+7 (812) 448-30-88
+7 (812) 910-22-50
Заказать звонок →
Мы перезвоним вам

Содержание:
  1. Повреждения в электроустановках
  2. Ненормальные режимы
  3. Расчет трехфазного короткого замыкания
  4. Понятие о симметричных составляющих
  5. Выбор предохранителей
  6. Автоматические воздушные выключатели
  7. Выбор автоматических выключателей
  8. Защитные характеристики автоматических выключателей

Повреждения в электроустановках

Большинство повреждений в электрических системах приводит к коротким замыканиям фаз между собой или на землю (см. рис. 1). В обмотках электрических машин и трансформаторов, кроме коротких замыканий, бывают замыкания между витками одной фазы.

adea5-clip-17kb

Рис. 1. Виды повреждений в электрических установках:

а, б, в и д – трехфазное, двухфазное, однофазное и двухфазное па землю КЗ,

г и е – замыкания одной фазы и двух фаз на землю в сети с изолированной нейтралью

Основными причинами повреждений являются:

1)       нарушение изоляции токоведущих частей, вызванное ее старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

2)       повреждение проводов и опор линий электропередач, вызванное их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, пляской проводов и другими причинами;

3)       ошибки персонала при операциях (отключение разъединителей под нагрузкой, включение их на ошибочно оставленное заземление и т.д.).

Все повреждения являются следствием конструктивных недостатков или несовершенства оборудования, некачественного его изготовления, дефектов монтажа, ошибок при проектировании, неудовлетворительного или неправильного ухода за оборудованием, ненормальных режимов работы оборудования, работы оборудования в условиях, на которые оно не рассчитано. Поэтому повреждения нельзя считать неизбежными, но в то же время нельзя и не учитывать возможность их возникновения.

Короткие замыкания (КЗ) являются наиболее опасным и тяжелым видом повреждения. При КЗ ЭДС Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генераторов, трансформаторов и линий (см. рис. 1, а – г и е).

Поэтому в контуре замкнутой накоротко ЭДС возникает большой ток Iк, называемый током короткого замыкания.

Короткие замыкания подразделяются на:

–     трехфазные, двухфазные и однофазные в зависимости от числа замкнувшихся фаз;

–     замыкания с землей и без земли;

–     замыкания в одной и двух точках сети (см. рис. 1).

При КЗ вследствие увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, т.к. напряжение в любой точке М (см. рис. 2, а) ÚМ = Ė – ÍкzМ, где Ė – ЭДС источника питания, a zМ – сопротивление от источника питания до точки М.

0f580-clip-17kb

Рис. 2. Влияние понижения напряжения при КЗ:

 а – на работу потребителей; б – на энергосистему

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте КЗ (точка К) и в непосредственной близости от него (рис. 1-2, а). В точках сети, удаленных от места повреждения, напряжение снижается в меньшей степени.

Происходящие в результате КЗ увеличение тока и снижение напряжения приводят к ряду опасных последствий.

1) Ток КЗ Iк согласно закону Джоуля-Ленца выделяет в активном сопротивлении r цепи, по которой он проходит в течение времени t, тепло Q = k imagert.

В месте повреждения это тепло и пламя электрической дуги производят большие разрушения, размеры которого тем больше, чем больше ток Iк и время t.

Проходя по неповрежденному оборудованию и линиям электропередачи, ток КЗ Iк нагревает их выше допустимого предела, что может вызвать повреждение изоляции и токоведущих частей.

2) Понижение напряжения при КЗ нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели. Момент вращения двигателей Мд пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: Мд = kU2.

Поэтому при глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Нормальная работа осветительных установок, составляющих вторую значительную часть потребителей электроэнергии, при снижении напряжения также нарушается.

4) Вторым, наиболее тяжелым последствием снижения напряжения является нарушение устойчивости параллельной работы генераторов. Это может привести к распаду системы и прекращению питания всех ее потребителей.

Причины такого распада можно пояснить на примере системы, приведенной на рисунке 2, 6. В нормальном режиме механический момент вращения турбин уравновешивается противодействующим моментом, создаваемым электрической нагрузкой генераторов, в результате чего частота вращении всех турбогенераторов постоянна и равна синхронной. При возникновении КЗ в точке К у шин электростанции А напряжение на них станет равным нулю. В результате этого электрическая нагрузка, и, следовательно, противодействующий момент генераторов также станут равными нулю. В то же время в турбину поступает прежнее количество пара (или воды), и ее момент остается неизменным. Вследствие этого частота вращения турбогенератора начнет быстро увеличиваться, т.к. регулятор скорости турбины действует медленно и не сможет предотвратить ускорения вращения турбогенераторов станции А.

