Обеспечение селективного действия аппаратов защиты по оценке энергии дуги Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ АППАРАТОВ ЗАЩИТЫ ПО ОЦЕНКЕ ЭНЕРГИИ ДУГИ

В. С. Иващенко,

преподаватель Московского института энергобезопасности и энергосбережения

В настоящее время при проектировании электроустановок селективность аппаратов защиты реализуется исходя из каталожных данных, представляемых разработчиками. В соответствии с этими данными определяется предел селективности для каждой комбинации автоматических выключателей и для каждого типа расцепителей. Таким образом, существенными характеристиками аппаратов при их выборе для системы защиты являются качество сборки (подтверждаются сертификатами), стоимость и вероятность неселек-тивного срабатывания.

Естественная селективность является оригинальным методом обеспечения абсолютной селективности на всех уровнях при минимальных затратах и значительно упрощает проблему распределения энергии на низком напряжении. Суть этого метода состоит в следующем. Абсолютная селективность будет обеспечена, если для всех аварийных токов 1р энергия, прошедшая через нижерасположенный автоматический выключатель, окажется меньше энергии, необходимой для приведения в действие расцепителя автоматического выключателя, расположенного выше по цепи питания.

Для реализации данного метода необходимо использовать быстродействующие и токоограничивающие автоматические выключатели, отвечающие современному уровню развития систем электроснабжения, а именно:

- рост установленных мощностей и, как следствие, увеличение токов короткого замыкания и отключающей способности;

- снижение нагрузок на электроустановку за счет ограничения токов короткого замыкания и длительности его существования.

В статье рассматриваются различные токоограничивающие автоматические выключатели и расцепители с энергетической точки зрения.

Кривые 1;с=/(1р), используемые обычно для исследования селективности, неприемлемы для токоограничивающих автоматов при токах превышающих 251ном (что соответствует времени коммутации менее 10 мс при 50 Гц).

Если рассматривать селективность аппаратов в переходном режиме, то исследование энергетической селективности следует вести по двум основным характеристикам:

- волна тока, проходящая через автомат; при этом отключение характеризуется Джоулевым интегралом РсИ (часто выражаемым 14), который соответствует энергии отключения Ес;

- чувствительность расцепителя к энергии импульса прошедшего тока.

Таким образом, все характеристики представляются в виде кривой 14=/(1п) вместо 1:Р=/(1П) (рис.1). р Р

В соответствии с нормами МЭК 947-2 предусмотрено характеризовать автоматические выключатели кривой этого типа. В практических целях кривая 14= Д1р) представляется в двойной логарифмической системе координат. Предел отклонения 14 (Ес для автомата) находится между 104 и 107 А2с для ожидаемых токов короткого замыкания от 1 до 100 кА. То есть три декады масштаба для энергии Ес и две - для токов 1р.

км ©а тш

Принимая, что полуволна тока отключения эквивалентна полусинусоиде, которая имеет тот же наклон (di/dt), что и ожидаемый ток, энергия отключения Ес может быть выражена в функции от 1р по следующим выражениям:

- для t>10 мс:

Ec=Fpt; (3.1)

- для t< 10 мс:

Ec=4/Tptvc (3.2)

ИЛИ

3

Е -____I*__

4 2 11; (3.3)

где tyc - фиктивное время коммутации;

ic - максимальное значение (пик) тока i.

В масштабе логарифм-логарифм можно представить систему прямых времени коммутации для известной частоты (рис. 2).

Проведем прямые для / = 50 Гц:

- t = 20 мс - соответствует времени коммутации, наиболее часто встречающемуся, когда ток 1р выше уставки мгновенного срабатывания и ниже порога самопроизвольного отброса контактов:

Е„=12 - 2 - 10 2;

(3.4)

- t = 10 мс - время коммутации на пороге уставки токоограничения:

Е =Р • 10-2;

(3.5)

- t = от 9 до 4 мс - соответствует работе автомата в режиме токоограничения:

Ec=Pt3vc ' Ю4.

