Максимальний струмовий захист

У нормальному режимі по лінії, трансформаторі, двигуні тече робочий струм, значення якого відомо і визначається номінальними параметрами.

Однак часом виникають аварійні, перехідні ситуації, коли відбуваються перерви харчування, внаслідок коротких замикань, самозапуску, перевантажень. Значення струму підвищується до величини, яка може призвести до порушення працездатності електричної мережі, виходу з експлуатації електрообладнання.

Щоб не відбувалося таких аварій, необхідно на етапі проектування передбачити методи захисту від перехідних струмів. Для цього служить релейний захист, зокрема захист від струмів короткого замикання - максимальний струмовий захист. Цей захист також відноситься до струмових, як і струмове відсікання.

На лініях з одностороннім живленням МТЗ встановлюється на початку лінії джерела живлення. Оскільки мережа може складатися з кількох ліній, то кожної з них ставлять свій комплект захистів. При пошкодженні на одній із ділянок лінії спрацює захист цієї ділянки та відключить лінію. Захист інших ліній відбудований за часом, таким чином дотримується селективність. Вони відключаться, не встигнувши спрацювати. Час спрацьовування збільшується у бік від споживача до системи.

На лініях із двостороннім харчуванням захист МТЗ є додатковим і досягнення селективності одними лише засобами витримки часу є неможливим. Тому у таких мережах застосовуються спрямовані захисту.

Класифікація МТЗ

Максимальні струмові захисту класифікуються на трифазні та двофазні (залежно від схеми виконання), залежно від способу живлення (з постійним або змінним опертоком), захисту із залежною та незалежною характеристикою.

Принцип дії максимального струмового захисту

При досягненні струмом величини уставки подається сигнал спрацьовування реле часу із заданою витримкою часу. Потім після реле часу сигнал йде на проміжне реле, яке миттєво відправляє струм у ланцюг відключення вимикача.

У залежних захистів витримка часу визначається уставкою на реле, у незалежних - витримка залежить від величини струму. Залежні захисту простіше відбудовувати та узгоджувати.

Схема захисту МТЗ

На малюнку вище наведено схему максимального струмового захисту - струмові ланцюги та ланцюги управління.

Параметри та розрахунок максимального струмового захисту

МТЗ не може поєднувати в собі функцію захисту від навантаження, оскільки дія МТЗ повинна відбуватися якомога швидше, а захист від навантаження має діяти, не відключаючи допустимі короткочасні струми навантаження або пускові струми при самозапуску електродвигунів.

1. Тобто перша умова вибору МТЗ – відбудова від максимального робочого струму навантаження
2. Після спрацювання захисту реле повинне повернутися до робочого положення. Струм повернення повинен бути більшим за максимальний робочий струм, з урахуванням самозапуску, після запобігання порушенню постачання
3. Струм спрацьовування захисту дорівнює коефіцієнту запасу віднесений до коефіцієнта повернення і помножений на коефіцієнт запуску та максимальний робочий струм
4. Струм спрацьовування реле залежить від коефіцієнта схеми (залежить від реле), струму спрацьовування захисту віднесених до коефіцієнта трансформатора струму
5. Чутливість захисту визначається відношенням мінімального струму короткого замикання в кінці зони захисту до струму спрацьовування захисту
6. Ступінь часу для узгодження витримок часу залежить від витримки часу сусіднього захисту, похибки уповільнення реле часу сусіднього захисту, часу вимкнення вимикача сусіднього захисту. Для захисту із незалежною витримкою часу цей час може бути 0,4-0,5с, для захисту із залежною - 0,6-1с

До переваг МТЗ належить їхня простота і наочність, надійність, невисока вартість. До недоліків можна віднести великі витримки часу поблизу джерел живлення, хоча саме там струми короткого замикання повинні швидко відключатися.

Максимальний струмовий захист є основним у мережах до 10кВ, однак застосування він знайшов і в мережах вище 10кВ.

Як працює максимальний струмовий захист

Короткі замикання є одними із найважчих видів аварій в електричних мережах. Виникають при КЗ струми своїм термічним і динамічним впливом виводять з ладу електрообладнання та завдають іншої шкоди, тому для попередження важких наслідків в електроустановках широко застосовують струмові захисту.

