Тема 4. Токовые защиты в сетях напряжением выше 1 кВ

Максимальная токовая защита. Максимальная токовая защита с измерительными органами тока и напряжения. Токовая отсечка без выдержки времени. Токовая отсечка с выдержкой времени. Токовая отсечка с измерительными органами тока и напряжения. Максимальная токовая направленная защита.

Литература [13].

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое максимальная токовая защита?

2. В каких случаях применяется максимальная токовая защита с измерительными органами тока и напряжения?

3. Какие бывают виды токовых отсечек?

4. Для чего применяются токовые отсечки с выдержкой времени и с измерительными органами тока и напряжения?

5. Как обеспечивается селективность для максимальной токовой защиты?

6. Как обеспечивается селективность для токовых отсечек?

7. Как выбираются уставки срабатывания для максимальных токовых защит и для токовых отсечек?

8. Что такое максимальная токовая направленная защита?

9. Каким образом определяется мертвая зона для реле направления мощности?

Тема 5. Дифференциальные токовые защиты

Продольная дифференциальная токовая защита. Поперечная дифференциальная токовая защита. Токи небаланса.

Литература [13].

Вопросы для самопроверки:

1. Каков принцип действия продольной дифференциальной токовой защиты?

2. Почему дифференциальная защита выполняется без выдержки времени?

3. Каковы причины, вызывающие токи небаланса в реле в нормальном режиме и при внешнем КЗ?

4. Чем опасен обрыв соединительного провода в плече дифференциальной защиты?

5. Каков принцип действия поперечной дифференциальной токовой защиты?

6. Каковы причины возникновения "мертвой зоны" в поперечной дифференциальной токовой защите?

Тема 6. Дистанционная защита

Принцип действия дистанционной защиты. Выбор параметров срабатывания. Основные органы дистанционной защиты. Характеристики выдержки времени. Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью дистанционной защиты.

Литература [13].

Вопросы для самопроверки:

1. Какой принцип действия положен в основу дистанционной защиты?

2. Из каких органов состоит трехступенчатая дистанционная защита?

3. Как выбираются уставки срабатывания первой ступени дистанционной защиты?

4. Как выбираются уставки срабатывания второй ступени дистанционной защиты?

5. Как выбираются уставки срабатывания третьей ступени дистанционной защиты?

6. Каким образом обеспечивается селективность действия дистанционной защиты?

7. Каким образом используются реле сопротивления в дистанционной защите?

3.2 Перечень лабораторных работ

Таблица 3.1 – Перечень лабораторных работ

Наименование работы	Номер работы	Продолжительность, ч (заочная форма обучения)
1 Изучение конструкции и испытание индукционного реле тока серии РТ-80 [1, 3, 6]	2	4
2 Изучение комплекта токовых защит типа КЗ-37 на переменном оперативном токе [1]	3	4

3.3 Вопросы к экзамену

1. Назначение релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения.

2. Элементы и функциональные части релейной защиты и автоматики.

3. Органы защиты и их свойства.

4. Токовые реле, реле напряжения, реле частоты.

5. Дифференциальные токовые реле.

6. Реле направления мощности.

7. Реле сопротивления.

8. Трансформаторы тока в релейной защите.

9. Схемы соединения трансформаторов тока и реле.

10. Трансформаторы напряжения в релейной защите.

11. Схемы соединения трансформаторов напряжения и реле.

12. Фильтры симметричных составляющих в релейной защите.

13. Логические органы релейной защиты.

14. Выходные органы релейной защиты и блоки питания.

15. Элементы устройств релейной защиты на микропроцессорной элементной базе.

16. Максимальная токовая защита.

17. Максимальная токовая защита с измерительными органами тока и напряжения.

18. Токовая отсечка без выдержки времени.

19. Токовая отсечка с выдержкой времени.

20. Токовая отсечка с измерительными органами тока и напряжения.

21. Максимальная токовая направленная защита.

22. "Мертвая зона" максимальной токовой направленной защиты.

23. Продольная дифференциальная защита.

24. Поперечная дифференциальная защита.

25. Назначение и принцип действия дистанционной защиты.

26. Основные органы дистанционной защиты.

27. Выбор параметров срабатывания дистанционной защиты.

28. Защита электрических сетей до 1000 В плавкими предохранителями.

29. Защита электрических сетей до 1000 В автоматическими воздушными выключателями.

30. Обеспечение селективности защит в электрических сетях до 1000 В. Карта селективности.