(3.6)

В соответствии с выражением (3.3) сеть кривых максимумов токов, соответствующая пикам ограничения токов, может быть нанесена на основную систему времени отключения (рис. 2).

Следует отметить, что это представление может быть применимо для автоматических выключателей и расцепителей при 50 Гц для трех, двух- и однофазных коротких замыканий.

Характеристика Pt Джоулева интеграла, который проходит через автомат, есть результат обычных (натурных) испытаний или численных расчетов при известных напряжении и частоте. Кривые соответствуют трехфазному короткому замыканию при 400 В/50 Гц. Такие же кривые могут быть изображены для другой частоты и напряжения. Представленные значения являются максимально возможными, полученными при разных углах включения (рис.З).

Характеристика, представленная на рис. 3, соответствует автоматическому выключателю Compact NS 1НОМ=250 А, имеющему электромеханический расцепитель с малым пределом времени задержки (CRD) и уставкой магнитного расцепи-теля 10 1ном. Участки характеристики соответствуют различным фазам отключения токоограничивающим автоматом в зависимости от величины ожидаемого тока короткого замыкания 1р:

- точка А: ток аварийного режима достигнет уровня срабатывания расцепителя; типичное

токоограничивающего аппарата с электронным расцепителем

время срабатывания для расцепителя мгновенного действия или расцепителя с временной задержкой 50 мс;

- точка В: аварийный ток превышает уставку срабатывания расцепителя; время отключения снижается и стабилизируется на 20 мс, начиная с

16 1ном;

- точка С: ток аварийного режима находится на пороге отбрасывания контактов; ток находится в начале токоограничения за счет появления напряжения на дуге при отбросе контактов. Это ограничение зависит от фазы тока и напряжения и выра-

Рис.2

Координатная сетка

для представления графиков энергий

- виртуальное время отключения (^с) в функции от ожидаемого тока короткого замыкания 1р|

- величина пика токоограничения в функции от ожидаемого тока короткого замыкания 1р|

- ток, выше которого 1ус<10 мс (начало токоограничения).

Расцепители автоматических выключателей характеризуются по собственному времени отключения на известном токе (волна, полуволна).

Варьируя длительность и величину тока 1р, соответствующих областей токоограничения данного автомата, путем последовательных испытаний была получена серия точек для данного автоматического выключателя.

Мгновенный расцепитель состоит, в общем случае, из магнитопровода 11-образной формы и якоря, он обеспечивает защиту от токов короткого замыкания. Его собственное время срабатывания менее 50 мс на пороге (уставка) срабатывания (находится от 51п до 101п), затем резко уменьшается ниже 10 мс, когда ток увеличивается (рис. 4).

Расцепитель БШ - мгновенный расцепитель с высокой уставкой срабатывания. Этот тип расце-пителя применяется для обеспечения временной селективности и ограничения термического воздействия тока короткого замыкания 1„ на электроустановку и аппарат. Расцепитель Е)Ш - мгновенный расцепитель с уставкой, в несколько десятков раз превышающей 1ном, и может быть как электромагнитного, так и электронного типа.

жается в снижении времени отключения от 20 до 10 мс по фазе увеличения тока 1р;

- точка Д: ток достигает 1,7 порога отбрасывания контактов; энергия отбрасывания контактов достаточна для их полного разведения; время отключения 10 мс. Это отключение самопроизвольно и независимо. Однако для фиксации автомата в отключенном состоянии и предотвращения повторного замыкания требуется действие расцепителя;

- зона Е: ток превышает в 2 раза порог отбрасывания контактов; токоограничение становится все более и более эффективным, что выражается в сокращении времени отключения;

- точка Е: - конец кривой - означает предел отключающей способности автомата.

