CC BY
247
= 24
Энергобезопасность в документах и фактах
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
Селективная работа автоматических выключателей. Энергетический метод анализа
В.С. Иващенко,
преподаватель Московского института энергобезопасности и энергосбережения
Целью настоящей публикации является оценка достоинств и недостатков современных методов обеспечения координации аппаратов защиты и представление энергетического метода анализа селективной работы автоматических выключателей.
ВВЕДЕНИЕ
Для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергии необходимо использовать скоординированные между собой (селективные) элементы защиты.
Цель селективной работы аппаратов защиты заключается в отключении только поврежденного участка цепи при сохранении питания для максимально возможного количества остальных.
Различают абсолютную и частичную селективности. Аппараты защиты в системе распределения электроэнергии являются абсолютно селективными тогда и только тогда, когда при любом аномальном токе из всех автоматических выключателей, среагировавших на эту аномалию, срабатывает только один, расположенный непосредственно перед точкой повреждения, и остается отключенным сколь угодно долгое время.
Селективность называется частичной, если условие, описанное выше, соблюдается не для всех типов повреждений (аномалий).
Если характеристики аппаратов защиты нескоор-динированы либо скоординированы неверно, то одно короткое замыкание может вызвать срабатывание многочисленных устройств защиты и привести к отключению всей электроустановки или ее значительной части. В результате этого будут значительные простои неповрежденной части установки и, как следствие, экономические потери для потребителей.
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ АППАРАТОВ
Техника, позволяющая реализовать селективную работу между двумя автоматами в режиме короткого замыкания, базируется на использовании автоматов и/или устройств разных типов и настройки, которая позволила бы избежать пересечения кривых. Существуют несколько основных наиболее часто используемых способов, позволяющих достичь селективности между аппаратами в режиме короткого замыкания:
- токовая селективность;
- временная селективность;
- логическая селективность.
Токовая селективность достигается в результате разницы уставок тока срабатывания мгновенных расцепителей или небольшой временной задержки. Этот метод применяется только для защиты от токов короткого замыкания и ведет к обеспечению лишь частичной селективности. Селективность будет тем более эффективна, чем больше разница токов короткого замыкания в разных точках сети за счет разных сопротивлений проводников малого сечения (рис. 1). Зона селективности будет тем больше, чем больше разница уставок срабатывания расцепителей D1 и D2 и чем дальше точка повреждения удалена от места
установки ^ ак.з.в, ^.з.Э^.
Временная селективность заключается в установке различных выдержек времени срабатывания в
имиикииЯ
Электробезопасность
25 =
аппаратах защиты, находящихся на различных уровнях распределения системы электроснабжения. Чем ближе расположен аппарат к источнику, тем больше должна быть его выдержка времени.
Гпз2 1тэ1 Рис. 1. Токовая селективность
Для достижения полной временной селективности необходимо чтобы кривые ^=Щр) двух автоматических выключателей не пересекались ни в одной точке при любых ожидаемых величинах токов короткого замыкания.
Селективный автоматический выключатель, расположенный ближе к источнику, имеет большую временную задержку, чем расположенный дальше от источника (ближе к нагрузке). Таким образом, при большом количестве ступеней защиты с аппаратами, имеющими задержку срабатывания, наиболее близкий к источнику аппарат будет иметь наибольшую временную задержку, которая может превысить допустимое время устранения аварии. В этом случае система защиты окажется несовместимой, во-первых, с допустимым временем протекания тока короткого замыкания защищаемого оборудования, а, во-вторых, с внешнем оборудованием (например, с оборудованием энергоснабжающей организации) (рис.2).
Необходимость увеличения времени протекания аварийного тока за счет дополнительного времени задержки срабатывания верхних ступеней защиты приводит к дополнительным перегрузкам, которым подвергаются элементы кабельных сетей и электрооборудование. Это приводит к дополнительному износу оборудования, а, следовательно, к повышенным требованиям к его термической и динамической стойкости. Уменьшение времени ожидания (ступеней временной задержки) возможно лишь при уменьшении разброса значений во время-токовых характеристиках автоматических выключателей (повышение точности срабатывания), что, безусловно, связано с увеличением себестоимости аппаратов.
Следует отметить, что, несмотря на очевидные недостатки данного метода, он применяется для согласования характеристик защит в подавляющем большинстве электроустановок.
Логическая селективность обеспечивается за счет обмена информацией между автоматическими выключателями разного уровня системы распределения, и ее принцип заключается в следующем. (рис. 3). Все автоматические выключатели, которые "видят", что ток короткого замыкания превышает значение уставки расцепителя, посылают сигнал "логическое ожидание" тому аппарату, который находится выше точки повреждения (дальше от источника). Расцепи-тель автомата, расположенного выше непосредственно от точки короткого замыкания, не получает сигнал "логическое ожидание" и срабатывает мгновенно.
Рис. 2. Временная селективность: й2 — быстродействующий аппарат; й1 — селективный аппарат с временем задержки срабатывания 1-2-3
Рис. 3. Логическая селективность
Недостатком данного метода является необходимость дополнительного физического канала связи, что снижает надежность всей системы защиты в целом.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ
Оригинальным методом обеспечения абсолютной селективности на всех уровнях распределения электроэнергии является метод энергетической селективности. Суть этого метода состоит в следующем. Абсо-
изв—ииииИ
о
= 26
Энергобезопасность в документах и фактах
лютная селективность будет обеспечена, если для всех аварийных токов 1р энергия, прошедшая через ниже расположенный автоматический выключатель, окажется меньше энергии, необходимой для приведения в действие расцепителя автоматического выключателя, расположенного выше по цепи питания.
