Защита автоматическими выключателями

Конструкции и основные принципы выбора автоматических выключателей (автоматов) приведены в подразд. 4.5.2 и разд. 18.1.

Наряду с основными характеристиками автоматических выключателей, указанными в разд. 18.1, используется защитная (времятоковая) характеристика автомата.

По типовым времятоковым характеристикам (см. рис. 20.6) определяется достаточность выдержки времени теплового расцепителя при расчетных нагрузках и продолжительности кратковременных перегрузок. В отдельных случаях, например при пусках двигателей со­вместно с механизмами, имеющими большие маховые массы, приходится увеличивать номи­нальный ток расцепителя автоматического выключателя, чтобы получить возможность нор­мального запуска двигателя без ложного отключения выключателя в процессе пуска.

Автоматические выключатели, имеющие только электромагнитные элементы мгновен­ного действия («отсечку»), не реагируют на токи перегрузок, если они меньше тока уставки срабатывания. Эти автоматические выключатели выбираются по току КЗ в конце защищаемого участка с таким расчетом, чтобы расчетный (минимальный) ток КЗ был, по крайней мере, в три раза больше тока срабатывания автомата. При этом верхний предел тока КЗ, допустимого для данного выключателя и расцепителя, определяется каталожными данными предельно отклю­чаемых токов.

При КЗ начинают действовать электромагнитные расцепители всех выключателей, включенных последовательно в данной цепи, если ток КЗ больше тока уставок срабатывания выключателей. При отсутствии устройств преднамеренной выдержки времени все такие элек­тромагнитные расцепители срабатывают почти одновременно и отключение может произойти не селективно.

Автоматические выключатели, которые имеют только тепловые или другие обратноза- висимые от тока расцепители, будут действовать селективно во всем диапазоне допустимых для них предельно отключаемых токов, если последовательно включенные автоматы правильно по­добраны по своим типовым времятоковым характеристикам. Автоматические выключатели с комбинированными (тепловыми и электромагнитными) расцепителями при больших токах КЗ, превышающих токи срабатывания мгновенных расцепителей, также могут отключаться не се­лективно. Проверка на селективность отключения производится по типовым времятоковым ха­рактеристикам примененных автоматов и по расчетным токам КЗ в защищаемой сети.

Реле и их разновидности

Основные и вспомогательные реле. Каждое устройство релейной защиты в большин­стве случаев состоит из нескольких реле, выполняющих определенные функции.

Например, одни реле, называемые основными, реагируют на возникновение повреж­дения или ненормального режима, другие (вспомогательные) по команде первых производят отключение выключателя или другие операции, возложенные на данную защиту.

Для защит от ненормальных режимов, так же как и для защит от коротких замыканий, используют реле тока и напряжения. Первые служат в качестве реле, реагирующих на пере­грузку, вторые - на опасное повышение или понижение напряжения в сети. Кроме того, приме­няется ряд специальных реле, например, реле частоты, действующие при недопустимом сниже­нии или повышении частоты; тепловые реле, реагирующие на увеличение тепла, выделяемого током при перегрузках и др.

К числу вспомогательных реле относятся: реле времени, служащие для замедления времени защиты; реле указательные - для сигнализации и фиксации действия защиты; проме­жуточные, передающие действие основных реле на отключение выключателя и служащие для осуществления взаимной связи между элементами защиты.

Каждое реле можно разделить на две части: воспринимающую и исполнительную. Вос­принимающий элемент имеет обмотку, которая питается током или напряжением питающего элемента в зависимости от типа реле. Реле мощности и реле сопротивления имеют две обмотки (тока и напряжения). Через посредство обмоток реле воспринимает изменение той величины, на которую оно реагирует.

Исполнительный элемент представляет собой подвижную систему, перемещающуюся под действием сил, создаваемых воспринимающим элементом. При перемещении подвижная система реле действует на контакты реле, заставляя их замыкаться и размыкаться.