Таким образом, представленная кривая несет очень важную информацию, а именно:

- порог срабатывания автомата (1уСТ, точка А);

- энергия отключения 14 в функции ожидаемого тока короткого замыкания 1„;

- ток начала отброса контактов (1г, точка С);

- предел отключающей способности Р^с (точка Е);

А2-с

(10 1п)

Рис.З Энергия отключения

для токоограничивающего выключателя

Расцепитель с постоянной уставкой замедления - мгновенный расцепитель, оборудованный системой запаздывания типа "часовой", для получения селективного отключения по отношению к нижерасположенному автомату. Временная задержка лежит в диапазоне от 10 до 500 мс и регулируется дискретно. На рис. 4 приведена кривая (ступень 20 мс), соответствующая короткой задержке.

Если необходимо ограничить значительное термическое воздействие 14 на данной уставке, то это, как правило, реализуется с помощью расщепителя БШ (рис. 4).

Расцепитель с регулируемой уставкой временной задержки - расцепитель, в котором временная задержка реализуется за счет инерции масс. Эта задержка обратно пропорциональна 1р.

Расцепитель электронный - мгновенный расцепитель, реагирующий на действующее и мгновенное амплитудное значение тока. Его характеристика 14 для больших токов 1р - теоретическая прямая линия 1с=соп81. Практически эффективен при длительности импульса тока, превышающего время механической реакции подвижных контактов автомата (обычно 4 мс). В случае, если это время менее 4 мс, инерция электромеханической части расцепителя приводит к тому, что для больших токов *р характеристика электронного расцепителя повторяет характеристику мгновенного электромеханического расцепителя. Отсюда следует необходимость в сравнении характеристик Ес=/(1р) электронных расщепителей с характеристиками электромагнитных расце-пителей, при проведении испытаний с аналогичными условиями для каждого.

Расцепители могут быть как мгновенными, так и с задержкой. Возможно сочетание различных типов электронных расцепителей, например:

- от 10 до 15 1п короткая задержка СИ (40 мс);

- от 15 до 30 1п короткая задержка СБ, (10 мс);

- выше 30 1п - мгновенный расцепитель.

На рис. 5 приведен пример сочетания различных кривых, которые согласуются с рис. 1 по энергии отключения для автоматического выключателя с электронным расцепителем.

Расцепители с детектором дуги. В общем случае, в сочетании с электронными расцепи-телями, детектор (распознаватель) дуги может быть использован для более надежной защиты:

1 I 3 5 10 30

(101ном)

Рис.4 Кривые энергия отключения

для электромагнитных расцепителей различных типов

Р

3

(10 ІП)

Рис.5 Примеры сочетания характеристик электронных расцепителей

- в ячейке: если дуга появляется в ячейке, определитель дуги дает команду вводному автомату на отключение;

селективный автомат: детектор дуги, помещенный в дугогасительную камеру, через электронный расцепитель дает команду на мгновенный расцепитель автомата.

Таким образом, может быть осуществлена самозащита аппарата, и это позволяет его использовать вплоть до его предельной электродинамической стойкости.

Расцепитель давления. В автомате появляется давление в дугогасительной камере как следствие воздействия на автомат энергии дуги отключаемого тока. Это давление, начиная с некоторого уровня тока 1р , может стать средством определения и отключения.

Реализация данного метода возможна путем направленного действия расширяющегося газа в дугогасительной камере на поршень, предающий команду на систему отключения автомата (рис. 6).

Расцепитель давления может быть использован:

- для надежной автозащиты селективного автомата (как детектор дуги);

- для улучшения работы автомата в процессе отключения и надежности работы быстродействующего токоограничивающего автомата.

Если каждый автомат будет оборудован калиброванным расцепителем давления,селективность между автоматами разных номиналов может быть гарантирована для любых токов 1р свыше 20 1ном-

Этот расцепитель является естественным (Pt=const), и принцип его действия лежит в основе энергетической селективности. Реализована данная идея в автоматическом выключателе серии Compact NS.

