Lekcija_No_3

Лекция № 3

ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ

Основными видами повреждений линий электропередач являются междуфазные и однофазные к.з. Защита линии должна выявить факт возникновения повреждения и сформировать команду на отключение выключателей повреждённой линии от источников питания.

Для защиты линий от к.з. широкое распространение получили защиты, реагирующие на увеличение тока выше заранее установленного значения (уставки).

Такие защиты называются максимальными токовыми защитами (МТЗ).

Максимальные токовые защиты могут быть реализованы с помощью

различных технических средств:

−предохранителей с плавкими вставками;

−электромагнитных и тепловых расцепителей автоматических выключателей (автоматов);

−максимальных реле тока в совокупности с реле времени, промежуточными и указательными реле.

МТЗ широко используется в радиальных электрических сетях напряжением до

35 кВ.

В сетях напряжения до 1 кВ токовые защиты, как правило, выполняются на предохранителях или с помощью автоматических выключателей, а в сетях выше 1 кВ

сиспользованием реле.

1.1. Токовая защита с использованием предохранителей

Предохранитель представляет собой простейший коммутационный аппарат, состоящий из цилиндрического корпуса, изготовленного из изолирующего материала и двух металлических электродов, закрывающих корпус с обоих торцов. Электроды соединяются между собой плавкой вставкой, проходящей внутри корпуса предохранителя.

Принцип действия предохранителей основан на тепловом действии электрического тока. Согласно закону Джоуля-Ленца при прохождении тока по проводнику сопровождается выделением определённого количества тепла.

Внормальном режиме выделяемое в плавкой вставке предохранителя тепло нагревает саму вставку и корпус предохранителя

ирассеивается в окружающую среду. Температура нагрева плавкой вставки в нормальном режиме не превышает температуру её плавления.

Врежимах к.з. и при перегрузках увеличение тока через плавкую вставку предохранителя приводит к увеличению количества выделяемого тепла, и температура проводника плавкой вставки начнёт повышаться. При значительном увеличении тока (или времени прохождения тока) температура может достичь температуры плавления металла плавкой вставки, вставка плавится (перегорает), и происходит разрыв электрической цепи. Очевидно, чем больше сила тока (или

время прохождения тока) по плавкой вставке, тем быстрее она

перегорает. На этом явлении и основан принцип действия предохранителей с плавкими вставками.

Предохранитель выполняет функции всех элементов токовой защиты, а также функции измерительного преобразователя тока и выключателя линии. С помощью предохранителей защита осуществляется наиболее просто и дешево (при их использовании не требуется устанавливать трансформаторы тока и напряжения, реле и автоматические выключатели).

В сетях переменного и постоянного тока напряжением до 1 кВ предохранители с плавкими вставками являются основным видом защиты. В некоторых случаях предохранители используются и в сетях переменного тока более высоких напряжений (до 110 кВ), когда они удовлетворяют требуемым параметрам и условиям эксплуатации.

Предохранители применяются для защиты от к.з. и от перегрузки не только линий, но и трансформаторов, электродвигателей и др. электрооборудования, при условии, что минимальное напряжение и ток, а также предельный отключаемый ток соответствуют параметрам сети, если при этом обеспечиваются необходимые чувствительность и селективность.

Предохранители устанавливаются на всех фазах между разъединителем (или рубильником) и защищаемым элементом, для того, чтобы замену перегоревших плавких вставок можно было производить со снятием напряжения.

Предохранители характеризуются следующими техническими параметрами:

−номинальное напряжение предохранителя (Uпр.ном);

−номинальный ток плавкой вставки (Iвс.ном);

−номинальный ток предохранителя (Iпр.ном);

−предельный отключаемый ток (Iоткл.макс).

Любой предохранитель обладает время-токовой характеристикой плавкой вставки (защитной характеристикой).

Из рис. 3-1 видно, что защитная характеристика плавкой вставки представляет собой зависимость времени разрыва предохранителем цепи от проходящего через предохранитель тока, отнесенного к номинальному току плавкой вставки или к кратности этого тока к номинальному току вставки.

