Подготовка высококвалифицированных кадров в сфере электроэнергетики и горнометаллургической отрасли для предприятий

Тема лекции:
Токовые защиты
Канд. техн. наук КОЗЛОВ А.Н.
Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем
Презентации разработаны в рамках реализации гранта «Подготовка высококвалифицированных кадров в сфере электроэнергетики и горно-металлургической отрасли для предприятий Амурской области»

Презентации разработаны в рамках реализации гранта «Подготовка высококвалифицированных кадров в сфере электроэнергетики и горно-металлургической отрасли для предприятий Амурской области»
Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем
Презентации по курсу лекций обсуждены на заседании кафедры энергетики
«15» _____11______2013__ г., протокол № ___4________
Заведующий кафедрой Н.В. Савина
Презентации по курсу лекций одобрены на заседании учебно-методического совета направления подготовки 140400.62 – «Электроэнергетика и электротехника»
«16» _____12______2013__ г., протокол № ___5________
Председатель Ю.В. Мясоедов
Рецензент: А.А. Андро, директор по информационно-технологическому сопровождению филиала ОАО «Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы» (ОАО «ФСК ЕЭС») – Магистральные электрические сети Востока (МЭС Востока)

Токовые защиты
Защита электроустановок плавкими предохранителями

F, FA, FU - плавкий предохранитель
Обозначение плавких предохранителей на принципиальных электрических схемахОбозначение плавких предохранителей на принципиальных электрических схемах в разных стандартах оформления конструкторской документации.
Международная электротехническая комиссия (МЭК; англ. International Electrotechnical Commission - IEC)
Институт инженеров электротехники и электроники ‒ IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers), международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники
Америка́нский национа́льный институ́т станда́ртов (англ. American national standards institute, ANSI)

Основной характеристикой плавкой вставки является зависимость времени ее перегорания от тока (рисунок). Эта кривая снимается экспериментально: берется партия одинаковых предохранителей, которые последовательно пережигаются при разных токах. Замеряются время, по истечении которого вставка перегорает, и ток, проходящий через вставку. Каждому току соответствует определенное время перегорания вставки. По этим данным и строится временнáя (ампер-секундная) характеристика.

Iном - номинальный ток вставки, т.е. ток, при котором вставка длительно работает, не нагреваясь выше допустимой температуры.
Imin - наименьший из токов, расплавляющих вставку (при этом токе вставка плавится, но в течение неопределенно продолжительного времени (1-2 ч); при меньших токах вставка уже не расплавляется);
I10 - ток, при котором плавление вставки и отключение сети происходит через 10 с после установления тока;
Токи связаны простым соотношением: Iном=I10/2.5.
На этой кривой особо выделяются следующие токи, которые используются для выбора плавких вставок:

Опытным путем установлено, что в крайних случаях при совпадении всех неблагоприятных факторов, влияющих на время отключения, отклонение действительного времени отключения от заводских данных предохранителей до 1 кВ может доходить до ± 50 %. Такой разброс принимается при проверке селективности в особо ответственных цепях, где неселективная работа предохранителей недопустима.
В наиболее распространенных случаях обычно принимается разброс в значениях времени отключения ± 25 %. При этом допускается в редких случаях возможность неселективной работы предохранителей.

Защитная характеристика предохранителя, условия выбора
Выбор предохранителя:
Выбор плавкой вставки:
Uпр.ном =Uс
Iпр.отк ≥Iк.макс
Iвс.ном ≥ kотс. Iраб.макс.
Iвс.ном ≥ Iпер. / kпер.
Iвс.ном ≤ Iк.мин / (10÷15)

Примеры защитных характеристик предохранителей
Защитные (время-токовые) характеристики плавких предохранителей типа ПН-2
Защитные (время-токовые) характеристики плавких предохранителей типа НПР и НПН

Iвс.ном ≥ kотс. Iраб.макс.
Первое условие используется, если предохранитель установлен в цепи, питающей постоянную (слабо изменяющуюся) нагрузку.
kотс. = 1,1÷1,25 - коэффициент отстройки (коэффициент
запаса).
Если предохранитель установлен в цепи, питающей переменную нагрузку (типичный пример - электродвигатель), то кроме первого условия используется и второе.
Iвс.ном ≥ Iпер. / kпер.
Iпер. – ток перегрузки. Для электродвигателя – пусковой ток;
kпер.- коэффициент, величина которого зависит от условий пуска:
Если время пуска tпуск ≤ 2÷3 с., пуск – легкий, и kпер.≈ 2,5;
Если tпуск - от 3 до 10 с., пуск – тяжелый, kпер.= 2 ÷ 1,5.

Шкала номинальных токов плавких вставок предохранителей
ГОСТ Р 50339.0-2003 (МЭК 60269-1-98)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ПЛАВКИЕ НИЗКОВОЛЬТНЫЕ
ЧАСТЬ 1 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Номинальный ток плавкой вставки следует выбирать из следующих значений:
2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250 А.

,

Для предохранителя F1, установленного в цепи, питающей группу нагрузок, первое условие – следующее:
Iвс.ном ≥ kотс. Σ Iраб.макс.i
i=1
n

Ток перегрузки во втором условии принимается бóльшим из двух значений:
- для случая пуска наиболее мощного электродвигателя и режима нормальной работы всех остальных потребителей, питание которых осуществляется через выбираемый предохранитель:
- для режима самозапуска оставшихся в работе электродвигателей, возникающего после отключения поврежденного потребителя, например – после отключения электродвигателя М1 предохранителем F2:
Iпер. = kотс. Σ Iраб.макс.i + Iпуск.макс.;
i=1
n-1
Iпер. = Σ Iпуск.j .
j=1
m

Проверка плавких вставок последовательно установленных предохранителей по селективности и чувствительности
При КЗ в расчетной точке, в соответствии с требованием селективности, предохранитель F2 должен разорвать цепь раньше, чем предохранитель F1, для чего необходимо выполнение условия:
0,5tF1 ≥ 1,5tF2
Или:
tF1 ≥ 3tF2

Проверка плавких вставок последовательно установленных предохранителей по селективности и чувствительности
tF1 ≥ 3tF2
Этому условию отвечают следующие правила:
1. При последовательной установке однотипных низковольтных предохранителей IВС.НОМ должны отличаться на две ступени шкалы.
2. При последовательной установке разнотипных низковольтных предохранителей IВС.НОМ должны отличаться более чем на две ступени шкалы.
3. При последовательной установке высоковольтных предохранителей IВС.НОМ должны отличаться на одну ступень шкалы.

Проверка плавких вставок последовательно установленных предохранителей по селективности и чувствительности
Проверка по чувствительности заключается в расчете соответствующего коэффициента:
kЧ= (IКЗ.МИН / IВС.НОМ ) ≥ 3
IКЗ.МИН – ток КЗ в наиболее
удаленной точке
защищаемой цепи.
В сети с заземленной
нейтралью расчетным
является ток
однофазного КЗ,
в сети с изолированной
нейтралью –
двухфазного КЗ;
IВС.НОМ – номинальный ток
проверяемой по
чувствительности
плавкой вставки.

Проверка плавких вставок последовательно установленных предохранителей по селективности и чувствительности
Задача 1. Ответвление от основной линии защищено предохранителем F2 с номинальным током плавкой вставки IВС.НОМ.F2 = 40 А. Максимальный ток КЗ в точке К1:
IКЗ.МАКС. = 650 А. Исходя из требований селективности определить наименьшее значение номинального тока плавкой вставки предохранителя F1, используемого для защиты основной линии. Погрешность предохранителей по времени отключения ± 50%. Для защиты используются предохранители ПН-2.
Задача 2. Сеть промышленного предприятия выполнена по схеме, приведенной на рисунке. Асинхронные двигатели включены на напряжение 380 В, осветительная нагрузка – на 220 В. Нагрузка осветительной линии Л1 – 5 кВт, а Л2 – 20 кВт. Характеристики электродвигателей приведены в
таблице.
При повреждении в точке К1 ток КЗ IК1 = 450 А, при повреждении в точке К2 IК2 = 600 А.
Расставить в схеме предохранители типа ПН-2 и выбрать для них плавкие вставки. Принять kОТС = 1,2. Пуск двигателей – легкий.
Решение задач - в презентации для практических занятий.

Защита низковольтных электроустановок автоматическими выключателями
Первый малогабаритный автоматический выключатель (автомат) был запатентован еще в 1923 году его изобретателем – немецкой компанией АВВ.

Автоматический выключатель (автомат) – это устройство, которое предназначено для отключения электроустановок в случае возникновения токов короткого замыкания и перегрузок электрических цепей. Для использования в быту и для общественных зданий сегодня самыми распространенными являются автоматические выключатели с компактными размерами, которые устанавливаются на 35-мм монтажную рейку (DIN-рейку) в распределительный щиток.

При перегрузках защитным элементом является биметаллическая пластина. Она нагревается и изгибается, что приводит к срабатыванию механизма расцепителя. В случае короткого замыкания срабатывает другой механизм – магнитная катушка. Токи короткого замыкания намного выше, чем при перегрузках, в катушке резко возрастает магнитный поток, что и обеспечивает срабатывание механизма расцепителя. При размыкании контактов возникает электрическая дуга, которая гасится с помощью дугогасительной камеры, и электрическая цепь разрывается.
Автоматы не предназначены для частой коммутации.

Принцип работы автомата

Устройство автомата
1 - винтовой зажим (верхний);
2 - гибкая связь:
3 - биметаллическая пластина;
4 - катушка соленоида;
5 - неподвижный контакт;
6 - подвижный контакт;
7 - гибкая связь;
8 - нижний винтовой зажим;
9 - механизм расцепления;
10 - пластиковый язычок;
11 – шток;
12 - дугогасящая камера.

