| Iк. макс | – | максимальный ток, проходящий через предохранитель при к.з. |
Действительное напряжение сети не должно превышать номинального напряжения предохранителя больше чем на 10%.
Номинальный ток плавкой вставки во всех случаях необходимо выбирать минимальным, при этом плавкая вставка не должна перегорать при прохождении по ней длительного тока нагрузки Iраб. макс..
Iвс.ном = Кн Iн.мах (3-2)
| где: | ||
| Кн | – | коэффициент надёжности, зависящий от характера нагрузки (постоянной или переменной). |
При постоянной нагрузке (например, освещение) Кн=1,1¸1,2.
При переменной нагрузке (например, электродвигатели) необходимо учитывать возможность возникновения кратковременных перегрузок вызванных пусками электродвигателей или технологическими перегрузками механизмов и др. причинами.
Для выполнения этого условия Iвс.ном выбирают таким, чтобы при перегрузке время перегорания плавкой вставки было больше времени перегрузки:
(3-3)
| где: | ||
| Кпер | – | коэффициент перегрузки |
При тяжёлых условиях пуска и самозапуска электродвигателей Кпер принимается 1,5-2, при лёгких пусках Кпер= 2,5.
Селективность токовой защиты на предохранителях достигается путём согласования защитных характеристик смежных участков электрической сети. Например, при к.з. в точке К1 радиальной сети (рис. 3-2) раньше других должна перегореть плавкая вставка предохранителя 1, а при к.з. в точке К2 предохранитель 2 должен сработать раньше предохранителя 3. Поэтому защитные характеристики предохранителей, расположенных ближе к источнику питания, должны лежать выше характеристик предохранителей более удалённых от источника питания элементов сети.
| |
|
Следует иметь в виду, что в ряде случаев невозможно согласовать предохранители смежных элементов сети из-за нестабильности их защитных характеристик, что существенно ограничивает область их применения.
Максимальная токовая защита: принцип действия, виды, примеры схем
В силу разных причин аварии в электросетях случаются довольно часто. При коротком замыкании губительно действует на все электроприборы сверхток. Если не предпринять защитных мер, то последствием от неуправляемого увеличения тока может стать не только повреждение электроустановок на участке от места аварии до источника питания, но и выведение из строя всей энергосистемы. Во избежание негативных последствий, вызванных авариями, применяются разные схемы электрозащиты:
Из перечисленных видов защиты самой распространённой является МТЗ. Этот простой и надёжный способ предотвращения опасных перегрузок линий нашёл широкое повсеместное применение благодаря обеспечению селективности, то есть, обладанию способностью избирательно реагировать на различные ситуации.
Устройство и принцип действия
Конструктивно МТЗ состоят из двух важных узлов: автоматического выключателя и реле времени. Они могут быть объединены в одной конструкции либо размещаться отдельными блоками.
Отличия от токовой отсечки
Из всех видов защиты по надёжности лидирует токовая отсечка. Примером может служить защита бытовой электросети устройствами с применением плавких предохранителей или пакетных автоматов. Метод токовых отсечек гарантирует обесточивания защищаемой цепи в аварийных ситуациях. Но для возобновления подачи электроэнергии необходимо устранить причину отсечения и заменить предохранитель, либо включить автомат.
Недостатком такой системы является то, что отключение может происходить не только вследствие КЗ, но и в результате даже кратковременного превышения параметров по току нагрузки. Кроме того, требуется участие человека для восстановления защиты. Эти недостатки не критичны в бытовой сети, но они неприемлемы при защите разветвлённых линий электропередач.
Благодаря тому, что в конструкциях МТЗ предусмотрены реле времени, задерживающие срабатывание механизмов отсечения, они кратковременно игнорируют перепады напряжений. Кроме того, токовые реле сконструированы таким образом, что они возвращаются в исходное положение после ликвидации причины, вызвавшей размыкание контактов.
Именно эти два фактора кардинально отличают МТЗ от простых токовых отсечек, со всеми их недостатками.
Принцип действия МТЗ
Между узлом задержки и токовым реле существует зависимая связь, благодаря которой отключение происходит не на начальной стадии возрастания тока, а спустя некоторое время после возникновения нештатной ситуации. Данный промежуток времени слишком короткий для того, чтобы величина тока достигла критического уровня, способного навредить защищаемой цепи. Но этого хватает для предотвращения возможных ложных срабатываний защитных устройств.