В иных условиях находятся генераторы станции В. Они удалены от точки К, поэтому напряжение на их шинах может быть близким к нормальному. Вследствие того, что генераторы электростанции А разгрузились, вся нагрузка системы ляжет на генераторы станции В, которые при этом могут перегрузиться и уменьшить частоту вращения. Таким образом, в результате КЗ скорость вращения генераторов электростанций А и В становится различной, что приводит к нарушению их синхронной работы.

При длительном КЗ может также произойти нарушение устойчивости работы асинхронных электродвигателей. При понижении напряжения частота вращения асинхронных электродвигателей уменьшается.

Если скольжение превзойдет критическое значение, двигатель перейдет в область неустойчивой работы, произойдет его опрокидывание и полное торможение.

С увеличением скольжения реактивная мощность, потребляемая асинхронными двигателями, растет, что может привести после отключения КЗ к дефициту реактивной мощности и как следствие этого к лавинообразному снижению напряжения во всей системе и прекращению ее работы.

Аварии с нарушением устойчивости системы по величине ущерба, наносимого электроснабжению, являются самыми тяжелыми.

Рассмотренные последствия КЗ подтверждают сделанный выше вывод, что они являются тяжелым и опасным видом повреждения, требующим быстрого отключения.

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью или заземленной через большое сопротивление дугогасящей катушки (ДГК). На рисунке 1, д видно, что замыкание на землю не вызывает короткого замыкания, т.к. ЭДС ЕА поврежденной фазы А не шунтируется появившимся в точке К соединением с землей. Возникающий при этом ток Iа в месте повреждения замыкается через емкость С проводов относительно земли и имеет поэтому, как правило, небольшую величину, например, несколько десятков ампер. Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными.

Благодаря этому по своим последствиям однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью или заземленной через ДГК существенно отличается от КЗ. Оно не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Однако этот вид повреждения создает ненормальный режим, вызывая перенапряжения, что представляет опасность с точки зрения возможности нарушения изоляции относительно земли двух неповрежденных фаз и перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное КЗ (см. рис. 1, е).

Ненормальные режимы

К ненормальным относятся режимы, связанные с отклонениями от допустимых значений величин тока, напряжения и частоты, опасные для оборудования или устойчивой работы энергосистемы.

Рассмотрим наиболее характерные ненормальные режимы.

1) Перегрузка оборудования, вызванная увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальный ток, допускаемый для данного оборудования в течение неограниченного времени.

Если ток, проходящий, по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемого им дополнительного тепла температура токоведущих частей и изоляции, через некоторое время превосходит допустимую величину, что приводит к ускоренному износу изоляции и ее повреждению. Время, допустимое для прохождения повышенных токов, зависит от их величины. Характер этой зависимости показан на рисунке 3 и определяется конструкцией оборудования и типом изоляционных материалов. Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке не­обходимо принять меры к разгрузке или отключению оборудования.

2866e-clip-2kb

Рис. 3. Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока t = f (I)

Iном – номинальный ток оборудования

2) Качания в системах возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов (или электростанций) А и В (см. рис. 2, б). При качаниях в каждой точке системы происходит периодическое изменение («качание») тока и напряжения. Ток по всех элементах сети, связывающих вышедшие из синхронизма генераторы А и В, колеблется от нуля до максимального значения, во много раз превышающего нормальную величину. Напряжение падает от нормального до некоторого минимального значения, имеющего разную величину в каждой точке сети. В точке С, называемой электрическим центром качаний, оно снижается до нуля, в остальных точках сети напряжение падает, но остается больше нуля, нарастая от центра качания С к источникам питания А и В. По характеру изменения тока и напряжения качания похожи на КЗ. Возрастание тока вызывает нагревание оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу всех потребителей системы. Качание – очень опасный ненормальный режим, отражающийся на работе всей энергосистемы.

3) Повышение напряжения сверх допустимого значения возникает обычно на гидрогенераторах при внезапном отключении их нагрузки. Разгрузившийся гидрогенератор увеличивает частоту вращения, что вызывает возрастание ЭДС статора до опасных для его изоляции значений. Защита в таких случаях должна снизить ток возбуждения генератора или отключить его.

Опасное для изоляции оборудования повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой емкостной проводимостью.

Кроме отмеченных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты.

Расчет трехфазного короткого замыкания

Изменение тока при КЗ. Рассчитать трехфазное КЗ – это, значит, определить токи и напряжения при этом виде повреждения как в точке КЗ, так и в отдельных ветвях и узлах схемы.

Ток в процессе КЗ не остается постоянным, а изменяется, как показано на рисунке 4, ток, увеличившийся в первый момент времени, затухает до некоторого значения, а затем под действием автоматического регулятора возбуждения (АРВ) достигает установившегося значения. Промежуток времени, в течение которого происходит изменение значения тока КЗ, определяет продолжительность переходного процесса. После того как изменение значения тока прекращается, до момента отключения КЗ продолжается установившийся режим КЗ. В зависимости от назначения выполняемого расчета (выбор уставок релейной защиты или проверка электрооборудования на термическую и электродинамическую стойкость) нас могут интересовать значения тока в разные моменты времени КЗ.

