Короткие замыкания являются одними из самых тяжелых видов аварий в электрических сетях. Возникающие при КЗ токи своим термическим и динамическим воздействием выводят из строя электрооборудование и наносят иной ущерб, поэтому для предупреждения тяжелых последствий в электроустановках широко применяют токовые защиты.
- Основные задачи и цели максимальной токовой защиты
- Принцип действия МТЗ
- Отличие токовой защиты от токовой отсечки
- Формула расчета тока для срабатывания защиты
- Типы максимальной токовой защиты
- МТЗ с пуском (блокировкой) по напряжению
- МТЗ генератора
- МТЗ с зависимой характеристикой
- Описание популярных схем МТЗ
- Трехфазная трехрелейная схема
- Двухфазная двухрелейная схема
- Двухфазная однорелейная схема
Основные задачи и цели максимальной токовой защиты
Одним из видов токовых защит в электрике является МТЗ (эта расшифровка означает «максимальная токовая защита»). Она применяется в электрических сетях с односторонним питанием как до 1000 В, так и выше 1000 В. Ее назначение — защита электрооборудования от токов короткого замыкания в нештатных ситуациях. Любое устройство РЗА должно удовлетворять требованиям:
- надежности;
- селективности;
- быстродействию;
- чувствительности.
Максимальная токовая защита при правильном подходе может достичь всех перечисленных целей.
В сетях сложной конфигурации (с двумя или более источниками питания) МТЗ применяется в качестве вспомогательных защит.
Принцип действия МТЗ
Принцип действия МТЗ, на первый взгляд, прост. При повышении тока выше установленного порога срабатывает реле. Его контакты запускают таймер, а после истечения заданной выдержки в схему автоматики формируется сигнал на отключение.
В сетях свыше 1000 В датчиками тока для МТЗ служат трансформаторы тока, пороговым устройством – реле тока (РТ), для отсчета времени – реле времени (РВ). Исполнение реле может быть как классическим электромеханическим, так и современным электронным, включая программируемые блоки релейной защиты (МТЗ входит в их состав). Пороговое устройство и таймер могут быть объединены и в электромеханических реле (например, РТ-80), где обеспечивается зависимая характеристика срабатывания.
В сетях до 1000 В максимальная токовая защита реализуется на базе расцепителей автоматических выключателей, которые тоже могут быть как классическими на основе биметаллических пластин, так и электронными, формирующими «тепловую» характеристику срабатывания.
Отличие токовой защиты от токовой отсечки
Другим видом распространенной токовой защиты является токовая отсечка (ТО), она имеет то же самое назначение и принцип действия. Разница между МТЗ неочевидна, тем не менее, это два принципиально различных вида защит.
Анализируя реальные карты уставок, неискушённый в РЗА специалист обнаружит, что уставки срабатывания отсечек выше, чем у МТЗ, при этом выдержка времени у ТО отсутствует. На основании этого напрашивается неверный вывод, что основное различие в том, что максимальная токовая защита срабатывает с задержкой при небольшом токе, а отсечка – без паузы при повышенном. На самом деле, это не так. Можно ввести задержку срабатывания ТО, и она не перестанет быть отсечкой. Можно убрать выдержку времени для максимальной токовой защиты, и она не перестанет быть МТЗ.
Принципиальное различие между МТЗ и токовой отсечкой в способах достижения селективности – способности устройства РЗА отключать только поврежденный участок сети и оставлять в работе неповрежденные участки.
Пусть имеется система, состоящая из трех комплектов сборных шин Ш1, Ш2, Ш3, подключенных последовательно и питающихся одна от другой (сверху вниз по рисунку). При возникновении КЗ в точке K3 ток короткого замыкания пойдет через все три комплекта трансформаторов тока защит МТЗ 1..МТЗ 3. По условиям селективности требуется, чтоб отключался только выключатель B3 и обесточивались шины Ш3, а Ш2 и Ш1 оставались в работе (В1 и В2 не отключались). При КЗ в точке К2 надо отключить только В2, оставив в работе Ш1, и лишь при КЗ в точке К1 отключается выключатель В1 и обесточиваются все три системы шин.