Первичные и вторичные реле. В зависимости от способа включения обмотки реле де­лятся на первичные и вторичные. Обмотка первичных реле включается непосредственно в за­щищаемую цепь, а обмотка вторичных - через измерительный трансформатор. В настоящее время наибольшее распространение получили вторичные реле. Достоинством первичных реле является то, что для их включения не требуется измерительных трансформаторов, источников оперативного тока и контрольного кабеля.

Благодаря этому защита с первичными реле проще и дешевле, чем с вторичными реле. Поэтому первичные реле находят применение на электродвигателях, трансформаторах и линиях малой мощности в сетях напряжением 6... 10 кВ.

Реле прямого и косвенного действия. В зависимости от способа воздействия на объект управления различают реле прямого и косвенного действия. В реле прямого д е й с т в и я, ис­пользуемом в устройстве защиты, подвижная система механически связана с отключающим устройством выключателя, благодаря чему срабатывание реле сопровождается его отключени­ем.

Подвижная система реле косвенного действия в схеме релейной защиты непо­средственно не связана с отключающим механизмом выключателя. Реле содержит контакты, с помощью которых управляет цепью отключения выключателя. При этом возникает необходи­мость в источнике оперативного тока, служащего для питания отключающего устройства вы­ключателя.

Оперативный ток. Ток питания цепей релейной защиты, автоматики и сигнализации называется оперативным током. Надежность источника оперативного тока и исправность его сети обеспечивает безотказную работу всех элементов, входящих в устройство релейной защи­ты. Постоянный или выпрямленный ток получают от аккумуляторных батарей или от различ­ных выпрямительных устройств.

В качестве источников переменного оперативного тока могут быть использованы транс­форматоры тока, трансформаторы напряжения, трансформаторы собственных нужд.

Типы реле

Наиболее распространены в релейной защите электрические реле - электромагнитные и индукционные.

Реле максимального тока типов РТМ, РТВ. Приводы рядов выключателей имеют встроенные реле мгновенного действия типа РТМ и реле с выдержкой времени типа РТВ. Реле типа РТМ выполняют в четырех вариантах с регулировкой тока уставки: РТМ-I - от 5 до 15 А; РТМ-II - от 10 до 25 А; РТМ-Ш - от 30 до 60 А; РТМ-IV - от 75 до 150 А. Ток срабатывания ре­гулируется изменением воздушного зазора.

Реле типа РТВ выполняют в шести вариантах с диапазоном уставки номинальных токов срабатывания 5 ... 35 А; они имеют ограниченно зависимую характеристику выдержки времени с регулированием 0...4 с.

Реле РТМ и РТВ применяют в пружинных приводах типа ПП-67.

Реле минимального напряжения типа РНВ. Его выполняют с выдержкой време­ни 0...9 с. Кроме того, в приводе ПП-67 могут быть встроены дополнительные элементы - элек­тромагнитные с питанием от независимого источника.

Электромагнитное реле РТ-40. Уставка срабатывания реле РТ-40 регулируется на­тяжением поводка пружины; изменение пределов уставок осуществляется переключением ка­тушек с последовательного (0,5... 25 А) на параллельное (1... 50 А) соединение.

Реле напряжения типа РН-50. Уставки срабатывания этого реле в пределах 15... 400 В для реле максимального и 12... 320 В для реле минимального напряжения регулируются также натяжением пружины и включением двух дополнительных резисторов в цепи обмотки реле. Обмотка реле включается через выпрямитель.

Реле времени типов ЭВ-112 - ЭВ-144 выпускают для работы на постоянном то­ке при напряжениях 24,48,110,220 В; реле времени типов ЭВ-215 - ЭВ-245 - для работы на пе­ременном токе напряжением 100, 127, 220, 380 В.

Промежуточные реле предназначены для размножения контактов основного реле, например, для одновременного замыкания и размыкания контактов нескольких цепей, питаю­щих отключающие катушки приводов выключателей. Их используют также для усиления мощ­ности сигнала основного реле (путем передачи его импульса на промежуточное реле с более мощными контактами).