Энергия, проходящая через аппарат в процессе отключения, равна работе отключения аппарата:
“д
АОТ =| ид їШі,
(1)
где Цд - напряжение на дуге; ^ - время отключения дуги.
Если для упрощения принять, что напряжение на дуге во время процесса отключения имеет постоянное значение [1], то
Аг
(2)
Тогда работа отключения будет характеризоваться интегралом тока или характеристикой 14 [2].
Данный метод имеет ряд преимуществ. Во-первых, работа отключения автоматического выключателя позволяет судить о том, хватит ли накопленной кинетической энергии якорю электромагнитного расцепителя вышестоящего аппарата (расположенного ближе к источнику) для срабатывания, если нижестоящий аппарат уже сработал.
Во-вторых, при анализе селективной работы токоограничивающих выключателей по характеристике 14 появляется возможность проанализировать, достаточным ли будет ограниченный ток для отброса контактов или срабатывания электромагнитных расцепителей вышестоящих автоматических выключателей.
На рис.4 представлены зависимости 14 от ожидаемого тока короткого замыкания. Эти характеристики предоставляются производителями, и Б1 и Б2
будут селективны при всех значениях ожидаемого тока, так как нет пересечений характеристик.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ АППАРАТОВ
Для реализации селективной работы аппаратов защиты для конкретной цепи или, в общем случае, системы защиты всей электроустановки следует использовать характеристики устройств защиты, представленные в каталогах производителей. В соответствии с этими данными определяется предел селективности для каждой комбинации автоматических выключателей и для каждого типа расцепите-лей. Таким образом, существенными характеристиками аппаратов при их выборе для системы защиты помимо качества сборки (подтверждаются сертификатами) и стоимости являются также вероятность неселективного срабатывания.
Хотя в соответствии с [2] рекомендовано использовать характеристики 14, далеко не все производители предоставляют эти данные в каталогах. Чаще вместо зависимостей 14 от ожидаемого аварийного тока проектантам предлагают использовать таблицы селективности. Такие таблицы содержат сведения о комбинациях аппаратов, обладающих абсолютной селективностью. Однако главная проблема такого способа подбора оборудования заключается в ограниченности выбора аппаратов, так как в таблицы включена, разумеется, лишь продукция данного производителя.
Проанализируем типовую характеристику 14 современного токоограничивающего выключателя (рис.5). Участки характеристики соответствуют раз-
А -с 10
10‘
10 ■
10'
и и и в в в ОІОІО ТГ М -н сл СЛ є •п)
/А/ Л 7
> / / г
А АА / \ II , ^ -1
А / / / • Б
/ 1*7
(/ / ) ч / \
/1 / '/ / /1 г /
/ / / А \ \
{ / / 1 / / і /4 \ ч • =
п /\ / ^С5! сА
= 40 кА
= 20 кА
= 10 кА
3
(10 1п)
10
30 50 100
1р (кА)
Рис. 4. Энергетическая селективность
Рис. 5. Энергетическая характеристика современного токоограничивающего выключателя
1ГС1ШЯ0Ш®Ш
о
Эпектробезопасность
27 =
личным фазам отключения в зависимости от величины ожидаемого тока короткого замыкания 1р:
- зона А: ток аварийного режима достигнет уровня срабатывания расцепителя; типичное 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: за счет появления напряжения на дуге при отбросе контактов, аппарат находится на пороге отбрасывания контактов в начале токоограничения. Ограничение тока зависит от фазы тока и напряжения и выражается в снижении времени отключения с 20 до 10 мс по мере увеличения тока 1р;
- точка D: ток достигает 1,7 порога отбрасывания контактов, энергия отбрасывания контактов достаточна для их полного открытия, время отключения 10 мс. Это отключение самопроизвольно и независимо. Однако для фиксации автомата в отключенном состоянии и предотвращении повторного замыкания требуется расцепитель;
- зона Е: когда ток превысит в 2 раза порог отбрасывания контактов, токоограничение становится все более и более эффективным, что выражается в сокращении времени отключения;
- точка F: конец кривой - означает предел отключающей способности автомата.
Таким образом, представленная кривая несет очень важную информацию:
- порог срабатывания автомата (1уст, точка А);
- 14 - энергия отключения в функции ожидаемого тока короткого замыкания 1р;
- ток начала отброса контактов (1г, точка С);
- РШс (точка F) предел отключающей возможности;
- виртуальное время отключения (іге) в функции ожидаемого тока короткого замыкания 1р;
- величина пика токоограничения (Ьс ) в функции от ожидаемого тока короткого замыкания 1р;
- ток, выше которого 10 мс (начало токоограни-чения).
ВЫВОДЫ
Резюмируя вышеизложенное, хотелось бы отметить, что рассмотренный энергетический метод анализа селективной работы аппаратов защиты позволяет теоретически исследовать совместную работу автоматических выключателей во всем диапазоне токов короткого замыкания. При проектировании систем электроснабжения применение этого метода дает возможность обеспечения абсолютной селективности аппаратов в зоне больших сверхтоков (свыше 25 1ном) путем сравнения реальных энергетических характеристик автоматических выключателей различных фирм-производителей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования/Под ред. Крючкова И.П и Страшинова В.А.
2. ГОСТ Р 50030.2-99 (МЭК 60947-2-98).