Если защита от КЗ выполнена в виде МТЗ, это достигается временем уставки срабатывания. При КЗ в точке К3 самое малое время имеет защита МТЗ 3. Через 0,5 секунды она сработает, отключив В3, а защиты МТЗ 1 и МТЗ 2 сработать не успеют. При КЗ в точке K2 сработает выключатель В2, оставив в работе шины Ш1, и лишь при КЗ в точке К1 отключится выключатель В1, обесточив все шины.
Иное дело, если вместо МТЗ все выключатели оснащены токовыми отсечками. Уставка ТО выбирается так, чтобы вне зоны действия, обозначенной красной линией на схеме, ее чувствительности было недостаточно для срабатывания. Иными словами, селективность токовой отсечки выбирается путем ограничения зоны действия:
- ТО выключателей В1 и В2 не «почувствуют» КЗ в точке 3.
- ТО выключателя В1 не почувствует КЗ в точках 2,3.
Так достигается отключение только «больного» участка.
На практике на каждом выключателе устанавливают одновременно и ТО, и МТЗ – обе защиты дублируют друг друга, осуществляя принцип ближнего резервирования.
Формула расчета тока для срабатывания защиты
Уставка срабатывания МТЗ выбирается так, чтобы защита не срабатывала во все диапазоне токов нагрузки вплоть до максимального тока (красная зона на рисунке):
Iсраб>Iнагрmax
На практике надо обеспечить несрабатывание защиты при максимальном токе с учетом погрешностей трансформаторов тока и реле. Для этого вводится коэффициент надежности, равный 1,2..1,5. С его учетом уставка должна быть еще выше — Iсраб>Кн*Iнагрmax (фиолетовая зона).
Но у уставки есть еще и ограничение сверху. Если она будет выше тока короткого замыкания, то при возникновении КЗ защита не сработает – не хватит тока. По условиям обеспечения чувствительности уставка МТЗ должна обеспечивать чувствительность (отношение тока КЗ и уставки срабатывания) не менее 1,5. Значит, верхний предел срабатывания должен быть не более Iкз/Кч (синяя зона), где Кч – коэффициент чувствительности, в данном случае равный 1,5. Значит, уставку срабатывания МТЗ можно выбрать в пределах:
Iкз/Кч >Iсраб>Кн*Iнагрmax (между фиолетовой и синей зонами на рисунке).
Кроме того, надо обеспечить надежный возврат реле при кратковременных (меньше времени срабатывания реле тока) всплесках тока. Для этого в формулу вводится коэффициент возврата реле Квоз. Окончательно формула выбора уставки выглядит так:
Iкз/Кч >Iсраб>Кн*Iнагрmax/Квоз
При расчете Iнагрmax надо учесть ток самозапуска электродвигателей (если они есть) и количество двигателей, которое может запуститься одновременно.
Типы максимальной токовой защиты
В зависимости от примененного электрооборудования, на практике применяются различные типы максимальной токовой защиты.
МТЗ с пуском (блокировкой) по напряжению
При использовании маломощных источников питания (генераторов собственных нужд), выдающих относительно небольшой по сравнению с существующей нагрузкой, ток КЗ, зона выбора уставки МТЗ значительно сужается. Кроме того, может возникнуть ситуация, когда невозможно согласовать уставку по несрабатыванию при максимальном токе нагрузки и по условиям чувствительности (тогда фиолетовые и синяя зоны на рисунке пересекутся). В этом случае берут во внимание второй признак короткого замыкания – снижение напряжения.
Считается, что самозапуск двигателей, в отличие от КЗ, не вызовет заметной просадки напряжения на шинах.