4 Контрольное задание

4.1 Условие

Для одной из схем участка сети напряжением 0,38 кВ, представленных на рисунках А.1А.6, принятой по таблице А.1 согласно варианту задания, требуется:

а) для электродвигателей, указанных в таблицах А.1, А.2, в соответствии с заданной схемой участка сети выбрать предохранитель или автоматический выключатель и определить номинальный ток плавкой вставки или уставки автоматического выключателя. Необходимые справочные данные приведены в п. Б.2, Б.3;

б) в соответствии с заданной схемой участка сети выбрать предохранители или автоматические выключатели щитов и сборок и определить их параметры. Выполнить согласование характеристик смежных аппаратов защиты, построить карту селективности;

в) по данным п. Б.1 выбрать магнитный пускатель и, при необходимости, тепловое реле для асинхронного ЭД, отмеченного в таблице А.1 символом "*". Позиции, указанные в типе магнитного пускателя символом "Х", заполнить самостоятельно;

г) в соответствии с вариантом задания (таблица А.1) составить схему управления асинхронным ЭД напряжением 0,38 кВ, отмеченным символом "*", с помощью магнитного пускателя с кнопкой. Типовые схемы управления ЭД показаны на рисунках Б.13, Б.14, описания схем даны в [7, с. 326331].

В случае, когда не удастся обеспечить согласование характеристик смежных защит, допускается изменить типы аппаратов защиты.

4.2 Методические указания

4.2.1 Основные понятия

Номинальный ток отключения предохранителя  наибольшее действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания (КЗ), при котором предохранитель разрывает цепь без каких-либо повреждений, препятствующих его дальнейшей работе после смены плавкой вставки.

Номинальный ток предохранителя  максимальный длительный ток, пропускаемый предохранителем по условию нагрева его деталей, кроме плавких вставок; равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя.

Номинальный ток плавкой вставки  максимальный длительный ток, пропускаемый плавкой вставкой по условию допустимого нагрева самой вставки.

Легкие условия пуска  у электродвигателей вентиляторов, насосов, металлорежущих станков с длительностью пуска 25 с.

Тяжелые условия пуска  у электродвигателей механизмов повторно-кратковременного режима (ПКР) работы (подъемных кранов) при частых пусках (более 15 пусков в час) или механизмов с большим моментом инерции и большим моментом сопротивления (центрифуг, шаровых мельниц) при длительности пуска около 10 с.

Расцепитель автоматического выключателя  автоматическое устройство, осуществляющее отключение выключателя при перегрузках и КЗ; может быть электромагнитным, тепловым, комбинированным (электромагнитным и тепловым) и полупроводниковым.

Отсечка автоматического выключателя  расцепитель мгновенного действия.

Селективный автоматический выключатель  выключатель, который имеет одну или несколько независимых уставок по времени.

Токоограничивающий автоматический выключатель  выключатель, который ограничивает значение тока КЗ с помощью быстрого введения в цепь сопротивления дополнительной электрической дуги и последующего быстрого отключения КЗ; при этом ток КЗ не достигает ожидаемого расчетного максимального значения.

Сборка  распределительный пункт, распределительный или силовой шкаф, получающие питание от главного распределительного щита 0,38 кВ трансформаторной подстанции.

Карта селективности  график, на оси абсцисс которого откладываются первичные фазные токи, а по оси ординат  выдержки времени. Токи срабатывания защит, установленных на элементах разных напряжений, приводятся к одной ступени напряжения. Карта селективности графически отражает выполнение согласования по току срабатывания и по времени смежных защит.

4.2.2 Защита асинхронных электродвигателей (ЭД)

4.2.2.1 Объем защиты ЭД

Для асинхронных ЭД переменного тока напряжением 0,38 кВ в соответствии с [1, п. 5.3.555.3.62] в общем случае предусматриваются:

 защита от многофазных замыканий;

 защита от однофазных замыканий;

 защита от токов перегрузки;

 защита минимального напряжения.

Для защиты ЭД от КЗ должны применяться предохранители или автоматические выключатели.

Защита ЭД от перегрузки должна устанавливаться в случаях, когда возможна перегрузка механизма по технологическим причинам, а также когда при особо тяжелых условиях пуска или самозапуска необходимо ограничить длительность пуска при пониженном напряжении. Защита должна выполняться с выдержкой времени и может быть осуществлена тепловым реле или другими устройствами.