Рис. 3 1. Защитная (время токовая) характеристика плавной вставки.

Выбор предохранителей, используемых в качестве токовой защиты, должен осуществляться с соблюдением следующих условий:

Uпр.ном. ≥Uс

Действительное напряжение сети не должно превышать номинального напряжения предохранителя больше чем на 10%.

Номинальный ток плавкой вставки во всех случаях необходимо выбирать минимальным, при этом плавкая вставка не должна перегорать при прохождении по ней длительного тока нагрузки Iраб.

необходимо учитывать возможность возникновения кратковременных перегрузок вызванных пусками электродвигателей или технологическими перегрузками механизмов и др. причинами.

Для выполнения этого условия Iвс.ном выбирают таким, чтобы при перегрузке время перегорания плавкой вставки было больше времени перегрузки:

При тяжёлых условиях пуска и самозапуска электродвигателей Кпер принимается 1,5-2, при лёгких пусках Кпер= 2,5.

Селективность токовой защиты на предохранителях достигается путём согласования защитных характеристик смежных участков электрической сети. Например, при к.з. в точке К1 радиальной сети (рис. 3-2) раньше других должна перегореть плавкая вставка

предохранителя 1, а при к.з. в точке К2 предохранитель 2 должен сработать раньше предохранителя 3. Поэтому защитные

характеристики предохранителей, расположенных ближе к источнику питания, должны лежать выше характеристик предохранителей более удалённых от источника питания элементов сети.

Рис. 3 2. Согласования характеристик предохранителей в радиальной электрической сети.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев невозможно согласовать предохранители смежных элементов сети из-за нестабильности их защитных характеристик, что существенно ограничивает область их применения.

Выводы:

1.Предохранитель представляет собой коммутирующий аппарат, выполняющий одновременно с коммутацией функции токовой защиты.

2.Действие предохранителя основано на выделении тепла при прохождении тока по его плавкой вставке.

3.Предохранители, как дешёвые и простые аппараты получили широкое распространение в электроустановках и электрических сетях напряжением до 1 кВ.

1.2.Токовая защита с использованием расцепителей встроенных в автоматические воздушные выключатели до 1 кВ.

Впоследние годы вместо предохранителей для защиты от к.з. и перегрузки электроустановок до 1 кВ широко стали применять электромагнитные, тепловые и полупроводниковые расцепители встроенные в автоматические воздушные выключатели (автоматы).

Автоматы представляют собой коммутационные аппараты, состоящие из выключателя с мощной контактной системой для разрыва тока к.з. и автоматических защитных устройств (расцепителей), представляющих собой реле прямого действия,

которые автоматически отключают выключатель, если, проходящий через него ток, превышает ток уставки расцепителя. Поэтому такие выключатели получили название автоматических выключателей.

Автоматы имеют ряд преимуществ по сравнению с предохранителями. А именно:

− готовность к немедленному включению после аварийного отключения защищаемой цепи;

− одновременное отключение всех фаз (полюсов) защищаемой цепи.

В зависимости от типа автомата в них устанавливаются различные расцепители: тепловые, электромагнитные, электронные.

Тепловой расцепитель представляет собой тепловое реле, принципиальная схема которого приведена на рис. 3-3. Основным элементом теплового реле, которое реагирует на количество тепла, выделяемого в его нагревательном элементе (биметаллической пластине) при прохождении через него тока. Биметаллическая пластина 1, выполняется из 2-х различных металлов а и б, которые при нагревании удлиняются на разную величину, вследствие чего пластина изгибается и освобождает защёлку 2. Далее под действием пружины 3 производится отключение автомата и замыкание контакта 4. Время срабатывания тепловых расцепителей тем больше, чем меньше ток перегрузки.

ЭлектромагнитныйРис. 3 3. Принципиальная схема тепловогопредставляетрасцепителя.собой электромагнит, который при мгновенно притягивает якорь, вследствие чего происходит отключение автомата.

Принципиальная схема электромагнитного расцепителя мгновенного действия и его защитная характеристика представлена на рис. 3-4.