Из-за наличия в сети индуктивных сопротивлений, препятствующих мгновенному изменению тока при возникновении КЗ, значение тока нагрузки iн не изменяется скачком, а нарастает по определенному закону от нормального до аварийного значения. Для упрощения расчета и анализа ток, проходящий во время переходного процессе КЗ, рассматривают как состоящий из двух составляющих: апериодической и периодической.

Апериодической называется постоянная по знаку составляющая тока ia, которая возникает в первый момент КЗ и сравнительно быстро затухает до нуля (см. рис. 4).

Периодическая составляющая тока КЗ в начальный момент времени IПmo называется начальным током КЗ. Значение начального тока КЗ используют, как правило, для выбора уставок и проверки чувствительности релейной защиты. Начальный ток КЗ называют также сверхпереходным iп, т.к. для его определения в схему замещения вводятся сверхпереходные сопротивления генератора x"d и ЭДС E"q.

04d8d-clip-15kb

Рис. 4. Кривые изменения тока трехфазного КЗ:

 а – в сети, питающейся от генератора с АРВ; б – в сети, питающейся от системы неограниченной мощности

Установившимся называется периодический ток КЗ после окончания переходного процесса, обусловленного затуханием апериодической составляющей и действием АРВ.

Полным током КЗ называется его значение, равное сумме периодической и апериодической составляющих в любой момент переходного процесса. Максимальное мгновенное значение полного тока называется ударным током КЗ и вычисляется при проверке электротехнического оборудования на электродинамическую стойкость.

Как уже отмечалось выше, для выбора уставок и проверки чувствительности релейной защиты обычно используется начальное (сверхпереходное) значение тока КЗ, расчет которого производится наиболее просто. Допустимость такого решения объясняется, с одной стороны, быстрым затуханием апериодической составляющей в сетях высокого напряжения (за время 0,05-0,2с), что обычно меньше времени срабатывания рассматриваемых защит, а с другой – неизменностью периодической составляющей при КЗ в сети (см. рис. 4, б) питающейся от мощной энергосистемы, генераторы которой оснащены АРВ, поддерживающими постоянным напряжением на ее шинах.

В сетях, питающихся от генератора или энергосистемы ограниченной мощности, напряжение на шинах в процессе КЗ изменяется в значительных пределах, вследствие чего значения начального и установившегося токов не равны (см. рис. 4, а). Однако и в этом случае для расчетов релейной защиты можно использовать начальное значение тока КЗ. Это не приводит к большой погрешности, поскольку, как показывает опыт эксплуатации, на значение установившегося тока КЗ значительно большее влияние, чем на значение начального тока, оказывают увеличение переходного сопротивления в месте повреждения, токи нагрузки и другие факторы, не учитываемые обычно при расчете токов КЗ.

Принимая во внимание все сказанное выше, можно считать целесообразным и в большинстве случае вполне допустимым использование для расчета и анализа поведения релейных защит, действующих с любой выдержкой времени, значения начального тока КЗ. При этом возможное снижение тока в процессе КЗ следует учитывать для защит, имеющих выдержку времени, введением в расчет повышенных коэффициентов надежности по сравнению с быстродействующими защитами.

Определение начального тока КЗ в простой схеме. Поскольку при трехфазном КЗ (см. рис. 5) ЭДС и сопротивления во всех фазах равны, все три фазы находятся в одинаковых условиях.

4fd76-clip-4kb

Рис. 5. Расчетные схемы трехфазного КЗ:

а – трехфазная; б – расчетная однофазная

Расчет симметричной цепи может быть существенно упрощен: поскольку все три фазы находятся в одинаковых условиях, достаточно произвести расчет для одной фазы и результаты его затем распространить на две другие. Расчетная схема при этом будет иметь вид, показанный на рисунке 5, б.

2ab00-clip-4kb

Рис. 6. К расчету тока трехфазного КЗ

при питании от системы неограниченной мощности:

а – расчетная схема; б – схема замещения

Расчет начинается с составления схемы замещения, в которой отдельные элементы расчетной схемы заменяется соответствующими сопротивлениями, а для источников питания указываются их ЭДС или напряжения на зажимах. Каждый элемент вводится в схему замещения своими активными и реактивными сопротивлениями. Сопротивления генераторов, трансформаторов, реакторов определяются на основании паспортных данных и вводятся в расчет, как указано ниже.

