При эксплуатации и проектировании электрической схемы всегда уделяется внимание вопросам ее безопасного использования. С этой целью все электрические приборы защищаются специальными устройствами, которые подбирают и располагают строго по определенной, иерархической зависимости.
Например, когда мобильный телефон стоит на зарядке, то ее протекание контролирует встроенная в аккумулятор защита. Она отключает зарядный ток по окончании набора емкости. Когда же внутри АКБ возникнет короткое замыкание, то установленный в зарядное устройство предохранитель перегорает и обесточивает схему.
Если это по каким-либо причинам не произойдет, то возникшую неисправность в розетке контролирует автоматический выключатель квартирного щитка, а его работу страхует главный автомат. Эту последовательность поочередного срабатывания защит можно рассматривать и дальше.
Ее закономерности определяются принципом селективности, который еще называют избирательностью, подчеркивая функцию выбора или определения места возникновения повреждения, которое необходимо отключить.
Виды селективности
Методы избирательности электрических защит формируется во время создания проекта и поддерживается при эксплуатации таким образом, чтобы своевременно выявить место возникновения неисправности в электрооборудовании и отделить его от действующей схемы с наименьшими потерями для нее.
При этом зону обхвата защит по селективности подразделяют на:
1. абсолютную;
2. относительную.
Первый тип защиты полностью контролирует свой рабочий участок и устраняет повреждения только в нем. По этой закономерности работают встроенные в электроприборы предохранители.
Устройства, созданные по относительному принципу, выполняют больше функций. Они отключают неисправности внутри своей зоны и соседних, но когда в них не отработали защиты абсолютного типа.
Качественно настроенная защита определяет:
1. место и вид повреждения;
2. отличие ненормального, но допустимого режима от ситуации, способной нанести весьма серьезные повреждения оборудованию электроустановки внутри контролируемой зоны.
Устройства, настроенные только по первому действию, работают обычно в неответственных сетях до 1000 вольт. Для высоковольтных электроустановок стараются внедрить оба этих принципа. С этой целью в состав защиты вводят:
-
схемы взаимных блокировок;
-
точные измерительные органы;
-
системы обмена информацией;
-
специальные логические алгоритмы.
Между двумя последовательно подключенными силовыми выключателями выполняется зашита от сверхтоков, превышающих номинальные значения нагрузки по любой причине. При этом ближний к потребителю с повреждением выключатель должен размыканием своих контактов обесточивать неисправность, а дальний — продолжать подачу напряжения на своем участке.
В этом случае рассматривается два вида селективности:
1. полная;
2. частичная.
Если ближняя к неисправности защита способна полностью ликвидировать повреждения на всем диапазоне уставок без задействования удаленного выключателя, то ее считают полной.
Частичная избирательность присуща ближним защитам, настроенным на срабатывание до какого-то предельного тока селективности Is. Если он превышен, то вступает в работу удаленный выключатель.
Зоны перегрузки и короткого замыкания в селективных защитах
Пределы токов, назначенные для срабатывания автоматических выключателей защит, разделяют на две группы:
1. режим перегрузок;
2. зону коротких замыканий.
Для упрощения разъяснения применим этот принцип к токовым характеристикам автоматических выключателей.
Они настраиваются на работу в зоне перегруза номинальных токов на величину до 8÷10 крат.
На этом участке работают в основном тепловые или термомагнитные расцепители защит. Токи коротких замыканий в эту зону попадают очень редко.
Область возникновения КЗ обычно сопровождается токами, превышающими в 8÷10 раз номинальные нагрузки автоматических выключателей и характеризуется серьезными повреждениями в электрической схеме.
Для их отключения применяются электромагнитные или электронные расцепители.
Методы создания селективности
Для области перегрузок по току создаются защиты, работающие по принципу времятоковой селективности.
Зона коротких замыканий формируется на основе:
1. токовой;
2. временно́й;
3. энергетической;
4. зонной избирательности.
Временна́я селективность создается за счет выбора разных выдержек времени для срабатывания защиты. Этот способ может быть применен даже к устройствам с одной уставкой тока, но разным временем, как показано на рисунке.
Например, ближайшая к оборудованию защита №1 налаживается на работу при коротком замыкании со временем, близким к 0,02 с, а ее работу страхует более отдаленная №2 с настройкой на 0,5 с.
Самая дальняя защита со временем отключения в одну секунду резервирует работу предыдущих устройств при их возможном отказе.
Токовая селективность налаживается для срабатывания по превышению допустимых нагрузок. Довольно грубо этот принцип можно пояснить следующим примером.
Три защиты последовательно контролируют ток КЗ и настроены на отключение со временем 0,02 с, но с разными токовыми уставками в 10, 15 и 20 ампер. За счет этого оборудование будет отключаться вначале от защитного устройства №1, а №2 и №3 будут избирательно его страховать.
