4.4. Координация автоматических выключателей. Селективность и каскадное включение

Термин «координация» определяет и характеризует поведение двух и более последовательно расположенных защитах аппаратов, например, автоматических выключателей при аварийных режимах.

Селективность (избирательность) заключается в обеспечении такой координации времятоковых характеристик последовательно расположенных выключателей, чтобы в случае повреждения отключался только выключатель, наиболее близкий к повреждению.

Различают полную и частичную селективность:

• в случае полной селективности при значении тока КЗ в линии потребителя меньшего или равного максимальному значению тока КЗ в точке А (рис. 4.17) срабатывает только автоматический выключатель QF2

• частичная селективность: при токе КЗ в линии потребителя ниже определенного значения срабатывает только автоматический выключатель QF2, при токе КЗ в линии потребителя, равном или выше этого определенного значения, срабатывают автоматические выключатели QF1 и QF2.

Для пары последовательно стоящих в одной сети выключателей существует понятие предельного тока селективности I_s (рис. 4.18). Если возникший в сети ток КЗ меньше тока I_s, то срабатывает только нижний выключатель QF2. В случае возникновения в сети тока КЗ большего I_s возможно одновременное срабатывание обоих выключателя QF1 и QF2.

Как правило, предельный ток селективности определяется нижней границей уставки мгновенного срабатывания верхнего выключателя QF1.

Существуют следующие типы селективности: по току и времени, логическая и энергетическая селективность.

Селективность по току (рис. 4.19, а) основывается на выборе автоматических выключателей, имеющих различные уставки тока срабатывания (автоматические выключатели на стороне питания имеют более высокие уставки). Этот тип селективности чаще используется на уровне конечных потребителей. У выключателей, выпускаемых разными производителями, минимальное соотношение уставок по току срабатывания различно, но приблизительно оно должно быть не менее 2.

Селективность по времени (рис. 4.19, б) достигается путем выбора выключателей с преднамеренной задержкой времени срабатывания М (выключатель, ближайший к источнику питания QF1 имеет большее время срабатывания). Селективность по времени требует задержки не менее 100 мс по отношению ко времени срабатывания автоматического выключателя на стороне нагрузки.

Рис. 4.17. Каскадное включение двух автоматических выключателей: QF1 - вышестоящий выключатель; QF2 - нижестоящий выключатель; А – место КЗ.

Рис. 4.18. Соотношение токов QF1 при частичной селективности: Ir,QF2 - уставка защиты от перегрузок нижестоящего выключателя; Is -предельный ток селективности, IКЗ, max –максимальный ток КЗ при аварии непосредственно на выводах отходящей линии нижестоящего выключателя.

Рис. 4.19. Селективность по току (а); селективность по времени (б)

Для обеспечения временной селективности, также как и при токовой, выключатели должны иметь разные уставки защиты от перегрузки. Соотношение между этими уставками срабатывания выключателей на стороне питания и на стороне нагрузки должно быть не менее 1,5.

Применение токоограничивающих выключателей позволяет изменять предел селективности, т.е. улучшать токовую и временную селективность. Если нижний выключатель QF2 выбран токоограничивающим, то возникший ток повреждения I_КЗ, который будет протекать через выключатель QF1, ограничивается выключателем QF2.

Рис. 4.20. Логическая селективность

Короткое замыкание может возникнуть на любом участке электроустановки, в том числе и на участках между выключателями (вне зоны пересечения ответственности выключателей). Но токи КЗ на входе и выходе выключателя QF2 (рис. 4.20) могут быть практически одинаковыми, поэтому необходимо «сообщать» вышестоящему выключателю QFl, что QF2 не в состоянии отключить возникшее КЗ. Такой принцип передачи информации по контрольному про-воду от нижнего выключателя верхнему носит название логической селективности. Контрольный провод соединяет последовательно расположенные выключатели. В аварийном режиме выключатель, расположенный выше повреждения, обнаруживает его и посылает сигнал блокировки мгновенного срабатывания на верхний уровень, т.е. вышестоящему выключателю. В этом случае вышестоящий аппарат будет работать с заданной блоком управления выдержкой времени. Если вышестоящий автоматический выключатель не получает сигнал блокировки, он срабатывает мгновенно.

Логическая селективность может быть реализована даже на выключателях с близкими номинальными токами, но эти выключатели должны иметь специальные электронные расцепители.

При защите от больших токов КЗ используется принцип энергетической селективности (рис. 4.21), при котором сравниваются кривые «энергии» I²t=f(I_КЗ) срабатывания аппарата QF2 и несрабатывания аппарата QF1. При возникновении большого тока КЗ контакты выключателей QF1 и QF2 начинают размыкаться, ограничивая ток. Нижестоящий автоматический выключатель QF2 имеет меньший номинальный ток и более эффективное токоограничение. Он отключает цепь КЗ и ограничивает ток таким образом, что «энергия» будет недостаточна для отключения вышестоящего аппарата QFl.

Каскадное включение («резервная защита») позволяет использовать устройства защиты с отключающей способностью ниже, чем расчетный ток КЗ в точке его установки, при условии, что имеется другое устройство защиты с необходимой отключающей способностью на стороне питания.

Принцип заключается в установке верхнего автоматического выключателя QF 1 с целью «оказания помощи» нижнему выключателю QF2 при отключении токов КЗ, которые превышают его предельную наибольшую отключающую способность I_cu

Наглядно отобразить этот принцип можно при помощи кривых «энергии» I²t выключателей (см. рис. 4.21). В процессе токоограничения участвует не только нижестоящий аппарат QF2, но и вышестоящий аппарат QF1. Однако, несмотря на отталкивание контактов отключение аппарата QF1 не происходит, так как кривая «несрабатывания» проходит выше кривой «отталкивания контактов».

Таким образом, одновременно решаются две задачи: во-первых обеспечивается очень эффективное токоограничение, позволяющее значительно улучшить условия термической и динамической стойкости кабельных линий, шин и т.д.; во-вторых, надежно обеспечивается селективность с нижестоящими аппаратами как при токах I_cu,QF1 и I_cu,QF2 больших ожидаемого тока КЗ, так и при использовании «каскадного соединения», когда I_cu,QF2 меньше ожидаемого тока КЗ.

Рис. 4.21. Кривые «энергии» выключателей: а - несрабатывание QF1; б - отталкивание контактов QF2

Каскадное соединение позволяет в полной мере использовать преимущества токоограничения, снижая отрицательные воздействия токов КЗ (электромагнитные, электродинамические и тепловые)

Установка одного токоограничивающего выключателя дает возможность значительно упростить нижерасположенную сеть следовательно, снизить ее стоимость за счет использования выключателей с меньшей отключающей способностью по отношению к ожидаемому току КЗ.

Селективность и каскадное включение могут быть гарантированы только производителем, который указывает результаты испытаний в специальных таблицах. Однако в критических точках, т.е. там, где времятоковые характеристики сходятся (зона неопределенности), и селективность, и каскадное включение должны проверяться дополнительными испытаниями