Реактивные сопротивления линий электропередачи рассчитываются по специальным формулам или могут приниматься приближенно по следующему выражению:

0f633-clip-2kb

где l – длина участка липни, км;

Худ – удельное реактивное сопротивление линии, Ом/км, которое можно

принимать равным:

при напряжении, кВ:

 

Худ, Ом/км

для воздушных линий:

 

 

6–220  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,4

330 (два провода в фазе) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,33

500 (три провода в фазе) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,28–0,3

для трехжильных кабелей:

 

 

3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,07

6–10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,08

35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,12

Ток однофазного металлического КЗ за трансформатором со схемой соединения У/У0, А, можно определить по следующей формуле:

ebb06-clip-3kb

где Uф = 230В – фазное напряжение для сети 0,4кВ;

Zтр – полное сопротивление трансформатора с соединением обмоток У/У0

при однофазном КЗ на стороне 0,4кВ, Ом, отнесенное к напряжению 0,4кВ.

Расчетные значения Zтр для трансформаторов, выпускаемых с 1967 г., отнесенные к напряжению 0,4кВ:

Sтр,кВ×А

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

160

250

400

630

1000

1600

1/3Zтр, Ом

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,26

0,16

0,1

0,065

0,042

0,027

0,018

Существенное влияние на ток КЗ в сетях 0,4кВ может оказать переходное сопротивление в месте повреждения; это влияние сильнее при повреждениях за сравнительно мощными трансформаторами (1600-2500кВ×А). Значение переходного сопротивления при этом принимается порядка 0,15мОм. При повреждениях за маломощными трансформаторами (например, 160кВ×А) влиянием переходного сопротивления можно пренебречь.

Понятие о симметричных составляющих

При однофазном или двухфазном КЗ, когда трехфазная система становится несимметричной, нельзя выполнять расчет только для одной из фаз, как это делается при трехфазных симметричных повреждениях.

Для определения токов, проходящих при несимметричных КЗ, потребовалось бы составлять несколько уравнении Кирхгофа для многих контуров и узлов, образующихся в рассматриваемой несимметричной трехфазной системе. Решение этих уравнений с учетом индуктивных связей между фазами даже при сравнительно простой схеме сети является весьма сложной задачей.

С целью упрощения расчетов несимметричных режимов в трехфазной сети предложен метод симметричных составляющих. Сущность этого метода состоит в том, что любую трехфазную несимметричную систему векторов токов или напряжений можно заменить суммой трех симметричных систем:

ade6a-clip-7kb

Затем производится расчет этих трех симметричных систем с учетом уже упоминавшегося нами упрощения, т.е. по расчетным схемам, составленным для одной из фаз, и согласно (3) определяются полные фазные токи и напряжения. Таким образом, вместо одной схемы рассчитываются три, но значительно более простые, что в конечном итоге существенно упрощает вычисления. На рисунке 7 приведены векторные диаграммы систем симметричных составляющих:

–     прямой последовательности, в которой векторы, вращающиеся против часовой стрелки, следуют друг за другом в чередовании А, В, С;

–     обратной последовательности, отличающейся обратным чередованием векторов А, С, В;

–     номинальным током предохранителя Iп,ном, равным наибольшему номинальному току плавкой вставки, которая может быть установлена в данный предохранитель;

–     минимальным испытательным током плавкой вставки IИСП,min, при котором вставка перегорает за время  более 1 ч;

–     максимальным испытательным током плавкой вставки IИСП,max, при котором вставка перегорает за время менее 1 ч.

15a60-clip-11kb

Рис. 7. Векторные диаграммы систем симметричных составляющих:

а – прямой последовательности; б – обратной последовательности; в – нулевой последовательности

Соответственно кратностью минимального тока называется отношение

eb24a-clip-1kb

кратностью максимального испытательного тока – отношение

a8ee5-clip-1kb

Предельным отключаемым током или разрывной мощностью называется соответственно ток или мощность КЗ, который способен разорвать (отключить) предохранитель.

Защитной характеристикой плавкой вставки называется зависимость времени с момента возникновения тока до его отключения плавкой вставкой от значения тока, проходящего через вставку, или от кратности этого тока по отношению к номинальному току вставки IВС,ном (см. рис. 8).

c41f0-clip-7kb

Рис. 8. Защитная характеристика плавкой вставки

Предохранители применяются для защиты от КЗ и от перегрузки линий электропередачи, трансформаторов, электродвигателей и другого электрооборудования при условии, что их номинальные напряжение и ток, а также предельный отключаемый ток соответствуют параметрам сети, если при этом обеспечиваются необходимые чувствительность и селективность их действия и использование предохранителей не препятствует применению автоматики (АПВ, АВР и др.). Предохранители устанавливаются на трех фазах между выключателем нагрузки или разъединителем и защищаемым элементом, для того чтобы замену перегоревших вставок можно было бы производить со снятием напряжения.

Выбор предохранителей

Номинальное напряжение предохранителей и их вставок UВС,ном должно выбираться равным номинальному напряжению сети UC:

141b3-clip-2kb

Действительное напряжение сети не должно превышать номинального напряжения предохранителя больше чем на 10 %. Установка предохранителей на меньшее номинальное напряжение, чем напряжение сети, не допускается во избежание КЗ, т.к. изоляция каждого предохранителя рассчитана на определенное напряжение. Установка предохранителей на большее номинальное напряжение, чем напряжение сети, также не рекомендуется. Дело в том, что длина плавкой вставки для обеспечения надежного гашения дуги, возникающей при ее перегорании, тем больше, чем выше напряжение. С увеличением длины плавкой вставки, имеющей тот же номинальный ток, изменяются условия гашения дуги и ухудшается защитная характеристика вставки.