Защита минимального напряжения должна устанавливаться в следующих случаях:

 для ЭД механизмов, самозапуск которых после останова недопустим по условиям технологического процесса или безопасности;

 для части прочих ЭД во избежание внезапных пусков при восстановлении напряжения, если не предусматривается самозапуск.

4.2.2.2 Защита ЭД предохранителями

Выбор плавкого предохранителя производится по условиям

U _HOM,ПР  U_C;

I_HOM,ПР  I_p,max, (4.1)

I_{НОМ,ОТКЛ}  I⁽³⁾_к,max;

где U_HOM,ПР  номинальное напряжение предохранителя, кВ;

U_C  номинальное напряжение сети, кВ;

I_HOM,ПР  номинальный ток предохранителя, А;

I_p,max  максимальный рабочий ток ЭД, А; в расчетах принять равным

номинальному току ЭД.

I_{НОМ,ОТКЛ}  номинальный ток отключения предохранителя, кА;

I⁽³⁾_к,max  максимальное действующее значение периодической

составляющей тока металлического трехфазного КЗ в

месте установки предохранителя, кА.

Выбор плавкой вставки производится по условиям

I _HOM,ПВ  I_p,max;

I_НОМ,ПВ  I_{ПУСК,ЭД}/k; (4.2)

I_НОМ,ПВ  0,866I⁽³⁾_KR10³/(1015),

где I_HOM,ПB  номинальный ток плавкой вставки, А; значение, получен-

ное по выражению (4.2), округляется до ближайшего стан-

дартного значения из таблицы Б.1;

I_{ПУСК,ЭД}  пусковой ток ЭД, А; I_{ПУСК,ЭД} = k_ПI_НОМ,ЭД;

k_П  кратность пускового тока ЭД;

I_НОМ,ЭД  номинальный ток ЭД, А;

k  коэффициент, равный:

k = 2,5  для легких условий пуска;

k = 2,0  1,6  для тяжелых условий пуска;

k = 1,6  ЭД ответственных механизмов независимо от условий пуска;

I⁽³⁾_KR  действующее значение периодической составляющей тока

трехфазного КЗ с учетом токоограничивающего действия дуги

в минимальном режиме питающей сети, кА.

Чувствительность защиты ЭД, выполненной с помощью предохранителей, оценивается по выражению

k_ЧR = I⁽¹⁾_KR10³/ I_HOM,ПB, (4.3)

где k_ЧR  коэффициент чувствительности;

I⁽¹⁾_KR  действующее значение периодической составляющей тока

однофазного КЗ с учетом токоограничивающего действия дуги

в минимальном режиме питающей сети, кА,

k_ЧR  3  для нормальной среды (принять в расчетах);

k_ЧR  4  для взрывоопасной среды.

Пример 4.1

Для ЭД с номинальным напряжением U_НОМ,ЭД = 0,38 кВ типа 4А80В2У3 требуется выполнить защиту от токов КЗ с помощью плавких предохранителей. Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.1. Среда в помещении, где установлен ЭД, нормальная.

Таблица 4.1  Исходные данные к контрольному примеру п. 4.2.2

Сеть				Электродвигатель
UC, кВ	I(3)к,max, кА	I(3)KR, кА	I(1)KR, кА	Р2,НОМ, кВт		cos 	kП	условия пуска
0,38	1,2	1,0	0,36	2,2	0,83	0,87	6,5	легкие
П римечания 1. Р2,НОМ  активная номинальная мощность на валу ЭД. 2.   коэффициент полезного действия ЭД.

Расчет выполним в следующей последовательности:

а) определим номинальный ток ЭД:

б) определим пусковой ток ЭД:

I_{ПУСК,ЭД} = k_ПI_НОМ,ЭД = 6,5  4,63 = 30,1 А;

в) определим параметры предохранителя. Из выражений (4.1), (4.2) и таблицы 4.1 имеем: U_HOM,ПР = 0,38 кВ;

I_HOM,ПР  4,63 А, по данным таблицы Б.1 для предохранителя типа ПН2100 принимаем I_HOM,ПР = 100 А;

I_{НОМ,ОТКЛ} = 100 > 1,2 кА;

I_НОМ,ПВ  I_{ПУСК,ЭД}/k = 30,1/2,5 = 12 А, по данным таблицы Б.1 принимаем I_НОМ,ПВ = 31,5 > 4,63 А.

Из условия (4.2.3) имеем

I_НОМ,ПВ = 31,5  0,866110³/(1015) = 86,657,4 А.

