Особенности выполнения защиты автоматическими выключателями

Анализ времятоковых характеристик автоматических выключателей

с комбинированными расцепителями

В системе электроснабжения (см. рис 2.20, а) для защиты электроприёмников используются, как правило, автоматические выключатели с комбинированными расцепителями. Они являются неселективными, то есть отключают токи короткого замыкания без выдержки времени. Это идёт в полном соответствии с ПУЭ, которое требует отключения токов короткого замыкания с минимальным временем.

Электромагнитный расцепитель срабатывает без выдержки времени после того, как ток короткого замыкания достигнет тока уставки (I _со). Поэтому селективность между последовательно включёнными автоматическими выключателями не может быть обеспечена для наиболее распространённого случая, когда ток короткого замыкания (I _кз) в конце линии, защищённой более удалённым от источника питания автоматическим выключателем (QF 1), будет больше, чем ток I _со2 автоматического выключателя (QF 2), расположенного ближе к источнику питания. При этом у обоих расцепителей бойки (якори) электромагнитных механизмов успевают ударить по планке МСР, после чего отключение автоматического выключателя неизбежно в независимости от того, протекает по ним ток или нет. Боёк ударяет за время 0,005 с.

 

Рис. 2.20. Пример обеспечения селективности защиты: а) схема защиты; б) неселективная защита; в) селективная защита

Защита будет действовать селективно в случае, когда ток короткого замыкания в конце линии, защищённой более удалённым от источника питания автоматическим выключателем, будет меньше, чем уставка тока I _со автоматического выключателя, расположенного ближе к источнику питания.

.

(2.11)

Этот случай получил название – селективность по току.

Трехступенчатые времятоковые характеристики

Такими характеристиками обычно обладают автоматические выключатели с электронным (полупроводниковым) расцепителем. Они устанавливаются на трансформаторных подстанциях в качестве вводных выключателей для сборных шин и выключателей, отходящих от сборных шин.

Рис. 2.21. Трехступенчатые защитные характеристики:

QF 3 – вводной АВ, QF 2 – отходящий (линейный) АВ, QF 1 – конечный в схеме электроснабжения АВ

При КЗ в точке К1 (I _к1) первым должен отключиться QF 1 с минимальным временем, а QF 2 резервирует защиту электрической сети и отключит ток I _к1 (если QF 1 не сработает) за время, равное ступени селективности – 0,1с. При «близких» к QF 2 коротких замыканиях (I _к2¹) выдержка времени не требуется и QF 2 отключается мгновенно за счет наличия третьей ступени в защитной характеристике. Аналогично работает QF 3, т.е. резервирует предыдущую защиту (QF 2) при удаленных токах КЗ и срабатывает мгновенно при «близких» КЗ (I _к3).

Координация: энергетическая, логическая и динамическая селективность

Координация (координация рабочих характеристик аппаратов защиты при любых типах повреждений) – это последовательное соединение двух или нескольких аппаратов защиты, чтобы обеспечить селективность при сверхтоках и резервную защиту.

Резервная защита позволяет использовать аппараты защиты с отключающей способностью ниже, чем расчетный ток КЗ в точке его установки, учитывая, что другое устройство защиты с необходимой отключающей способностью имеется на стороне питания. В таком случае характеристики этих устройств должны согласовываться так, чтобы значение удельной энергии (I ² t), пропускаемой устройством на стороне питания, было выше выдерживаемого без повреждения устройства на стороне нагрузки и защищаемых линий. Защита происходит следующим образом. Короткое замыкание фиксируют оба расцепителя, но у выключателя, расположенного «выше» по схеме, ток КЗ вызывает отталкивание контактов выключателя, ограничивая тем самым «удар» тока (из-за наличия дуги между контактами), поэтому АВ, установленные «ниже» по сети, могут обладать отключающей способностью меньшей, чем значения ожидаемого тока КЗ. Такое резервирование наиболее часто применяется в «середине» схемы электроснабжения для устройств распределения электроэнергии (вводной выключатель – сверхтокоограничивающий АВ, а отходящие от шин выключатели – нормальные быстродействующие АВ с меньшей отключающей способностью, чем расчетный ток на сборных шинах).

Селективность действия защитных устройств заключается в отключении от сети лишь того электроприемника или линии, в котором произошло повреждение (и никаких других), обеспечивая тем самым максимальный уровень бесперебойности электроснабжения. Селективность называется полной только в том случае, если срабатывает и остается в отключенном положении лишь тот выключатель, который расположен ближе всех остальных по ходу распространения электроэнергии к месту возникновения аварийной ситуации. Селективность называется частичной, если выполнение вышеуказанного условия не обеспечивается при величинах аварийного тока, превышающих определенное значение.