Предельно отключаемый ток плавкой вставки IВС,пр должен быть равен или больше максимального расчетного тока КЗ Iк,max , проходящего но цепи, защищаемой предохранителем. Если это условие не будет выполнено, дуга, возникающая при перегорании плавкой вставки, может не погаснуть, а предохранитель в результате ее длительного горения разрушится

929ae-clip-2kb

Номинальный ток плавкой вставки следует во всех случаях выбирать минимальным. При этом плавкая вставка не должна перегорать при прохождении по ней максимального длительного тока нагрузки Iн,max, что обеспечивается при соблюдении следующего условия:

cf0d0-clip-2kb

Коэффициент kн зависит от характера нагрузки. Так, при постоянной нагрузке (например, при освещении) kн = 1,1¸1,2.

При переменной нагрузке плавкая вставка не должна также перегорать при кратковременных перегрузках, когда в защищаемой сети проходит ток, превышающий максимальный ток длительной нагрузки. Кратковременные перегрузки могут быть вызваны пуском или самозапуском электродвигателей, технологическими перегрузками механизмов, вращаемых электродвигателями, и другими причинами.

Для выполнения этого условия номинальный ток плавкой вставки выбирают таким, чтобы при прохождении по ней тока перегрузки Iпер время ее перегорания было больше времени перегрузки. Это требование удовлетворяется при выборе номинального тока плавкой вставки согласно следующему выражению:

a1115-clip-2kb

где kн – коэффициент отстройки от тока перегрузки.

Значение этого коэффициента принимается:

99079-clip-7kb

При частых пусках электродвигателей с легкими условиями пуска выбор плавкой вставки производят по коэффициенту для тяжелых условий.

Номинальный ток плавкой вставки, выбранный согласно (9), получается, как правило, завышенным, вследствие чего предохранитель не защищает оборудование от перегрузки и является только защитой от КЗ.

В жилых домах, бытовых и общественных помещениях, т.е. там, где сети не находятся постоянно под наблюдением квалифицированного персонала, плавкие вставки должны удовлетворять следующему условию:

0ec05-clip-2kb

где Iдоп,пр – длительно допустимый ток провода.

После выбора номинального тока необходимо убедиться, что плавкая вставка надежно защищает участок сети, на котором она установлена. При КЗ в наиболее удаленной точке сети плавкая вставка должна надежно и быстро перегорать. Кратность тока однофазного КЗ в сетях с заземленной нейтралью и двухфазного КЗ в сетях с изолированной нейтралью должна быть не менее 3 по отношению к номинальному току плавкой вставки.

В сетях, защищенных только от КЗ, допускается не выполнять расчетной проверки тока короткого замыкания для оценки надежности перегорания плавкой вставки, если ее номинальный ток превышает длительно допустимый ток защищаемого участка сети не более чем в 3 раза.

Особенности выбора плавких вставок в сетях 380-500 В. К выбору предохранителей, защищающих электродвигатели напряжением 380 и 500В, предъявляется дополнительное требование, чтобы время перегорания плавкой вставки не превышало 0,15-0,2с. Это требование определяется следующими соображениями. На электродвигателях 380 и 500В последовательно с плавкими предохранителями устанавливаются контакторы и магнитные пускатели, с помощью которых осуществляются пуск и останов электродвигателей. Эти аппараты удерживаются во включенном положении специальными электромагнитами, которые питаются от напряжения сети. При исчезновении или понижении напряжения, например, вследствие КЗ магнитные пускатели и контакторы отпадают. При КЗ в электродвигателе плавкая вставка должна перегореть раньше, чем отпадет магнитный пускатель или контактор. В противном случае контакты магнитного пускателя или контактора будут размыкать ток КЗ, на что они не рассчитаны. Как показали испытания и опыт эксплуатации, если время перегорания плавкой вставки не превышает 0,15-0,2с, то может происходить лишь небольшое оплавление контактов, позволяющее вновь включить контактор. Замены контактов при этом не требуется.

8c0f8-clip-13kb

 

Рис. 9. Зависимость токов трехфазного КЗ от длины кабеля (с медными жилами)

в цепях 380В при питании от трансформатора 750 кВ×А (uк = 8%)

 

 

 

Рис. 10. Размещение предохранителей и релейной защиты в сети:

F1-F3 – предохранители; Р3 – релейная защита

 

 

По защитным характеристикам плавких вставок можно определить, что они перегорают за время 0,15-0,2с при токах КЗ, превышающих в 10-15 раз номинальный ток плавкой вставки:

8311a-clip-3kb

Ток КЗ на выводах электродвигателя зависит от мощности питающего трансформатора, длины и сечения соединительного кабеля.

На рисунке. 9 в качестве примера построены кривые для определения тока трехфазного КЗ в сети 380В, питающейся от трансформатора мощностью 750кВ·А, при разной длине и сечении кабеля, имеющего медные жилы.

В случае если электродвигатель питается от групповой сборки, расчетная длина кабеля определяется по следующему выражению:

04c1b-clip-3kb

где lк,дв – длина кабеля, питающего электродвигатель;

lк,сб – длина кабеля, питающего сборку;

sк,дв, sк,сб – сечение кабелей, питающих электродвигатель и сборку соответственно.

На тех же графиках (см. рис. 9) построена прямая l для определения допустимых номинальных токов плавких вставок (типов предохранителя не менее чем в 1,7 раза превышает время перегорания меньшего предохранителя).

При анализе характеристик однотипных предохранителей селективность следует проверять при максимальном токе трехфазного КЗ. Если селективность при этом токе обеспечена, она будет обеспечена и при всех меньших значениях токов. У разнотипных предохранителей селективность следует проверять во всем диапазоне токов – от тока трехфазного КЗ в месте установки дальнего предохранителя до номинального тока вставок.

Если защитные характеристики плавких вставок неизвестны, рекомендуется метод согласования характеристик предохранителей, основанный на сопоставлении площадей сечения плавких вставок с учетом материала, из которого они изготовлены

Таблица 1

 

Металл

плавкой вставки предохранителя F1 для

любого типа

предохранителя

 

 

Металл плавкой вставки

предохранителя F2, расположенного ближе к нагрузке

Медь

Серебро

Цинк

Свинец

Медь

Серебро

Цинк

Свинец

Предохранитель F2

закрытого типа с заполнителем

Предохранитель F2 открытого типа или

закрытого без заполнителя

Медь

1,55

1,33

0,55

0,2

1,15

1,03

0,4

0,15

Серебро

1,72

1,55

0,62

0,23

1,33

1,15

0,46

0,17

Цинк

4,5

3,95

1,65

0,6

3,5

3,06

1,2

0,44

Свинец

12,4

10,8

4,5

1,65

9,5

8,4

3,3

1,2

Если защитные характеристики плавких вставок неизвестны, рекомендуется метод согласования характеристик предохранителей, основанный на сопоставлении площадей сечения плавких вставок с учетом материала, из которого они изготовлены. Для проверки селективности по этому методу необходимо знать тип, материал и площадь сечения плавких вставок, между которыми производится согласование. Если площадь сечения плавкой вставки, расположенной ближе к источнику питания, равна s1 а вставки, расположенной дальше от источника питания. При анализе характеристик однотипных предохранителей се­лективность следует проверять при максимальном токе трехфазного КЗ. Если селективность при этом токе обеспечена, она будет обеспечена и при всех меньших значениях токов. У разнотипных предохранителей селективность следует проверять во всем диапазоне токов – от тока трехфазного КЗ в месте установки дальнего предохранителя до номинального тока вставок.

Если защитные характеристики плавких вставок неизвестны, рекомендуется метод согласования характеристик предохранителей, основанный на сопоставлении площадей сечения плавких вставок с учетом материала, из которого они изготовлены. Для проверки селективности по этому методу необходимо знать тип, материал и площадь сечения плавких вставок, между которыми производится согласование. Если площадь сечения плавкой вставки, расположенной ближе к источнику питания, равна s1 а вставки, расположенной дальше от источника питания, – s2, то определяется отношение этих площадей:

46ccc-clip-2kb

Полученное значение а сравнивается с данными таблицы1. Если а равно или больше значения, приведенного в таблице 1, то селективность между рассматриваемыми предохранителями обеспечивается.

Для оценки селективности действия двух последовательно включенных предохранителей можно также руководствоваться следующим правилом. Для двух однотипных предохранителей, установленных в сети напряжением до 1000В, селективность будет обеспечена, если их вставки отличаются не менее чем на две ступени шкалы номинальных токов.

Селективное действие последовательно установленных вставок высокого напряжения типа ПК обеспечивается, если их номинальные токи отличаются не менее чем на одну ступень шкалы.

При проверке селективности вставок по их защитным характеристикам в сети напряжением выше 1000В следует иметь в виду, что разброс характеристик регламентируется следующим образом: для любого времени отключения отклонения в значении тока не должны превосходить ±20 %.

Проверяя селективность предохранителей, установленных на разных сторонах трансформатора, следует учитывать, что по предохранителям будут проходить разные по значению токи. С учетом этого условие селективности (12) приобретает следующий вид:

a98b6-clip-2kb

Автоматические воздушные выключатели

Наряду с плавкими предохранителями в сетях напряжением ниже 1000В для защиты от КЗ и перегрузки широко применяются автоматические воздушные выключатели. Автоматические выключатели представляют собой аппараты, которые состоят из выключателя с мощной контактной системой для отключения тока КЗ и реле защиты, действующих на его отключение при возникновении повреждения или перегрузки. Из-за подгорания контактов автоматические выключатели допускают отключение не более чем 2-3 раза в час, вследствие чего они не могут применяться для частых операций в цепях управления.