Промежуточные реле работают на постоянном и переменном оперативном токе и вклю­чаются, как реле напряжения или тока. Для работы на постоянном токе применяют промежу­точные реле РП-210, РП-232. Все указанные реле работают на электромагнитном принципе и имеют пять контактов, которые могут использоваться в различных комбинациях как замыкаю­щие и размыкающие. Потребляемая мощность составляет 6... 8 Вт.

Для работы на переменном токе применяют промежуточные реле типов РП-25, РП-26, которые имеют короткозамкнутый виток на сердечнике электромагнита для устранения вибра­ции подвижной системы.

Указательные реле предназначены для подачи сигнала о срабатывании соответст­вующей защиты. Указательные реле можно включать: последовательно в цепь других реле или аппаратов и реагировать на появление тока в них; параллельно в цепь соответствующих реле

и аппаратов и указывать появление на них напряжения. Указательные реле постоянного тока РУ-21 можно использовать и для работы на переменном токе.

В табл. 20.4 представлены принятые кодовые обозначения элементов электрических

схем.

Защита кабельных линий

Основными видами повреждений кабельных линий, требующих отключения, являются однофазные на землю или междуфазные КЗ. Большое влияние на характер протекания процесса при повреждении оказывает режим работы нейтрали (см. гл. 2). Так как кабельные сети напря­жением 6... 10 кВ работают с изолированной или заземленной через реактор нейтралью, замы­кание одной фазы на землю не является аварийным режимом, требующим немедленного отклю­чения. Поэтому защиту от замыканий одной фазы на землю в сетях напряжением 6... 10 кВ де­лают в большинстве случаев на сигнал.

В сетях напряжением 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью замыкание на землю одной фазы является однофазным КЗ и должно отключаться защитой, причем токи однофазного КЗ имеют значения, соизмеримые с токами рабочих режимов. Поэтому для выполнения защиты от однофазных КЗ часто используются составляющие нулевой последовательности, так как при этом не надо отстраивать защиту от рабочих токов.

В соответствии с ПУЭ защита кабельных линий напряжением до 1 кВ в большинстве осуществляется плавкими предохранителями, которые отключают поврежденную линию в те­чение первого полупериода прохождения трехфазного тока КЗ. Кроме того, кабельные линии напряжением до 1 кВ защищают с помощью автоматических выключателей. Выбор уставок то­ков расцепителей автоматических выключателей описан в гл. 14.

На кабельных линиях напряжением 6... 10 кВ должна быть предусмотрена защита от од­нофазных замыканий на землю, в качестве которой применяется максимальная токовая защита (МТЗ) нулевой последовательности; фильтром тока нулевой последовательности служит трансформатор тока нулевой последовательности (ТИП). Появление токов нулевой последова­тельности объясняется нарушением симметрии емкостных токов и фазных напряжений. Ток срабатывания защиты

I = к • 3I₀                                                                           (20.2)

с.з отс 0 л                                                                                                                                                                     \           /

где 1_0л - ток нулевой последовательности, обусловленной емкостью линии; к_отс - коэф­фициент отстройки, зависящий от типа реле, к_отс = 4... 5 (для защит без выдержки времени), к_отс = 2... 2,5 (для защит с выдержкой времени с учетом перемежающего характера замыкания).

Для того чтобы МТЗ нулевой последовательности не сработала ложно, принимают спе­циальные меры, а именно: воронку, броню и оболочку кабеля на участке от воронки до ТНП изолируют от земли, а заземленный провод присоединяют к воронке кабеля и пропускают через отверстие магнитопровода ТНП в направлении кабеля. При таком исполнении цепей защиты токи, проходящие по броне и проводящей оболочке кабеля, компенсируются токами, возвра­щающимися по заземляющему проводу. Если этого не предусмотреть, то при однофазном за­мыкании на землю токи повреждения могут замыкаться как через землю, так и по проводящей оболочке кабеля, в том числе и неповрежденного, расположенного вблизи поврежденного. Это может вызвать срабатывание защиты неповрежденного кабеля.