Основні завдання та цілі максимального струмового захисту

Одним із видів струмових захистів в електриці є МТЗ (це розшифрування означає «максимальний струмовий захист»). Вона застосовується в електричних мережах з одностороннім живленням як до 1000 В, так і вище за 1000 В. Її призначення — захист електроустаткування від струмів короткого замикання в позаштатних ситуаціях. Будь-який пристрій РЗА повинен відповідати вимогам:

• надійності;
• селективності;
• швидкодію;
• чутливість.

Максимальний струмовий захист при правильному підході може досягти всіх цілей.

У мережах складної конфігурації (з двома або більше джерелами живлення) МТЗ застосовується як допоміжні захисти.

Принцип дії МТЗ

Принцип дії МТЗ, здавалося б, простий. При підвищенні струму вище встановленого порога спрацьовує реле. Його контакти запускають таймер, а після закінчення заданої витримки у схему автоматики формується сигнал на вимкнення.

Насправді, ця простота у світлі перелічених вимог до релейного захисту вимагає вдумливого підходу до вибору уставок після ретельного аналізу існуючої мережі.

У мережах понад 1000 В датчиками струму для МТЗ є трансформатори струму, пороговим пристроєм – реле струму (РТ), для відліку часу – реле часу (РВ). Виконання реле може бути як класичним електромеханічним, так і сучасним електронним, включаючи програмовані блоки релейного захисту (МТЗ входить до їхнього складу). Пороговий пристрій та таймер можуть бути об'єднані і в електромеханічних реле (наприклад, РТ-80), де забезпечується залежна характеристика спрацьовування.

У мережах до 1000 В максимальний струмовий захист реалізується на базі розчіплювачів автоматичних вимикачів, які також можуть бути як класичними на основі біметалічних пластин, так і електронними, що формують теплову характеристику спрацьовування.

Відмінність струмового захисту від струмового відсічення

Іншим видом поширеного струмового захисту є струмове відсікання (ТО), воно має те ж саме призначення і принцип дії. Різниця між МТЗ неочевидна, проте, це два принципово різні види захистів.

Аналізуючи реальні карти уставок, недосвідчений у РЗА фахівець виявить, що уставки спрацьовування відсічок вище, ніж у МТЗ, при цьому витримка часу у ТО відсутня.На підставі цього напрошується неправильний висновок, що основна відмінність у тому, що максимальний струмовий захист спрацьовує із затримкою при невеликому струмі, а відсікання – без паузи при підвищеному. Насправді це не так. Можна ввести затримку спрацьовування ТО і вона не перестане бути відсіканням. Можна прибрати витримку часу для максимального струмового захисту, і вона не перестане бути МТЗ.

Принципова різниця між МТЗ і струмовим відсіканням у способах досягнення селективності – здатність пристрою РЗА відключати тільки пошкоджену ділянку мережі та залишати в роботі непошкоджені ділянки.

Нехай є система, що складається з трьох комплектів збірних шин Ш1, Ш2, Ш3, підключених послідовно і живляться одна від одної (згори донизу малюнку). При виникненні КЗ в точці K3 струм короткого замикання піде через всі три комплекти трансформаторів струму захисту МТЗ 1..МТЗ 3. За умовами селективності потрібно, щоб відключався тільки вимикач B3 і знеструмлювалися шини Ш3, а Ш2 і Ш1 залишалися в роботі (В1 і В2 не відключалися). При КЗ в точці К2 треба відключити тільки В2, залишивши в роботі Ш1, і лише при КЗ в точці К1 відключається вимикач В1 і всі три системи шин знеструмлюються.

Якщо захист від КЗ виконано як МТЗ, це досягається часом уставки спрацьовування. При КЗ у точці К3 щонайменше має захист МТЗ 3. Через 0,5 секунди вона спрацює, відключивши В3, а захисту МТЗ 1 і МТЗ 2 спрацювати не встигнуть. При КЗ у точці K2 спрацює вимикач В2, залишивши у роботі шини Ш1, і лише за КЗ у точці К1 відключиться вимикач В1, знеструмивши всі шини.

Інша річ, якщо замість МТЗ усі вимикачі оснащені струмовими відсіченнями.Уставка ТО вибирається так, щоб поза зоною дії, позначеної червоною лінією на схемі, її чутливості було недостатньо для спрацьовування. Іншими словами, селективність струмового відсічення вибирається шляхом обмеження зони дії:

1. ТО вимикачів В1 і В2 не відчують КЗ в точці 3.
2. ТО вимикача В1 не відчує КЗ у точках 2,3.

Так досягається відключення лише «хворої» ділянки.

Насправді кожному вимикачі встановлюють одночасно і ТО, і МТЗ – обидві захисту дублюють одне одного, здійснюючи принцип ближнього резервування.

Формула розрахунку струму для спрацьовування захисту

Уставка спрацьовування МТЗ вибирається так, щоб захист не спрацьовував у всьому діапазоні струмів навантаження аж до максимального струму (червона зона на малюнку):

Ісраб>Інагрmax

На практиці треба забезпечити неспрацьовування захисту при максимальному струмі з урахуванням похибок трансформаторів струму та реле. Для цього вводиться коефіцієнт надійності, що дорівнює 1,2..1,5. З його урахуванням уставка має бути ще вищою. Ісраб>Кн*Інагрmax (Фіолетова зона).

Але уставка є ще й обмеження зверху. Якщо вона буде вищою за струм короткого замикання, то при виникненні КЗ захист не спрацює – не вистачить струму. За умовами забезпечення чутливості уставка МТЗ повинна забезпечувати чутливість (ставлення струму КЗ та уставки спрацьовування) не менше 1,5. Отже, верхня межа спрацьовування може бути трохи більше Iкз/Кч (синя зона), де Кч – коефіцієнт чутливості, у разі дорівнює 1,5. Отже, уставку спрацьовування МТЗ можна вибрати в межах:

Iкз/Кч >Ісраб>Кн*Інагрmax (Між фіолетової та синьою зонами на малюнку).

Крім того, треба забезпечити надійне повернення реле при короткочасних (менше часу спрацьовування реле струму) сплесках струму.Для цього у формулу вводиться коефіцієнт повернення реле Квіз. Остаточно формула вибору уставки виглядає так:

Iкз/Кч >Ісраб>Кн*Інагрmax/Квіз

При розрахунку Інагрmax треба врахувати струм самозапуску електродвигунів (якщо вони є) та кількість двигунів, яка може запуститися одночасно.

Типи максимального струмового захисту

Залежно від застосованого електрообладнання, на практиці застосовуються різні типи максимального струмового захисту.

МТЗ із пуском (блокуванням) за напругою

При використанні малопотужних джерел живлення (генераторів власних потреб), що видають відносно невеликий порівняно з існуючим навантаженням, струм КЗ, зона вибору уставки МТЗ значно звужується. Крім того, може виникнути ситуація, коли неможливо узгодити уставку з неспрацьовування за максимального струму навантаження та за умов чутливості (тоді фіолетові та синя зони на малюнку перетнуться). І тут беруть до уваги другий ознака короткого замикання – зниження напруги.

Вважається, що самозапуск двигунів, на відміну від КЗ, не викличе помітного просідання напруги на шинах.

Так можна організувати МТЗ з пуском (або з блокуванням, що одне й те саме) за напругою. Захист спрацює:

• при підвищенні струму понад струм тривалого нормального навантаження Інорм (цей струм не враховує самозапуск двигунів і може бути приблизно в 1,5...2 рази нижче максимального струму);
• при зниженні напруги на 10...20 % від номінальної напруги.

Отже, можна зрушити уставку спрацьовування струмом вниз, забезпечивши чутливість і не отримавши помилкових спрацьовувань в штатному режимі.

МТЗ генератора

Максимальний струмовий захист застосовується і як один із захистів генератора (зазвичай для захисту від зовнішніх КЗ). У цьому випадку трансформатори струму встановлюються у нульовій коробці генератора. Вибір струму спрацьовування здійснюється за максимально допустимим струмом генератора без урахування струму навантаження:

Ісраб>Iген max*1,2

При виборі уставки необхідно враховувати умови чутливості захисту.