Рис. 3 4 Принципиальная схема (а) и время токовая характеристика (б)

Приэлект.з. ртокмагнитного, превышающийасцепителяуставкумгновенногорасцепителядействия, проходит. через обмотку электромагнита Э и якорь Я, преодолевая усилие пружины П1, притягивается к электромагниту. Далее, рычаг защёлки Р3 поворачивается, расцепляя защёлку З и под действием пружины П2 силовые контакты автомата размыкаются, отключая повредившийся элемент сети от источника питания.

Электромагнитными расцепителями мгновенного действия оснащаются выпускаемые отечественной промышленностью автоматические выключатели серии А.

Промышленностью выпускаются также автоматы, имеющие

комбинированные расцепители (например, автоматы серии АВМ),

которые осуществляют защиту, как от перегрузки, так и от к.з. Комбинированные расцепители могут содержать комбинацию из 2-х расцепителей теплового и электромагнитного или 2-х электромагнитных расцепителей один из которых осуществляет защиту от перегрузки (время его срабатывания зависит от величины тока), другой – защиту от к.з. (мгновенный).

Принципиальная схема комбинированного расцепителя и его защитная (время-токовая) характеристика представлены на рис. 3-5. При возникновении тока перегрузки электромагнитная сила притяжения якоря Я к электромагниту Э не преодолевает усиление сильной пружины П3, но способна растянуть слабую пружину П1. В результате часовой механизм ЧМ запускается через рычаг Р. При повороте оси ЧМ на определённый угол, прекращается удерживание оси часовым механизмом, якорь притягивается к электромагниту, защёлка З освобождается и автомат отключается, разрывая силовые контакты. При токе к.з. электромагнитное усилие мгновенно преодолевает усилие пружины П3 и автомат срабатывает мгновенно. Значения уставок могут изменяться при помощи устройств уставки У1 и У2 с фиксацией на шкалах Ш1 и Ш2.

Рис. 3 5. Принципиальная схема (а) и время токовая характеристика (б) электромагнитного расцепителя с часовым механизмом.

С целью расширения возможностей использования автоматов для выполнения токовой защиты автоматы серии АВМ могут оборудоваться так называемым замедлителем расцепителя, который создаёт независимую от тока дополнительную выдержку времени 0,25-0,4 с или 0,4-0,6 с. Наличие замедлителя сдвигает защитную характеристику автомата вверх, что расширяет возможности согласования время-токовых характеристик

автоматов установленных на смежных участках электрической сети. Такие автоматы называются селективными.

Автоматы серии А3100 оснащаются тепловыми расцепителями. Автоматы серий А3110, А3120, А3130 и А3140 оснащаются

электромагнитными расцепителями мгновенного действия и тепловыми расцепителями.

Основные технические параметры автоматических выключателей:

−номинальное напряжение автомата Uав. ном.;

−номинальный ток автомата Iав. ном.;

−номинальный ток расцепителя Iрасц.ном.;

−ток уставки расцепителя замедленного действия Iуст.1;

−ток уставки расцепителя мгновенного действия Iуст.2.

Выбор автоматов, используемых в качестве токовой защиты, должен осуществляться с соблюдением следующих условий:

Uав.ном. ≥ Uсети

Кроме того, расцепитель автомата характеризуется его защитной (время-токовой) характеристикой.

Ток перегрузки Iпер. определяется с учётом пусковых токов электродвигателей. Защита считается чувствительной, если

Выводы:

1.Автоматические выключатели (автоматы) представляют собой аппараты, состоящие из выключателя с мощной контактной системой для отключения токов к.з. и реле токовой защиты, действующих на отключение автомата при возникновении повреждения или перегрузки.

2.Автоматы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с плавкими предохранителями:

−готовность к быстрому включению немедленно после отключения защищаемой линии;

−способность отключать все три фазы защищаемого присоединения, в то время как перегорание предохранителя в одной фазе может привести к опасному режиму работы на 2-х фазах для электродвигателей.

3.Наличие лучших защитных (время-токовых) характеристик автоматов, по сравнению с плавкими предохранителями предопределило широкое их применение в качестве основной токовой защиты в электрических сетях до 1 кВ.