Итак, расцепители могут быть электромеханического, электронного и смешанного типа и должны в наибольшей степени соответствовать следующим критериям:

- минимальные нагрузки на электроустановку (ограничение максимума тока ic и Pt);

- гарантированное отключение (надежность);

- минимальные воздействия при аварии для неповрежденной части электроустановки (глубина провала напряжения);

- простота обеспечения селективности.

Минимальные нагрузки на электроустановку.

Расцепитель давления совместно с расцепителем CRD с короткой задержкой времени, зависящей от тока отключения, электромагнитным или электронным с CR двойной короткой задержкой времени позволяет наилучшим образом обеспечить приведенные выше требования.

На рис. 7 показана "энергетическая чувствительность" этой комбинации. Для значительных

Pl < р2 Рз

^ JL

т

дугогасительны

камеры

"Ч - т-

\ [

Pi » ?2 и Р3 r^J *

клапаны

поршень

Рис.6 Принцип работы расцепителя давления при аварии в фазе 1

отключению с квазиэнергией Pt. Это энергия, которая проходит через токоограничивающий автомат, когда отключение следует по этому закону с небольшим отклонением от константы.

Сравним характеристики с ранее рассмотренными токоограничивающими автоматами других типов. Возьмем пример на рис.З для автомата Compact NS 250 А при 1р=40 кА:

- время отключения 4 мс;

- амплитуда тока 20 кА;

- энергия 14=8 • 105 А2с (рис. 4).

Сравнивая с рис.7, видим различия:

- время отключения < 3 мс;

- амплитуда тока < 20 кА;

- энергия Pt < 6 ■ 105 А2с.

It,

А2-с

В Е

10'

10°

10-

i = 40 кА 2,5 ms

i = 20 кА

i = ЮкА

i = 5 кА

10'

10

30

50 100

- Tp (кА)

токов короткого время реакции

замыкания

снижается,

Р

это

помимо

ведет

того, что еще и к

Рис.7 Кривые объединенных характеристик расцепителей (электромагнитного от давления и электронного)

и

X

т

u,

а

а) принципиальная схема

в) диаграмма для токоограничивающего автомата

Рис. 8 Провал напряжения при коротком замыкании для различных типов автоматов

Надежность функционирования. Расщепитель давления является частью механизма свободного расцепления в режиме короткого замыкания и зависит от величины (тока) автомата.

Расцепитель СРШ, регулируемый, электромеханического (рис.4) или электронного (рис. 5) типов технически конструктивно не зависит от расщепителя давления. Этот аспект повышает надежность

работы.

Глубина провала напряжения. В электроустановках снижение напряжения вызывает отключение

автоматов и контакторов за счет расщепителей минимального напряжения.

Их преждевременное отключение, вследствие падения напряжения, вызванное коротким замыканием, влечет за собой размыкание щепи и прекращение электроснабжения.

Поэтому для обеспечения селективности также

необходимо ставить задачу несрабатывания контакторов и расщепителей при снижении напряжения.

Провал напряжения в сети продолжается до тех пор, пока напряжение дуги, появившееся при отключении аварийного тока, не скомпенсирует напряжение источника. Таким образом, падение напряжения зависит от типа автомата и/или используемого расщепителя:

- автомат нетокоограничивающий - падение напряжения значительное и его продолжительность порядка 10 - 15 мс (рис.8);

- автомат токоограничивающий - быстрое появление напряжения на дуге означает минимизацию времени снижения напряжения и его амплитуды (рис. 8.) Провал напряжения в течение порядка 5 МС И 50% Ином для токов, близких к токам отбрасывания контактов 1р. Падение напряжения порядка 30% для токов, превышающих порог отброса контактов с длительностью провала порядка 3-4 мс. При еще больших 1р - еще большее ослабление падения напряжения и сокращение длительности провала.

Расщепитель минимального напряжения, установленный в автомате, не будет успевать срабатывать при таких провалах напряжения.

Обеспечение селективности. Энергия, прошедшая через токоограничивающий автомат, недостаточна для возбуждения расщепителя вышестоящего автомата, который остается включенным.