Рассмотренная выше защита от замыкания на землю реагирует на токи замыкания пря­мой последовательности установившегося режима. Для избирательной сигнализации замыка­ний на землю в кабельных сетях напряжением 6... 10 кВ с нейтралью, заземленной через реак­тор, применяются устройства сигнализации замыканий на землю (УСЗ): УСЗ 2/2, УСЗ-ЗМ, УСЗ-З, которые реагируют на содержание высших гармоник в установившемся токе нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю. Устройство устанавливается на ка­ждой линии и срабатывает на сигнал на поврежденной линии, так как именно на поврежденной фазе линии уровень высших гармоник максимален. Для сетей с изолированной нейтралью при малых токах замыкания на землю УСЗ может не сработать. Поэтому для таких сетей применя­ют более простую защиту с использованием чувствительного полупроводникового реле типа РТЗ-50.

Для защиты от междуфазных КЗ кабельных линий напряжением выше 11 кВ в сетях с односторонним питанием применяют МТЗ и токовую отсечку (ТО).

Для защиты от токов КЗ, которая всегда действует на отключение защищаемой цепи, ток срабатывания, т.е. минимальный ток, при котором защита срабатывает,

1с.з = (котскс.зImax )/ К                                                              (20.3)

где I_max - максимальный рабочий ток защищаемой сети; к_сз - коэффициент, учитываю­щий толчки тока от самозапуска электродвигателей, к_сз = 1,2 ...2,4; к_отс = 1,05... 1,4 (меньшие значения относятся к электронным реле).

Выбранный ток срабатывания проверяют на требуемую чувствительность защиты:

кч = Ik min/ I с                                                                      (20.4)

где к_ч - коэффициент чувствительности, к_ч > 1,5 для основной защиты и к_ч > 1,2 для ре­зервной защиты; I_{k min} - минимальный ток КЗ, т. е. ток двухфазного КЗ I^ определяемый по трехфазному току КЗ IК³:

Ik min = iK²⁾ = (iK³⁾-V3)/2                                            (20.5)

Если выдержка времени МТЗ при КЗ в основной зоне защиты слишком велика, то до­полнительно к МТЗ применяют токовую отсечку. Ток срабатывания ТО выбирают по следую­щему выражению:

I^T° = котс I„0                                                                      (20.6)

где I_n0 - действующее значение периодической слагаемой тока КЗ в первый период в конце основной зоны защиты; к_отс = 1,05... 1,6. Токовая отсечка является быстродействующей защитой и может срабатывать от толчков тока намагничивания, возникающих при включении силовых трансформаторов защищаемой цепи. Поэтому I^T_c° должен удовлетворять условию:

> к УI                                                                         (20.7)

с. з         нам           ном.т

где 1_{т ном} - сумма номинальных токов силовых трансформаторов, питаемых по защищае­мой цепи; к_нам - коэффициент, учитывающий бросок тока намагничивания силовых трансфор­маторов, £_нам = 3... 5; если ТО имеет выдержку времени (обычно t_C3 = 0,5... 1 с), то к_нам = 1.

После выбора I^T° и схемы включения трансформаторов тока определяют зону действия отсечки, которая для линий должна быть не менее 15 ...20% их длины.

Если у ТО k₄ < 1,5, то ее дополняют пусковым органом минимального напряжения. Избирательность МТЗ обеспечивается только в радиальных сетях с односторонним пи­танием, в то время как ТО может применяться в сети любой конфигурации с любым источни­ком питания. Существенным недостатком ТО является то, что она защищает только часть ли­нии (ТО без выдержки времени), а поэтому не может быть основной защитой линии.

ГАГ

AT

Рис. 20.8. Принципиальная схема двухфазной двухрелейной защиты линии от междуфазных КЗ (макси­мальная токовая защита)

сГ

Л/

На рис. 20.8, 20.9, 20.10, 20.11 приведены принципиальные схемы защиты кабельных линий напряжением 6... 10 кВ.