Принцип действия систем МТЗ напоминает защиту токовой отсечки. Но разница в том, что токовая отсечка мгновенно разрывает цепь, а МТЗ делает это спустя некоторое, наперёд заданное время. Этот промежуток, от момента аварийного возрастания тока до его отсечения, называется выдержкой времени. В зависимости от целей и характера защиты каждая отдельная ступень времени задаётся на основании расчётов.
Наименьшая выдержка времени задаётся на самых удалённых участках линий. По мере приближения МТЗ к источнику тока, временные задержки увеличиваются. Эти величины определяются временем, необходимым для срабатывания защиты и именуются ступенями селективности. Сети, построенные по указанному принципу, образуют зоны действия ступеней селективности.
Такой подход обеспечивает защиту поврежденного участка, но не отключает линию полностью, так как ступени селективности увеличиваются по мере удаления МТЗ от места аварии. Разница величин ступеней позволяет защитным устройствам, находящимся на смежных участках, оставаться в состоянии ожидания до момента восстановления параметров тока. Так как напряжение приходит в норму практически сразу после отсечения зоны с коротким замыканием, то авария не влияет на работу смежных участков.
Примеры использования защиты
Задержка времени очень полезна при пуске двигателей. Дело в том, что на старте в цепях обмоток наблюдается значительное увеличение пусковых токов, которое системы защиты могут воспринимать как аварийную ситуацию. Благодаря небольшой задержке времени МТЗ игнорирует изменение параметров сети, возникающие при пуске или самозапуске электродвигателей. За короткое время показатели тока приближаются к норме и причина для аварийного отключения устраняется. Таким образом, предотвращается ложное срабатывание.
Пример подключения МТЗ электродвигателя иллюстрирует схема на рисунке 1. На этой схеме реле времени обеспечивает уверенный пуск электромотора до момента реагирования токового реле.
Рисунок 1. МТЗ с выдержкой времени
Аналогично работает задержка времени при кратковременных перегрузках в защищаемой сети, которые не связаны с аварийными КЗ. Отсечка действует лишь в тех случаях, когда на защищаемой линии возникает значительное превышение номинальных значений, которое по времени превосходит величину выдержки.
Для надёжности защиты на практике часто используют схемы двухступенчатой и даже трёхступенчатой защиты участков цепей. Стандартная трёхступенчатая защитная характеристика выглядит следующим образом (Рис. 2):
Рис. 2. Карта селективности стандартной трёхступенчатой защиты
На абсциссе отмечено значения тока, а на оси ординат время задержки в секундах. Кривая в виде гиперболы отображает снижение времени защиты от возрастания перегрузок. При достижении тока отметки 170 А включается отсчёт времени МТЗ. Задержка времени составляет 0,2 с, после чего на отметке 200 А происходит отключение. То есть, разрыв цепи происходит в случае отказа защиты остальных устройств.
Расчет тока срабатывания МТЗ
Стабильность работы и надёжность функционирования максимально-токовой защиты зависит от настройки параметров по току срабатывания. Расчёты должны обеспечивать гарантированное срабатывание реле при авариях, однако на её работу не должны влиять параметры тока нагрузки, а также кратковременные всплески, возникающие в режиме запуска двигателей.
Следует помнить, что слишком чувствительные реле могут вызывать ложные срабатывания. С другой стороны, заниженные параметры срабатывания не могут гарантировать безопасности стабильной работы электроприборов. Поэтому при расчетах уставок необходимо выбирать золотую середину.
Существует формула для расчёта среднего значения тока, на который реагирует электромагнитное реле [ 1 ]:
где Iс.з. – минимальный первичный ток, на который должна реагировать защита, а Iн. макс. – предельное значение тока нагрузки.
Ток возврата реле подбирается таким образом, чтобы его хватило повторного замыкания контактов в отработавшем устройстве. Для его определения используем формулу:
Здесь Iвз– ток возврата, kн. – коэффициент надёжности, kз – коэффициент самозапуска, Iраб. макс. – величина максимального рабочего тока.