Реализация временно́й или токовой селективности в чистом виде требует использования чувствительных датчиков или реле тока и времени. При этом создается довольно сложная электрическая схема, которая на практике обычно объединяет оба рассмотренных принципа, а не применяется в чистом виде.
Времятоковая селективность защит
Для защиты электроустановок с напряжением до 1000 вольт применяют автоматические выключатели, которые обладают объединенной времятоковой характеристикой. Рассмотрим этот принцип на примере двух последовательно включенных автоматов, разнесенных по концам линии со стороны нагрузки и питания.
Времятоковая избирательность определяет способ срабатывания выключателя, настроенного на более быстрое отключение при расположении около потребителя электроэнергии, а не на генераторном конце.
На левом графике показан случай наибольшего времени отключения верхней кривой защиты со стороны нагрузки, а на правом — наименьшего времени выключателя на конце подвода питания. Это позволяет более детально анализировать проявление селективности защит.
Выключатель «В», расположенный ближе к питаемому оборудованию, за счет применения времятоковой селективности работает раньше и быстрее, а выключатель «А» резервирует его в случае отказа.
Токовая селективность защит
При этом способе избирательность может формироваться за счет создания определенной конфигурации сети, например, включенной в схему кабельной или воздушной линии электропередач, обладающей электрическим сопротивлением. В этом случае значение тока короткого замыкания между генератором и потребителем зависит от места возникновения повреждения.
На кабельном конце со стороны питания оно будет иметь максимальное значение, например, 3 кА, а на противоположном — минимальное, допустим, 1кА.
При возникновении КЗ около выключателя А не должна работать защита конца В (I кз1кА), то он и должен снимать напряжение с оборудования. Для точной работы защит необходимо учесть величину реальных токов, проходящих через выключатели при аварийном режиме.
Следует понимать, что для обеспечения полной избирательности по этому методу необходимо иметь большое сопротивление между обоими выключателями, которое может образоваться за счет:
-
протяженной линии электропередачи;
-
вставкой обмотки трансформатора;
-
включением в разрыв кабеля уменьшенного сечения или другими способами.
Поэтому при таком способе селективность чаще всего бывает частичной.
Временна́я селективность защиты
Этот метод избирательности обычно дополняет предыдущий способ с учетом времен:
-
определения защитой места и начала развития неисправности;
-
срабатывания на отключение.
Формирование алгоритма работы защиты производится за счет постепенного приближения уставок по току и времени при перемещениях токов КЗ к источнику питания.
Избирательность по времени может создаваться автоматами одних номиналов по току, когда у них есть возможность регулировки задержки на срабатывание.
При этом способе защиты выключателя В отключают неисправность, а выключателя А — контролируют весь процесс и находятся в готовности к работе. Если за время, отведенное для срабатывания защит В короткое замыкание не устранилось, то повреждение ликвидируется работой защит стороны А.
Энергетическая селективность защит
Метод основан на использовании специальных новых видов автоматических выключателей, выполненных в литом корпусе и способных максимально быстро работать, когда токи коротких замыканий еще даже не успели достичь своих максимальных значений.
Подобные скоростные автоматы работают в течение нескольких миллисекунд, когда еще действуют апериодические составляющие переходных процессов. В таких условиях из-за высокой динамичности протекания нагрузок сложно согласовать реально действующие времятоковые характеристики защит.
Конечный пользователь практически не может отследить характеристики энергетической селективности. Их предоставляет производитель в виде графиков, программ расчета, таблиц.
При этом способе для расцепителей термомагнитного и электронного принципа, расположенных на стороне питания необходимо учесть специфические условия работы.
Зонная селективность защиты
Этот тип избирательности является разновидностью временно́й характеристики. Для его работы используются измерительные устройства тока на каждой стороне, между которыми постоянно происходит обмен информацией и сравнение векторов токов.
Зонная селективность может быть сформирована двумя способами:
1. в логическое устройство контроля защиты поступают одновременно сигналы с обоих концов контролируемого участка. Оно сравнивает значения поступивших токов и определяет выключатель, который должен быть отключен;
2. сведения о завышенных значениях векторов тока от обеих сторон поступают в виде блокировочного сигнала на логическую часть защиты более высокого уровня иерархии по стороне питания. Если на ней присутствует блокировочный сигнал снизу, то отключается нижерасположенный выключатель. Когда запрета на отключение снизу не поступило, то напряжение снимает вышерасположенная защита.
При этих способах отключение происходит намного быстрее, чем при временно́й избирательности. Это обеспечивает меньшие повреждения электрооборудования, снижение динамических и тепловых нагрузок внутри системы.
Однако, способ зонного разделения селективности требует создания дополнительных сложных технических систем измерения, логики и обмена информацией, что удорожает стоимость оборудования. По этим причинам такие методы, основанные на высокочастотной блокировке, применяются на высоковольтных линиях электропередач и подстанциях, передающих большие потоки мощности электроэнергии в непрерывном режиме.
Для этого используются быстродействующие воздушные, масляные или элегазовые выключатели, способные коммутировать огромные токовые нагрузки.