Напряжение к автомату ABB подводится через питающий кабель, подключаемый сверху к винтовому зажиму 1.
Когда автомат включен, ток от винтового зажима 1, через гибкую связь 2, биметаллическую пластину 3, катушку соленоида 4, неподвижный контакт 5, подвижный контакт 6, через гибкую связь 7 и нижний винтовой зажим 8 протекает в отходящую линию на нагрузку.
При протекании тока перегрузки, превышающего номинальное значение автоматического выключателя, биметаллическая пластина выгибается вверх (из-за разности коэффициентов расширения различных металлов при нагреве), приводя в действие механизм расцепления 9, при этом подвижный контакт 6 отходит от неподвижного контакта 5, цепь разрывается.
Пластиковый язычок 10 опускается вниз.
При протекании через автомат тока короткого замыкания величина электромагнитного поля катушки соленоида 4 возрастает и достаточна для втягивания в катушку (на рисунке – вниз) штока 11. Шток 11 приводит в действие механизм расцепления 9, при этом подвижный контакт 6 отходит от неподвижного контакта 5. Цепь разрывается, образуется электрическая дуга, которая изгибается и рассевается в дугогасящей камере 12 специальной формы, состоящей из набора параллельных пластин.
Работа автомата

Работа автомата

Защитная характеристика автомата
Зона токов срабатывания теплового расцепителя
Срабатывание электромагнитного расцепителя. Разброс токов срабатывания от 15% до 30%
Время съема защелки (~0,005 с.). После этого автомат отключится в любом случае.
Полное время срабатывания электромагнит-ного расцепителя (~0,015 с.).

Условия выбора автомата
Uав.ном ≥ Uс
Iав.пред. ≥ Iк.макс
Iуст.1 ≥ (1,3÷1,5) Iраб.макс.
kЧ= (IКЗ.МИН / Iуст.2 ) ≥ 1,4
тепловой расцепитель:
Iуст.2 ≥ (1,5÷1,8) Iперегр.
электромагнитный расцепитель:
Проверка автомата (электромагнитного расцепителя)
по чувствительности:

Защитные (время-токовые) характеристики автоматических выключателей
Защитные характеристики автоматических выключателей АЕ2046М (температурная компенсация + 69°) — кривая 1 и ВА52Г25 (плюс 45°) — кривая 2
Защитные характеристики автоматических выключателей переменного тока серий ВА53. ВА55. ВА75 с полупроводниковым расцепителем. Наличие регулировки в точках Г, Д, К, Л, М зависит от типа и номинального тока выключателя

Выбор уставок расцепителей автоматов, при которых обеспечивается длительная работа сети в нормальном режиме и селективное действие при перегрузках и КЗ
Задача 3. На рисунке 1 показан участок электрической сети промышленного предприятия. В схеме используются автоматы А-3000. Определить номинальные токи их расцепителей, при которых обеспечивается длительная надежная работа сети в нормальном режиме и селективное действие при перегрузках и коротких замыканиях.
Погрешность автоматов по величине тока мгновенного срабатывания составляет ± 15%. Данные для расчета приведены в таблице. Характеристики автом ата представлены на рисунке 2.
Рисунок 1
Рисунок 2
Решение задачи - в презентации для практических занятий.

Согласование работы автоматов и предохранителей
Согласование обеспечивается при построении карты селективности.
Если расчет ведется для нескольких ступеней напряжения, какое-то одно принимается за основное. Карта селективности строится в логарифмическом масштабе.
Защитные характеристики автоматических выключателей и предохранителей приводятся к основной стороне напряжения

Составление карты селективности при согласовании работы автоматов и предохранителей
Задача 4. На рисунке показана схема силовой сети промышленного предприятия. Двигатели защищаются автоматами А-3000, питающая линия – предохранителем ПН-2
Определить номинальные токи расцепителей автоматов IРАСЦ.НОМ.
и номинальный ток плавкой вставки предохранителя IВС.НОМ..
В расчете учесть погрешность в токе срабатывания предохранителей ± 50% и автоматов ± 15%. Коэффициент перегрузки принять kПЕР = 2,5; коэффициент надежности (отстройки) kОТС = 1,2. Защитные характеристики автоматов и предохранителей взять из предыдущих задач. Данные для расчета приведены в таблице.
Решение задачи - в презентации для практических занятий.

Предохранители и автоматы можно назвать первичными реле прямого действия. Так называются защитные аппараты, включаемые непосредственно в защищаемую цепь и разрывающие ток повреждения при срабатывании. На рисунке приведены и другие варианты выполнения защиты:
а — с первичным реле прямого действия;
б — со вторичным реле прямого действия,
в — со вторичным реле косвенного действия

Пример: токовое реле прямого действия типа РТВ, отключающее цепь с выдержкой времени. Производство - Свободненского электроаппаратного завода.

Схема дистанционного управления выключателем

Сигнализация состояния выключателя при дистанционном управлении