Для того чтобы токи возврата и срабатывания максимально приблизить, вводится коэффициент возврата, рассчитываемый по формуле:
kв = Iвз / Iс.з. с учётом которого Iс.з. = kн.×kз.×Iраб. макс. / kв
В идеальном случае kв = 1, но на практике этот коэффициент всегда меньший за единицу. Чувствительность защиты тем выше, чем выше значение kв.. Отсюда вывод: для повышения чувствительности необходимо подобрать kв в диапазоне, стремящимся к 1.
Виды максимально-токовых защит
В электрических сетях используют 4 разновидности МТЗ. Их применение диктуется условиями, которые требуется создать для уверенной работы электрооборудования.
МТЗ с независимой от тока выдержкой времени
В таких устройствах выдержка времени не меняется. Для задания уставок периода, достаточного для активации реле с независимыми характеристиками, учитывают ступени селективности. Каждая последующая выдержка (в сторону источника тока) увеличивается от предыдущей на промежуток времени, соответствующий ступени селективности. То есть, при расчётах необходимо соблюдать условия селективности.
МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени
В данной защите процесс задания уставок МТЗ требует более сложных расчётов. Зависимые характеристики, в случаях с индукционными реле, выбирают по стандарту МЭК: tсз = A / (k n — 1), где A, n – коэффициенты чувствительности, k = Iраб / Iср — кратность тока.
Из формулы следует, что выдержка времени уже не является константой. Она зависит от нескольких параметров, в т. ч. и от силы тока, попадающего на обмотки реле, причём эта зависимость обратная. Однако выдержка не линейная, её характеристика приближается к гиперболе (рис. 3). Такие МТЗ используют для защиты от опасных перегрузок.
МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени
В устройствах данного вида релейных защит совмещено две ступени защиты: зависимая часть с гиперболической характеристикой и независимая. Примечательно, что времятоковая характеристика независимой части является прямой, плавно сопряжённой с гиперболой. При малых кратностях критичных токов характеристика зависимого периода более крутая, а при больших – пологая кривая (применяется для защиты электромоторов большой мощности).
МТЗ с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения
В данном виде дифференциальной защиты применена комбинация МТЗ с использованием влияния минимального напряжения. В электромеханическом реле произойдёт размыкание контактов только тогда, когда возрастание тока в сети приведёт к падению разницы потенциалов. Если падение превысит нижнюю границу напряжения уставки – это вызовет отработку защиты. Поскольку уставка задана на падение напряжения, то реле не среагирует на резкие скачки тока в сети.
Примеры и описание схем МТЗ
С целью защиты обмоток трансформаторов, а также других элементов сетей с односторонним питанием используются различные схемы.
МТЗ на постоянном оперативном токе.
Особенность данной схемы в том, что управление элементами защиты осуществляется выпрямленным током, который меняет полярность, реагируя на аварийные ситуации. Мониторинг изменения напряжения выполняют интегральные микроэлементы.
Для защиты линий от последствий междуфазных замыканий используют двухфазные схемы на двух, либо на одном токовом реле.
Однорелейная на оперативном токе
В данной защите используется токовое пусковое реле, которое реагирует на изменение разности потенциалов двух фаз. Однорелейная МТЗ реагирует на все межфазные КЗ.
Схема на 1 реле
Преимущества: одно токовое реле и всего два провода для подсоединения.
Недостатки:
Однорелейка применяется в распределительных сетях, где напряжение не превышает 10 тыс. В, а также для безопасного запуска электромоторов.
Двухрелейная на оперативном токе
В данной схеме токовые цепи образуют неполную звезду. Двухрелейная МТЗ реагирует на аварийные междуфазные короткие замыкания.
Схема на 2 реле
К недостаткам этой схемы можно отнести ограниченную чувствительность. МТЗ выполненные по двухфазным схемам нашли широкое применение, особенно в сетях, где используется изолированная нейтраль. Но при добавлении промежуточных реле могут работать в сетях с глухозаземлённой нейтралью.
Трехрелейная
Схема очень надёжная. Она предотвращает последствия всех КЗ, реагируя также и на однофазные замыкания. Трехфазные схемы можно применять в случаях с глухозаземлённой нейтралью, вопреки тому, что там возможны ситуации с междуфазными так и однофазными замыканиями.
Из рисунка 4 можно понять схему работы трёхфазной, трёхлинейной МТЗ.
Рисунок 4. Схема трёхфазной трёхрелейной защиты
Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ изображена на рисунке 5.
Рис. 5. Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ
На схема обозначены: