Токовая отсечка. расчет и принцип действия

Мтз с независимой выдержкой времени

МТЗ – основная защита для воздушных линий с односторонним питанием. МТЗ оснащаются не только ЛЭП, но также и силовые трансформаторы, кабельные линии, мощные двигатели напряжением 6, 10 кВ.

Рис. 4.2.1

Расположение защиты в начале каждой линии со стороны источника питания. На рис. 4.2.1 изображено действие защит при КЗ в точке К. Выдержки времени защит подбираются по ступенчатому принципу и не зависят от величины тока, протекающего по реле.

Трехфазная схема защиты МТЗ на постоянном оперативном токе

Схема защиты представлена на рис.4.2.2: Основные реле:

Пусковой орган – токовые реле КА.
Орган времени – реле времени КТ.

Вспомогательные реле:

KL – промежуточное реле;
KH – указательное реле.

Рис. 4.2.2

Промежуточное реле устанавливается в тех случаях, когда реле времени не может замыкать цепь катушки отключения YAT из-за недостаточной мощности своих контактов. Блок-контакт выключателя SQ служит для разрыва тока, протекающего по катушке отключения, так как контакты промежуточных реле не рассчитываются на размыкание.

В тех случаях, когда МТЗ должна реагировать только при междуфазных КЗ, применяются двухфазные схемы с двумя или одним реле, как более дешевые.

Двухрелейная схема

Рис. 4.2.3

Достоинства

1. Схема реагирует на все междуфазные КЗ на линиях.

2. Экономичнее трехфазной схемы.

Недостатки

Меньшая чувствительность при 2 – фазных КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/–11 гр. (В два раза меньше чем у трехфазной схемы).

Рис. 4.2.4

При необходимости чувствительность можно повысить, установив третье токовое реле в общем проводе токовых цепей. Чувствительность повышается в два раза – схема становиться равноценной по чувствительности с трехфазной.

Схемы широко применяются в сетях с изолированной нейтралью, где возможны только междуфазные КЗ.

двухфазные схемы применяются в качестве защиты от междуфазных КЗ и в сетях с глухозаземленной нейтралью, при этом для защиты от однофазных КЗ устанавливается дополнительная защита, реагирующая на ток нулевой последовательности.

Одно-релейная схема МТЗ

Рис. 4.2.5

Схема реагирует на все случаи междуфазных КЗ.
Достоинства
Только одно токовое реле.
Недостатки

Меньшая чувствительность по сравнению с 2 – релейной схемой при КЗ между фазами АВ и ВС.
Недействие защиты при одном из трех возможных случаев 2 – фазных КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/–11 гр.
Более низкая надежность – при неисправности единственного токового реле происходит отказ защиты. Схема применяется в распределительных сетях 6…10 кВ и для защиты электродвигателей.

Рис. 4.2.6

Выбор тока срабатывания защиты МТЗ

Защита должна надежно срабатывать при повреждениях, но не должна действовать при максимальных токах нагрузки и её кратковременных толчках (например, запуск двигателей).

Слишком чувствительная защита может привести к неоправданным отключениям.
Главная задача при выборе тока срабатывания состоит в надежной отстройке защиты от токов нагрузки.

Существуют два условия определения тока срабатывания защиты.

Первое условие. Токовые реле не должны приходить в действие от тока нагрузки:

Iс.з>Iн.макс, (4.1)

где Iс.з – ток срабатывания защиты (наименьший первичный ток в фазе линии, необходимый для действия защиты);

Iн.макс – максимальный рабочий ток нагрузки.

Второе условие. Токовые реле, сработавшие при КЗ в сети, должны надёжно возвращаться в исходное положение после отключения КЗ при оставшемся в защищаемой линии рабочем токе.

При КЗ приходят в действие реле защит I и II (рис.4.2.1). После отключения КЗ защитой I прохождение тока КЗ прекращается и токовые реле защиты II должны вернуться в исходное положение.

Ток возврата реле должен быть больше тока нагрузки линии, проходящего через защиту II после отключения КЗ.

И этот ток в первые моменты времени после отключения КЗ имеет повышенное значение из–за пусковых токов электродвигателей, которые при КЗ тормозятся вследствие понижения (при КЗ) напряжения:

Рис. 4.2.7

Iвоз>kзIн.макс . (4.2)

Увеличение Iн.макс, вызванное самозапуском двигателей, оценивается коэффициентом запуска kз.

Учет самозапуска двигателей является обязательным.

При выполнении условия (4.2) выполняется и условие (4.1), так как IвозtввI+tпI+tвI. (4.9)

Выдержка времени защиты II может быть определена как
tввII=tввI+tпI+tвI+tпII+tзап, (4.10)
где tпII – погрешность в сторону снижения выдержки времени защиты II; tзап – время запаса.
Таким образом, минимальная ступень времени t может быть вычислена как

t=tввII – tввI=tпI+tвI+tпII+tзап. (4.11)

По формуле (4.11) определяется ступень времени для защит с независимой характеристикой времени срабатывания от тока.

Рекомендуется принимать t =0,35…0,6 с.

Устройство и особенности МТЗ

Принцип действия максимальной токовой защиты трансформатора подобен принципу работы токовой отсечки.Сигнал выключения электропитания формируется при условии роста потребляемого тока выше порогового значения (уставки). Различаются эти системы лишь тем, что отсечка действует практически без задержки, а максимальные токовые защиты трансформаторов выключает питание спустя некоторое время, именуемое выдержкой времени.

Ее размер зависит от расположения защищаемого устройства. Он должен быть тем меньше, чем дальше находиться участок сети от источника питания (ИП). Для самых удаленных потребителей она делается как можно меньшей. А МТЗ участка электросети, расположенного ближе срабатывает с выдержкой, превышающей минимальную на величину ступени селективности.

Которая зависит от времени срабатывания защитного устройства. Это необходимо для того, чтобы после появления неисправности в какой-либо части системы защитная аппаратура более близкой области не сработала раньше, той в которой появился дефект. Если же автоматика вышедшего из строя участка не среагирует, то по окончании времени выдержки придет в действие защитное устройство более близкой к ИП области. Оно и отключит поврежденную область вместе со своей.

Из сказанного выше следует, что принцип действия токовой мтз трансформатора предъявляет к выдержке 2 противоположные требования. Чтобы исключить преждевременное обесточивание потребителей расположенных к ИП ближе места аварии она должна быть несколько больше времени срабатывания МТЗ. И в то же время как можно меньше для сведения ущерба от КЗ к минимуму.

Разновидности максимально-токовых защит

Ориентируясь на условия работы в конкретной электросети, можно выбрать один из четырех типов системы.

МТЗ с независимой от тока выдержкой времени

Параметр задержки здесь неизменен, период активации зависит только от ступени селективности: на каждом последующем отрезке время увеличивается на эту величину.

МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени

Используется расчет выдержки по нелинейной формуле. Параметр зависит от величины тока на обмотках. Используется в системах, где предохранение от избыточных нагрузок имеет особенную значимость для безопасности.

МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени

Здесь совмещены две компоненты: не зависящая от тока часть и зависящая, причем у последней время-токовая характеристика имеет вид гиперболы. Чем больше перегрузка, тем более пологий вид имеет графическое представление. Такая установка используется в высокомощных электромоторах.

МТЗ с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения

Здесь инициатором размыкания контактов становится разность потенциалов. Уставка привязывается к падению напряжения ниже определенной границы.

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 :

где I_с.з_. – минимальный первичный ток, на который должна реагировать защита, а I_{н. 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 I_вз– ток возврата, k_н_. – коэффициент надёжности, k_з – коэффициент самозапуска, I_{раб. макс}_.– величина максимального рабочего тока.

Для того чтобы токи возврата и срабатывания максимально приблизить, вводится коэффициент возврата, рассчитываемый по формуле:

k_в = I_вз/ I_с.з_. с учётом которого I_с.з.= k_н.×k_з.×I_{раб. макс}_. / k_в

В идеальном случае k_в = 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 k_в 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: t_сз = A / (k n — 1), где A, n – коэффициенты чувствительности, k = I_раб / I_ср — 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.

Рисунок 3. Характеристика МТЗ с зависимой выдержкой

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.

Максимальная токовая защита

Назначение:

Максимальная токовая защита (МТЗ)— вид релейной защиты, действие которой связано с увеличением силы тока в защищаемой цепи при возникновении короткого замыкания на участке данной цепи. Данный вид защиты применяется практически повсеместно и является наиболее распространённым в электрических сетях.

Принцип действия:

Принцип действия МТЗ аналогичен принципу действия токовой отсечки. В случае повышения силы тока в защищаемой сети защита начинает свою работу. Однако, если токовая отсечка действует мгновенно, то максимальная токовая защита даёт сигнал на отключение только по истечении определённого промежутка времени, называемого выдержкой времени. Выдержка времени зависит от того, где располагается защищаемый участок. Наименьшая выдержка времени устанавливается на наиболее удалённом от источника участке. МТЗ соседнего (более близкого к источнику энергии) участка действует с большей выдержкой времени, отличающейся на величину, называемую ступенью селективности. Ступень селективности определяется временем действия защиты, от которой эту выдержку времени. В случае короткого замыкания на участке срабатывает его защита. Если по каким-то причинам защита не сработала, то через определённое время (равное ступени селективности) после начала короткого замыкания сработает МТЗ более близкого к источнику участка и отключит как повреждённый, так и свой участок

По этой причине важно, чтобы ступень селективности была больше времени срабатывания защиты, иначе защита смежного участка отключит как повреждённый, так и рабочий участок до того, как собственная защита повреждённого участка успеет сработать. Однако важно так же сделать ступень селективности достаточно небольшой, чтобы защита успела сработать до того, как ток короткого замыкания нанесёт серьёзный ущерб электрической сети

Уставку (или величину тока, при которой срабатывает защита) выбирают, исходя из наименьшего значения тока короткого замыкания в защищаемой сети (при разных повреждениях токи короткого замыкания отличаются). Однако при выборе уставки следует так же учитывать характер работы защищаемой сети. Например, при самозапуске электродвигателей после перерыва питания, значение силы тока в сети может быть выше номинального, и защита не должна его отключать.

Реализация

Реализуется МТЗ, как правило, с помощью реле тока. Реле тока могут быть как мгновенного действия, так и срабатывающие с выдержкой времени, определяемой величиной тока. В первом случае для обеспечения необходимой выдержки времени дополнительно используют реле времени. В современных схемах релейной защиты и автоматики чаще всего используются микропроцессорные блоки защиты, которые сочетают в себе свойства этих реле.

Литература

1.«Релейная защита и автоматика систем электроснабжения» Андреев В. А. М. «Высшая школа» 2007 ISBN 978-5-06-004826-1
2.«Релейная защита энергетических систем» Чернобровов Н. В., Семенов В. А. М. Энергоатомиздат 1998 ISBN 5-283-010031-7
3.«Максимальная токовая защита» Шабад М. А. Ленинград. Энергоатомиздат. 1991

Токовая осечка при линиях с двухсторонним питанием

Для определения первого условия токовой осечки трансформатора и для их селективного действия нужно определить наибольшее показания тока при коротком замыкании, который будет находиться в линии на шинах двух участках (то есть на подстанциях).

Но существуют и другие условия для определения тока для разрыва на участке с двухсторонним питанием. В таких участках, на протяжение которых может произойти появление токов качания, из-за неупорядоченного включением или изменения устойчивости. Так возникает, второе условие для задействования отсечек — появление максимального тока качания.

Разновидности максимально-токовых защит

Максимально-токовые защиты по виду время-токовой характеристики подразделяются:

МТЗ с независимой от тока выдержкой временем
МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени
МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени

Применяются также комбинированный вид защиты МТЗ — Максимально-токовая защита с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения.

МТЗ с независимой от тока выдержкой времени

МТЗ с независимой от тока выдержкой времени имеет во всём рабочем диапазоне величину выдержки времени, независимую от тока (время-токовая характеристика в виде прямой, отстоящей от оси абсцисс на величину времени выдержки tсраб; при токе, равном и меньшем тока срабатывания время-токовая характеристика скачкообразно становится равной нулю).

МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени

МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени имеет нелинейную обратную зависимость выдержки времени от тока (обычно время-токовая характеристика близка к гиперболе, как к кривой постоянной мощности). Применение МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени позволяет учитывать перегрузочную способность оборудования и осуществлять т.н. «защиту от перегрузки».

МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени

Характеристика МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени состоит из двух частей, в первой части зависимость времени от тока-гиперболическая, вторая часть-независимая (или почти независимая)-время-токовая характеристика состоит из плавно сопряжённых гиперболы и прямой. Переход из независимой в зависимую часть характеристики может происходить при малых кратностях от тока срабатывания (150%)-т.н. «крутая характеристика», и при больших кратностях (300-400%)- т.н. «пологая характеристика» (обычно МТЗ с «пологой характеристикой» применяются для защит двигателей большой мощности для лучшей отстройки от пусковых токов).

МТЗ с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения

Для улучшения чувствительности МТЗ и отстройки её от токов нагрузки применяется ещё одна разновидность МТЗ — это максимальная токовая защита с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения (комбинация МТЗ и защиты минимального напряжения). Такая защита будет действовать только при повышении тока, большем или равном току уставки, сопровождающееся уменьшением напряжения в сети ниже напряжения уставки. При пуске двигателей ток в сети резко возрастает, что может привести к ложному срабатыванию защит. Для этого устанавливается реле минимального напряжения, которое не дает защитам отработать, т.к. напряжение в сети остается прежним, то и защиты соответственно не реагируют на резкое увеличение тока.

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.

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.

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

с целью локализации и обезвреживания междуфазных КЗ;
для защиты сетей от кратковременных перегрузок;
для обесточивания трансформаторов тока в аварийных ситуациях;
в качестве протектора при запуске мощного, энергозависимого оборудования.

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.

Инсталляция МТЗ

Поэтому чем ближе к ИП установлен блок защитного устройства, тем обширнее участок сети на возникновение, неисправности в котором она будет реагировать. К примеру, рассмотрим защиту понижающего трансформатора. Автоматика, установленная на кабель высокого напряжения ближе к ИП, среагирует на возникновение неисправности этого кабеля, устройств коммутации, самого трансформатора, проводки низкого напряжения и подключенных к ней потребителей. А при ее установке на шины пониженного напряжения возникающие дефекты трансформатора и подвода питающего напряжения останутся «незамеченными».

Следовательно, для максимального контроля участка сети защитой ее необходимо устанавливать на кабель, подающий питание возможно ближе к источнику. Но 1 защитное устройство для всего участка сети удобно в эксплуатации только при небольшом количестве потребителей на нем. Так как защитное отключение участка с большим числом электроприемников, во-первых, обесточивает не только вышедшей из строя потребитель, но и все исправные. А во-вторых не позволяет определить, в какой зоне произошла авария. Поэтому для удобства работы и облегчения содержания электросети в исправном состоянии следует также установить автоматику на стороне низкого напряжения.

Что называют отсечкой?

В самом начале обсуждения этой темы, следует ближе познакомиться с понятиями. Отсечкой называют мгновенную и действующую защиту. Она используется на специальных токовых участках. Зона применения имеет свои границы. Она ограничивает в определённом смысле распространение тока. А каков же принцип действия токовой отсечки?

Чтобы дать ответ на этот вопрос, достаточно напомнить принцип работу электрической сети. По мере удаления от источника питания происходит падение показателей тока. Происходит это из-за увеличения возникающего сопротивления. Именно в момент уменьшения показателей своё действие начинает токовая отсечка. Она должна предотвратить возникновение разного рода поломок и повреждений (например, в работе трансформатора). При этом показатели отсечки в трансформаторе или другой системе обязательно должны быть выше и мощнее показателей максимального значения тока.

Владельцам частных домов будет полезна статья о том, как подключить генератор к сети дома.

Из чего состоит такая форма защиты?

Рассматриваемый способ устранения возникающих коротких замыканий вначале рабочей зоны состоит из следующих элементов:

Цепь сигнализации. Работает на основе бинкеров. Такие цепи предназначены для анализа действия защиты, а также выступают в качестве помощника для оперативного персонала, который следит за состоянием работы схемы. Кроме того, цепи сигнализации способны контролировать действия цепей управления.
Измерительный орган. Располагается в реле тока. Измерительный орган срабатывает при возникновении металлического замыкания. Такое замыкания может случиться в конце зоны защиты. Эта составляющая часть отсечки реагирует на изменения даже при минимальной нагрузке.
Промежуточное реле. Реле тесно связано с измерительным органом. От измерительного органа передаётся напряжение на промежуточное реле. Поступивший на реле контакт далее попадает на силовой выключатель (соленоид отключения). Промежуточный орган отключает силовой выключатель.
Реле времени. Иногда в состав включён и этот элемент. Реле времени, как правило, располагается между исполнительным органом и измерительным. Главная задача временного реле — создание временной задержки во время срабатывания сразу нескольких защит.