Автоматические выключатели имеют ряд преимуществ по сравнению с плавкими предохранителями. Одно из них состоит в большей оперативности автоматических выключателей, которые всегда готовы к быстрому включению немедленно после отключения защищаемой цепи. Благодаря этому с помощью автоматических выключателей могут быть выполнены схемы АПВ и АВР. Другим существенным преимуществом автоматических выключателей является то, что они одновременно отключают все три фазы защищаемого присоединения, в то время как перегорание предохранителя лишь в одной из фаз может привести к опасному для электродвигателей режиму работы на двух фазах.

В зависимости от типа автоматического выключателя в нем устанавливаются различные реле защиты прямого действия, так называемые расцепители.

Электромагнитный расцепитель для защиты от КЗ представляет собой электромагнит, который при определенном токе мгновенно притягивает якорь, вследствие чего происходит отключение автоматического выключателя.

Тепловой расцепитель представляет собой тепловое реле, принципиальная схема которого показана на рисунке 11. Тепловое реле реагирует на количество тепла, выделяемое в его нагревательном элементе 6 при прохождении тока. Под действием этого тепла нагревается биметаллическая пластинка 1, выполненная из двух различных металлов а и б, которые при нагревании удлиняются в разной степени.

 

cd26f-clip-4kb

Рис. 11. Принципиальная схема теплового реле

Поскольку металл б удлиняется больше металла а, пластинка 1 изгибается в сторону металла а и, выходя из зацепления, освобождает защелку 2, которая, поворачиваясь под воздействием пружины 3 вокруг оси 5, производит отключение автоматического выключателя и замыкание контакта 4. Время срабатывания тепловых расцепителей, с помощью которых осуществляется защита от перегрузки, тем больше, чем меньше перегрузка.

Комбинированный расцепитель, осуществляющий защиту от перегрузки и от КЗ, представляет собой комбинацию из двух расцепителей: теплового и электромагнитного.

Существуют автоматические выключатели, в которых действие электромагнитного расцепителя замедляется до 0,18-0,63с, что позволяет осуществлять с их помощью селективную защиту отдельных участков сети.

В автоматических выключателях могут устанавливаться расцепители минимального напряжения, срабатывающие при исчезновении напряжения или при снижении его до уставки срабатывания расцепителя, а также независимый расцепитель для отключения автоматического выключателя при подаче импульса от ключа или кнопки управления.

Автоматические выключатели характеризуются следующими параметрами:

–     номинальным током Iа,ном, прохождение которого допустимо в течение неограниченно длительного времени;

–     номинальным напряжением, при котором может применяться автоматический выключатель данного типа;

–     предельным отключаемым током Iпред, т.е. током КЗ, который может быть отключен  автоматическим выключателем.

Расцепители характеризуются следующими основными параметрами:

–     номинальным током Iрасц,пом, прохождение которого в течение неограниченного времени не вызывает срабатывания расцепителя;

–     током уставки Iуст – наименьшим значением тока, при прохождении которого расцепитель срабатывает.

Выбор автоматических выключателей

Номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть выше или равно напряжению сети:

72f9b-clip-2kb

Предельный допустимый ток автоматического выключателя должен быть больше максимального тока КЗ, который может проходить по защищаемому участку сети:

dca20-clip-2kb

Номинальный ток расцепителя должен быть не меньше расчетного тока, равного максимальному току, который может длительно проходить по защищаемому участку цепи с учетом возможной перегрузки:

352e1-clip-2kb

Автоматический выключатель с таким расцепителем способен, не перегреваясь, как угодно долго пропускать расчетный ток нагрузки.

Ток уставки Iуст электромагнитного расцепителя, с помощью которого осуществляется защита от КЗ, определяется по выражению

700d0-clip-2kb

где kр – коэффициент разброса срабатывания электромагнитных расцепителей,

равный 1,15-1,2;

kн – коэффициент надежности, кото­рый принимается равным: для защиты

электродвигателей 1,8-2, для защиты цепей напряжения не менее 2; для

остальных цепей 1,5;

Iн – максимально возможный кратковременный расчетный ток перегрузки.

Для цепей постоянного тока расчетный ток уставки принимается на 30% больше определенного по выражению (17).

Уставка тока мгновенного срабатывания (отсечка), кратная номинальному току автоматического выключателя (расчетная кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя), определяется из выражения

52c61-clip-2kb

где Iном – номинальный ток автоматического выключателя.