Серия Compact NS, которая содержит номиналы 100; 160; 250; 400; 630 А и позволяет, с использованием энергетической селективности и с учетом соотношения между номиналами, реализовать либо частичную селективность, либо полную вплоть до предела отключающей способности.

На рис. 9 представлен пример абсолютной селективности до 100 кА на трех уровнях на номиналах 100; 250; 630 А автоматов, оборудованных различными расщепителями.

С автоматом Compact NS селективность будет абсолютная вплоть до 150 кА. Для подбора селективных аппаратов производителем предлагается следующее эмпирическое правило:

- типоразмеры (номинальные токи) последовательно устанавливаемых расщепителей автоматов должны соотноситься >2,5 (например, 250/100; 630/250);

- значения номинальных токов аппаратов должны соотноситься с номинальными значениями тех же автоматов в отношении >1,6 (160, 250, 600, 630).

Если при подборе аппаратов защиты изложенные выше правила не соблюдаются, селективность будет частичной. На рис. 10 показано, что между автоматом типоразмера 160 А и автоматом типоразмера 250 А, оборудованным расщепителем на 250 А, селективность будет осуществляться

км шш

отключает

i_= 40 kA не отключает

2,5 ms

отключает

не отключает

i = 20 kA

отключает

не отключает

ij= 10 kA

50 100

Ip (kA)

Рис. 9 Абсолютная селективность между автоматами Compact NS с номинальными токами 100, 249, и 630 А

вплоть до ожидаемых токов короткого замыкания 4800,А. Этот предел будет выше чем в случае применения аппаратов серии Compact Standard.

При проектировании системы электроснабжения допускается использование вышестоящего автоматического выключателя для "помощи" нижестоящему при отключении больших токов короткого замыкания. Следует отметить, что это в некоторой степени ухудшает селективность (кроме системы "SELLIM"). Для Compact NS эта совместимость не нарушает ни абсолютной селективности, ни частичной. Напротив, Compact NS может постоянно "помогать" вышестоящим автоматам различных типов в случаях, когда их отключающей способности будет недостаточно.

Согласование с традиционными средствами защиты.

1. Стандартный автомат. В существующей электроустановке быстродействующий токоограничивающий автомат Compact NS может быть использован при развитии системы защиты существующей электроустановки или вместо существовавшего автомата без нарушения достигнутого ранее предела селективности.

В результате при использовании нового автомата:

- в позиции вышестоящего - высокая отключающая токоограничивающая способность может только улучшить предел селективности, которая, в этом случае, станет полной (рис. 11);

- в позиции нижестоящего - предел селективности станет не меньше прежнего, а высокая отключающая и токоограничивающая способность автомата Compact NS, в ряде случаев, усилит совместные отключающие способности.

2. Предохранитель. Кривые Ft=/(Ip), представленные разработчиками предохранителей, касаются следующих характеристик:

- энергии, необходимой для плавления (преддуговая);

- энергии, которая проходит через предохранитель за время отключения.

Для обеспечения селективности с автоматом, установленным выше предохранителя - расщепитель этого автомата не должен быть чувствителен к сумме этих энергий.

В заключение отметим основные выводы данной статьи. Итак, быстродействующий токоогра-

Рис. 10 Частичная селективность для аппаратов Compact NS 250А и 160А

ничивающий автоматический выключатель срабатывает настолько быстро, что ожидаемый ток не успевает достичь своего максимума, что позволяет осуществить простое условие (правило): получение полной селективности при многоуровневой системе распределения электроэнергии. При этом методе цепь размыкается быстрее чем при ступенчато-временной селективности.

Таким образом, метод естественной селективности позволяет:

- значительно упростить решение проблемы селективности;

- уменьшить электродинамические и термические нагрузки, а также провалы напряжения при коротком замыкании

Принцип естественной селективности основан на оценке величины энергии, которая проходит через автомат во время отключения, а также на чувствительности расцепителя.

L на Compact NS 250 для достижения наилучшей селективности.