В электрических распределительных сетях возникают сверхтоки называемые перегрузкам или короткими замыканиями. Анализ селективности проводится отдельно для каждого вида сверхтока. Для селективной работы автоматических выключателей при перегрузках нужно, чтобы номинальный ток (I_n) автоматического выключателя со стороны питания был больше номинального тока автоматического выключателя со стороны потребителей. Добиться полной селективной работы автоматических выключателей при КЗ сложнее, а иногда невозможно (при использовании АВ с термомагнитными расцепителями). Проверка возможности селективной работы производится при расчетном токе КЗ по специальным таблицам, которые имеются в каталогах фирм производителей оборудования.

У выключателей с электронным расцепителем селективность обеспечивается задержкой времени срабатывания «вышестоящего» выключателя. Эти аппараты согласно ГОСТ Р 50030.02 (МЭК 60947.2) относятся к категории применения «B», для которой нормируется величина кратковременно допустимого тока КЗ I_{cw .} Это позволяет данным аппаратам срабатывать с заданной выдержкой времени, которая устанавливается на блоке управления электронным расцепителем. Таким образом, он будет обеспечивать временную селективность с нижестоящими аппаратами при токах КЗ вплоть до значения предельной отключающей способности I_{cu .} Задача разработчика и производителя АВ заключается в том, чтобы I_cu и I_cw имели близкие значения. При этом не менее важно, чтобы рабочая отключающая способность аппарата I_cs была равна предельной I_cu, т.е. I_cs =100% I_cu. Это позволяет аппарату не менее трех раз отключать ток КЗ, равный предельной оключающей способности автоматического выключателя.

Динамическая селективность применяется для повышения селективности АВ с электронным (полупроводниковым) расцепителем, для этого переключатель селективности может быть установлен в положение High (высокое значение). Это гарантирует селективность такого автоматического выключателя по отношению к другому, нижестоящему, переключатель селективности которого установлен в положение Low (низкое значение).

Логическая селективность (зонная селективность) реализуется между аппаратами, объединенными специальной связью (локальной вычислительной сетью), и наиболее часто применяется в начале схемы электроснабжения. Это функция также электронных расцепителей, которая заключается в том, что вышестоящий АВ «зафиксировав» сверхток, но не получивший от нижестоящего сигнала о возникновении КЗ и начале его отключения, «считает» что КЗ происходит между ними и отключается мгновенно, без учета уставок времени своего расцепителя. Назначение – улучшение защиты сборных шин подстанций и НКУ.

Селективность улучшается при использовании АВ с электронными расцепителями, в которых можно выбрать функцию I²t = const, что позволяет избежать наложения защитных характеристик (см. рис. 2.22).

Рис. 2.22. Координация характеристик автоматических выключателей при введении уставки I²t = const

В конце системы электроснабжения часто выполняется псевдовременная селективность путем использования там токоограничивающего выключателя, который обладает способностью ограничивать величину тока, создавая падение напряжения на возникающей дуге между контактами, а также скорость отключения такого АВ возрастает с увеличением тока КЗ.

Энергетическая селективность является обобщенной модификацией псевдовременного способа обеспечения селективности. Селективность будет полной, если поток энергии при всех токах КЗ, который пропускает через себя АВ, расположенный «ниже» по сети, будет меньше, чем ток, требуемый для срабатывания расцепителя АВ, расположенного «выше» по сети (см. аналогичные рассуждения для селективности предохранителей на рис.1.11.). Так как отключения происходят за время меньшее половины периода (10мс для промышленной частоты), то для анализа используются не времятоковые характеристики, а интегральные характеристики I ² t в функции тока короткого замыкания (см. рис.2.11.). И если интегральная характеристика «нижестоящего» выключателя будет располагаться ниже интегральной характеристики «вышестоящего» выключателя, построенной в тех же осях координат, то селективность будет полной.

Еще один из способов обеспечения селективности – это применение в цепи питания плавких предохранителей. При правильно рассчитанной системе координации отключающих устройств (для всех возможных значений сверхтока вплоть до номинальной предельной отключающей способности I_cu) отключение производит только автоматический выключатель. Если значение ожидаемого аварийного тока больше I_cu, следует так подобрать характеристику предохранителя, чтобы обеспечить I_В < I_cu (см. рис.2.23)

 

Рис. 2.23. Координация характеристик плавкого предохранителя и автоматического выключателя:

I _к – ожидаемый ток короткого замыкания, I_S – предельный ток селективности, I_B – ток координации, I_cu – номинальная предельная отключающая способность автоматического выключателя, FU_A – преддуговая характеристика плавкого предохранителя, FU_B – рабочая характеристика плавкого предохранителя, QF – рабочая характеристика автоматического выключателя