За действительную уставку отсечки kуст,д принимается ближайшее большее значение по паспортным данным соответствующего автоматического выключателя. При этом действительный ток срабатывания электромагнитного расцепителя будет равен:

d7c69-clip-2kb

Ток уставки теплового расцепителя Iуст,т выбирается по выра­жению

78309-clip-2kb

где kр = 1,1;

kн принимается равным: 1-1,1 для неперегружаемых цепей (нагревательных элементов, оперативных цепей постоянного тока и т.п.), 1,1-1,3 для цепей, в которых возможны кратковременные перегрузки (например, при пуске электродвигателей), 0,15-0,25 для цепей, в которых ток проходит кратковременно (например, цепи электромагнитов включения выключателей);

Iн – ток нагрузки или номинальный ток цепи, А.

Время срабатывания теплового расцепителя для определенного значения тока Iк определяется по защитной характеристике аналогично плавким предохранителям.

Для обеспечения селективной защиты характеристики автоматических выключателей, установленных последовательно в защищаемой сети, не должны пересекаться.

Расцепители должны обеспечивать надежную защиту от КЗ, что необходимо проверить по току, проходящему через расцепитель при КЗ в самой удаленной точке защищаемой цени.

Чувствительность электромагнитных расцепителей проверяется у автоматических выключателей, установленных в сетях с изолированной нейтралью, по двухфазному КЗ в конце защищаемой зоны, а у автоматических выключателей, установленных в сетях с глухозаземленной нейтралью, – по однофазному и двухфазному КЗ.

Кратность тока КЗ к уставке электромагнитного расцепителя, определяющая его чувствительность, должна быть не меньше 1,5. Допускается не проверять чувствительность защиты от КЗ, поскольку она, как правило, обеспечивается в следующих случаях:

–     если ток уставки автоматического выключателя, имеющего только электромагнитный расцепитель, действующий мгновенно, не более чем в 4,5 раза превышает длительно допустимый ток нагрузки защищаемой линии;

–     если ток уставки расцепителя автоматического выключателя (с регулируемой обратно зависимой от тока характеристикой) не более чем в 1,5 раза превышает длительно допустимый ток нагрузки защищаемой линии.

Защитные характеристики автоматических выключателей

Защитной характеристикой автоматического выключателя называется зависимость полного времени t с момента возникновения тока до момента срабатывания расцепителя от значения тока, проходящего через расцепитель.

Наиболее простые характеристики имеют автоматические выключатели, снабженные электромагнитными расцепителями, действующими на отключение без выдержки времени при КЗ и при перегрузке. Эти автоматические выключатели не обеспечивают селективности. К ним, в частности, относятся автоматические выключатели серии АВБ, полное время отключения которых составляет 0,06-0,095с.

Неизбирательные автоматические выключатели, например, серий АВН, А3100 и другие обеспечивают защиту от КЗ без выдержки времени, а от перегрузки – с выдержкой времени, обратно зависимой от величины перегрузки. В качестве примера на рисунке 12 приведена средняя характеристика автоматического выключателя типа А3120 с комбинированным расцепителем. При перегрузках кратностью (1,3-10) Iрасц,ном срабатывает тепловой расцепитель (кривая а). При кратности тока больше 10 Iрасц,ном происходит срабатывание электромагнитного расцепителя без выдержки времени. Практически возможен разброс уставок срабатывания (заштрихованная область б). Эта возможная погрешность, которая составляет для автоматических выключателей серии А3100 15-30 %, должна учитываться при выборе уставок и согласовании их характеристик.

b1f29-clip-20kb

Рис. 12. Защитная характеристика автоматического выключателя А3120

с комбинированным расцепителем

b2c7e-clip-6kb

Рис. 13. Защитные характеристики расцепителей автоматических выключателей

серии АС при уставке срабатывания 2,2Iном

Полное время отключения автоматических выключателей А3100 при срабатывании электромагнитного расцепителя составляет примерно 0,015с (прямая г, рис.12). Прямая в определяет время, необходимое для удара якоря электромагнитного расцепителя по рейке, – порядка 0,005с, после чего отключение автоматического выключателя происходит независимо от того, будет продолжаться прохождение тока КЗ или нет.

Избирательные автоматические выключатели, действующие с выдержкой времени при перегрузках и КЗ (серии АВС), снабжены специальными часовыми механизмами, благодаря чему при токах, превышающих уставку срабатывания электромагнитного расцепителя, их отключение происходит с выдержкой времени 0,25, 0,4, 0,6с. Избирательные характеристики, обеспечивающие трех-четырехступенчатую защиту сети, имеют также автоматические выключатели серий АС и АМ (см. рис. 13).

Для осуществления защиты минимального напряжения, отключающей автоматический выключатель при исчезновении или значительном снижении напряжения на его зажимах, в нем может быть дополнительно установлен минимальный расцепитель. Минимальный расцепитель отключает автоматический выключатель при напряжении 50% номинального и ниже и не препятствует его включению вручную при напряжении 70% и выше.