Якщо не вдалося забезпечити достатню чутливість, МТЗ генератора можна виконати з пуском по напрузі.

МТЗ із залежною характеристикою

У деяких випадках застосовують МТЗ із залежною характеристикою. Це означає, що час спрацьовування залежить від струму короткого замикання (чим вищий струм, тим менший час спрацьовування). Такі захисту будують на спеціальних реле (РТ-80, РТ-90), у цьому випадку додаткове реле часу не потрібно або на мікропроцесорних модулях.

Залежність часу спрацьовування реле РТ-80 від кратності струму КЗ

Максимальний струмовий захист: МТЗ, принцип дії, реалізація, схеми, вибір уставок

При короткому замиканні струм у лінії збільшується. Ця ознака використовується для виконання струмових захистів. Максимальний струмовий захист (МТЗ) набуває чинності при збільшенні струму у фазах лінії понад певне значення.

Токові захисту поділяються на МТЗ, у яких забезпечення селективності використовується витримка часу, і струмові відсічки, де селективність досягається вибором струму спрацьовування. Таким чином, головна відмінність між різними типами струмових захистів способу забезпечення селективності.

МТЗ із незалежною витримкою часу

МТЗ – основний захист повітряних ліній з одностороннім харчуванням. МТЗ оснащуються не тільки ЛЕП, але також силові трансформатори, кабельні лінії, потужні двигуни напругою 6, 10 кВ.

Розташування захисту на початку кожної лінії джерела живлення. На рис. 4.2.1 зображено дію захисту при КЗ у точці До. Витримки часу захистів підбираються за ступінчастим принципом і залежить від величини струму, що протікає по реле.

Схеми захисту МТЗ

Трифазна схема захисту МТЗ на постійному оперативному струмі

Схема захисту представлена ​​на рис.4.2.2: Основні реле:

• Пусковий орган - струмові реле КА.
• Орган часу – реле часу КТ.

Допоміжні реле:

Проміжне реле встановлюється у тих випадках, коли реле часу не може замикати ланцюг котушки відключення YAT через недостатню потужність своїх контактів. Блок-контакт вимикача SQ служить для розриву струму, що протікає по котушці відключення, оскільки контакти реле проміжних не розраховуються на розмикання.

Двофазні схеми захисту МТЗ на постійному оперативному струмі

У тих випадках, коли МТЗ має реагувати тільки при міжфазних КЗ, застосовуються двофазні схеми з двома або одним реле, як дешевші.

Двухрелейна схема

Переваги

1. Схема реагує попри всі міжфазні КЗ на лініях.

2. Економічніше трифазної схеми.

Недоліки

Менша чутливість при 2-фазних КЗ за трансформатором зі з'єднанням обмоток Y/–11 гр. (У два рази менше ніж у трифазної схеми).

При необхідності чутливість можна підвищити, встановивши третє струмове реле у загальному дроті струмових ланцюгів. Чутливість підвищується вдвічі – схема стає рівноцінною за чутливістю з трифазною.

Схеми широко застосовуються в мережах з ізольованою нейтраллю, де можливі лише міжфазні КЗ

двофазні схеми застосовуються як захист від міжфазних КЗ і в мережах з глухозаземленной нейтраллю, при цьому для захисту від однофазних КЗ встановлюється додатковий захист, що реагує на струм нульової послідовності.

Однорелейна схема МТЗ

Схема реагує попри всі випадки міжфазних КЗ.

Переваги

Тільки одне струмове реле.

Недоліки

1. Найменша чутливість порівняно з 2 – релейною схемою при КЗ між фазами АВ та ВС.
2. Недія захисту при одному з трьох можливих випадків 2-фазних КЗ за трансформатором із з'єднанням обмоток Y/–11 гр.
3. Нижча надійність – при несправності єдиного струмового реле відбувається відмова захисту. Схема застосовується у розподільчих мережах 6…10 кВ та захисту електродвигунів.