Так можно организовать МТЗ с пуском (или с блокировкой, что одно и то же) по напряжению. Защита сработает:
- при повышении тока сверх тока длительной нормальной нагрузки Iнорм (этот ток не учитывает самозапуск двигателей и может быть примерно в 1,5..2 раза ниже максимального тока);
- при снижении напряжения на 10..20 % от номинального напряжения.
Следовательно, можно сдвинуть уставку срабатывания по току вниз, обеспечив чувствительность и не получив ложных срабатываний в штатном режиме.
МТЗ генератора
Максимальная токовая защита применяется и в качестве одной из защит генератора (обычно для защиты от внешних КЗ). В этом случае трансформаторы тока устанавливаются в нулевой коробке генератора. Выбор тока срабатывания осуществляется по макcимально допустимому току генератора без учета тока нагрузки:
Iсраб>Iген max*1,2
При выборе уставки надо также учитывать условия чувствительности защиты.
Если не получается обеспечить достаточную чувствительность, МТЗ генератора можно выполнить с пуском по напряжению.
МТЗ с зависимой характеристикой
В некоторых случаях применяют МТЗ с зависимой характеристикой. Это означает, что время срабатывания зависит от тока короткого замыкания (чем выше ток, тем меньше время срабатывания). Такие защиты строят на специальных реле (РТ-80, РТ-90), в этом случае дополнительное реле времени не нужно) или на микропроцессорных модулях.
Описание популярных схем МТЗ
Общий принцип построения схем МТЗ не зависит от элементной базы. Пороговым и исполнительным органом могут быть как электромеханические реле, так и микропроцессорные блоки релейной защиты – принципиальный подход от этого не меняется.
Трехфазная трехрелейная схема
В этой схеме на каждую фазу устанавливается свой трансформатор тока, во вторичную цепь каждого трансформатора включается отдельное реле тока. Контакты токовых реле подключаются параллельно. Срабатывание реле в любой фазе запускает реле времени. По истечении заданного периода в схему управления выключателем подается сигнал на отключение.
Защита в таком исполнении обладает максимальной чувствительностью и реагирует на все виды межфазных коротких замыканий и коротких замыканий на землю в сетях с заземленной нейтралью.
При необходимости такую схему можно дополнить пуском по напряжению. К схеме добавляется трехфазный трансформатор напряжения и реле напряжения на каждую фазу. Их контакты собираются в параллельную цепь и включаются последовательно с контактами токовых реле.
Двухфазная двухрелейная схема
В сетях с изолированной нейтралью коротких замыканий на землю не бывает. При межфазных КЗ ток возрастает минимум в двух фазах. Это позволяет сэкономить один трансформатор тока и одно реле.
За эту экономию придется заплатить снижением чувствительности защиты при замыкании средней фазы (с отсутствующим трансформатором тока) и при замыканиях за трансформатором «звезда-треугольник» или «треугольник-звезда».
Двухфазная однорелейная схема
При необходимости можно сэкономить еще одно реле и еще уменьшить количество соединительных проводов, включив трансформаторы тока накрест. Реле будет реагировать на разность токов в фазах. Плата за экономию возрастет – чувствительность при КЗ между фазами АВ и ВС еще более уменьшится, а в некоторых случаях при замыкании за трансформатором «треугольник-звезда» или «звезда-треугольник» защита на нештатную ситуацию не среагирует.
Мировой опыт развития релейной защиты показал, что экономия на трансформаторах тока не стоит проблем, возникающих при снижении эффективности работы РЗА. По этой причине в новых разработках трехфазная трехрелейная схема является основной.
Достоинствами МТЗ являются простота, надежность и относительно невысокая стоимость. К минусам относят низкое быстродействие и недостаточную чувствительность в разветвленных цепях. Немного усложнив защиту, ее можно применить и в сетях со сложной конфигурацией, однако в основном максимальная токовая защита применяется в качестве основной в радиальных сетях 6..10 кВ. Применяется МТЗ и в электросетях 35 кВ и выше, но в качестве вспомогательной защиты.