Из выражения (4.3) и таблицы (4.1) имеем

k_ЧR = I⁽¹⁾_KR10³/ I_HOM,ПB = 0,36 10³/31,5 = 11,4 > 3, что допустимо.

4.2.2.3 Защита ЭД автоматическими выключателями

Автоматический выключатель (автомат) ЭД выбирается, исходя из следующих условий:

а) по условиям нормального режима;

б) по условиям стойкости при КЗ: условия предельной коммутационной способности, электродинамической стойкости, термической стойкости  в данном контрольном задании не рассматриваются;

в) по условию селективности автомата и магнитного пускателя.

Выбор автомата ЭД по условиям нормального режима производится по выражениям

UHOM,В  UC; IHOM,РАСЦ  IНОМ,ЭД,

(4.4)

где U_HOM,В  номинальное напряжение автомата, кВ;

I_HOM,РАСЦ  номинальный ток расцепителя, А.

Для защиты ЭД от токов КЗ и перегрузки широкое распространение получили автоматы с комбинированным (электромагнитным  отсечка и тепловым) расцепителем.

Несрабатывание отсечки при пуске ЭД обеспечивается выбором тока срабатывания отсечки I_C,O, A, по выражению

I_C,O  k_H  I_{ПУСК,ЭД}, (4.5)

где k_H  коэффициент надежности отстройки отсечки от пускового тока

ЭД; для электромагнитного расцепителя автомата серии ВА

k_H = 2,1, для полупроводникового расцепителя k_H = 1,5 [5].

Коэффициент чувствительности отсечки при двухфазном k⁽²⁾_Ч и однофазном k⁽¹⁾_Ч КЗ на выводах ЭД определяется по выражениям

k(2)Ч= 0,867I(3)KR103/ IС,О  1,1kP; k(1)Ч = I(1)KR103/ IС,О  1,1kP,

(4.6)

где k_P  коэффициент разброса срабатывания отсечки по току;

для автомата серии ВА k_P = 1,3 [5, с. 91, таблица 33].

При недостаточной чувствительности к междуфазным КЗ выполняют одно из следующих мероприятий: уточняют значение I_C,O с учетом влияния сопротивления внешней сети на пусковой ток ЭД [5, с. 9293]; применяют другой тип автомата; на 12 ступени увеличивают сечение кабеля; пересматривают первичную схему и место подключения ЭД; применяют выносную релейную защиту [5, с. 115123].

При недостаточной чувствительности к однофазным КЗ дополнительно к указанным выполняют следующие мероприятия: применяют другую конструкцию кабеля (с нулевой жилой, алюминиевой оболочкой); прокладывают дополнительные зануляющие металлические связи; применяют автомат со встроенной защитой от однофазных КЗ; устанавливают специальную выносную релейную защиту от однофазных КЗ; возлагают отключение однофазных КЗ на защиту ЭД от перегрузки (зависимый элемент расцепителя, что наименее предпочтительно, поскольку существенно затягивает отключение КЗ.

Ток срабатывания защиты от перегрузки I_C,П, А, определяется из условия возврата защиты после окончания пуска или самозапуска ЭД по выражению

I_C,П = k_H  I_HOM,ЭД/k_B, (4.7)

где k_H  коэффициент надежности, учитывающий запас по току, неточ-

ность настройки и разброс срабатывания защиты;

k_B  коэффициент возврата защиты.

Для автоматов серии ВА51 с комбинированным расцепителем k_B = 1, k_H = 1,21,35. Для автоматов серии ВА с полупроводниковым расцепителем k_B = 0,970,98, k_H = 1,191,32.

Ток срабатывания защиты от перегрузки, вычисленный по выражению (4.7), не должен превышать нормируемое значение, определяемое кратностью (таблица Б.2Б.4). Наилучшая защита от перегрузки обеспечивается, если I_HOM,РАСЦ = I_HOM,ЭД.

Время срабатывания защиты от перегрузки t_С,П, с, принимается из условия несрабатывания защиты при пуске или самозапуске ЭД при токе, равном пусковому, по выражению

t_С,П  (1,52)t_ПУСК, (4.8)

где t_ПУСК  длительность пуска или самозапуска ЭД, с (см. таблицу А.1).

Время срабатывания защиты от перегрузки для автоматов с комбинированным расцепителем не регулируется и составляет 820 с.

Время срабатывания защиты от перегрузки для автоматов с полупроводниковым расцепителем при токе 6I_{РАСЦ,НОМ} регулируется ступенчато с уставками 4, 8 и 16 с.