Вибір струму спрацьовування захисту МТЗ

Захист повинен надійно спрацьовувати при пошкодженнях, але не повинна діяти при максимальних струмах навантаження та її короткочасних поштовхах (наприклад, запуск двигунів).

• Дуже чутливий захист може призвести до невиправданих вимкнень.
• Головне завдання при виборі струму спрацьовування полягає у надійному відбудові захисту від струмів навантаження.

Існують дві умови визначення струму спрацьовування захисту.

Перше умова. Токові реле не повинні діяти від струму навантаження:

Іс.з>Ін.макс, (4.1)

де Іс.з - Струм спрацьовування захисту (найменший первинний струм у фазі лінії, необхідний для дії захисту);

Ін.макс - Максимальний робочий струм навантаження.

Друга умова. Токові реле, що спрацювали при КЗ в мережі, повинні надійно повертатися у вихідне положення після відключення КЗ при робочому струмі, що залишився в лінії, що захищається.

При КЗ входять у дію реле захисту I і II (рис.4.2.1).Після відключення КЗ захистом I проходження струму КЗ припиняється і струмові реле захисту II повинні повернутися у вихідне положення.

Струм повернення реле повинен бути більше струму навантаження лінії, що проходить через захист II після відключення КЗ

І цей струм у перші моменти часу після відключення КЗ має підвищене значення через пускові струми електродвигунів, які при КЗ гальмуються внаслідок зниження (при КЗ) напруги:

Івоз>кзІн.макс. (4.2)

Збільшення Ін.макс, Викликане самозапуском двигунів, оцінюється коефіцієнтом запуску kз.

Облік самозапуску двигунів є обов'язковим.

Iвоз = kнkзІн.макс, (4.3)

де kн - Коефіцієнт надійності, що враховує можливу похибку у величині струму повернення реле, kн = 1,1 ... 1,2.

Струм спрацьовування захисту залежить від коефіцієнта повернення, для зниження Iс.з необхідно збільшувати kвоз, він повинен бути на рівні від 0,85 і вище.

Визначення величини Iн. індивідуально для конкретного об'єкта, що захищається, нижче наведено два приклади

1. Паралельні лінії: Iн.макс = Iнагр.

2. Лінії, які живлять споживача: Iн.макс = I1 + I2.

Чутливість захисту МТЗ

Струм спрацьовування захисту Iс.з перевіряється за умовою чутливості захисту.

Значення kч для різних типів захисту нормується. В основній зоні kч зазвичай дорівнює 1,5; у зоні резервування допускається 1,2.

Витримка часу захисту МТЗ

Задля більшої селективності витримки часу МТЗ вибираються за ступінчастим принципом (див. рис. 4.2.1). Різниця між часом дії захисту двох суміжних ділянок називається ступенем часу (ступенем селективності):

t = t2-t1. (4.7)

Ступінь часу t має бути такою, щоб при КЗ на лінії w2, МТЗ II (див. рис. 4.2.1) не встигала спрацювати.

Визначення ступеня селективності часу

При КЗ у точці До захист I працює протягом часу

tзI=tввI+tпI+tвI, (4.8)

де tввI - Витримка часу захисту I;

tпI – похибка у бік уповільнення реле часу захисту I;

tвI – час вимкнення вимикача Q1.

Умова неспрацьовування захисту II при КЗ на лінії w2

tввII>tввI+tпI+tвI. (4.9)

Витримка часу захисту II може бути визначена як

tввII=tввI+tпI+tвI+tпII+tзап, (4.10)

де tпII – похибка у бік зниження витримки часу захисту II; tзап - час запасу.

Таким чином, мінімальний ступінь часу t може бути обчислений як

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

За формулою (4.11) визначається ступінь часу для захисту із незалежною характеристикою часу спрацьовування від струму.

Рекомендується приймати t = 0,35 ... 0,6 с.

Вибір часу захисту МТЗ

Для МТЗ із незалежною витримкою часу витримка часу захисту обчислюється за формулою (4.12), розрахунок починається від МТЗ, встановлених у споживачів електроенергії (див. рис. 4.2.11):

tвв(n) = tвв(n-1) + t. (4.12)

t1=0; t2=0,5с; t3=1с; t4=1,5с; t5 = 2с.