Максимальная токовая защита: принцип действия, виды, примеры схем

В силу разных причин аварии в электросетях случаются довольно часто. При коротком замыкании губительно действует на все электроприборы сверхток. Если не предпринять защитных мер, то последствием от неуправляемого увеличения тока может стать не только повреждение электроустановок на участке от места аварии до источника питания, но и выведение из строя всей энергосистемы. Во избежание негативных последствий, вызванных авариями, применяются разные схемы электрозащиты:

• отсечка;
• дифференциально-фазная;
• высокоэффективная максимальная токовая защита электрических цепей (МТЗ).

Из перечисленных видов защиты самой распространённой является МТЗ. Этот простой и надёжный способ предотвращения опасных перегрузок линий нашёл широкое повсеместное применение благодаря обеспечению селективности, то есть, обладанию способностью избирательно реагировать на различные ситуации.

Устройство и принцип действия

Конструктивно МТЗ состоят из двух важных узлов: автоматического выключателя и реле времени. Они могут быть объединены в одной конструкции либо размещаться отдельными блоками.

Отличия от токовой отсечки

Из всех видов защиты по надёжности лидирует токовая отсечка. Примером может служить защита бытовой электросети устройствами с применением плавких предохранителей или пакетных автоматов. Метод токовых отсечек гарантирует обесточивания защищаемой цепи в аварийных ситуациях. Но для возобновления подачи электроэнергии необходимо устранить причину отсечения и заменить предохранитель, либо включить автомат.

Недостатком такой системы является то, что отключение может происходить не только вследствие КЗ, но и в результате даже кратковременного превышения параметров по току нагрузки. Кроме того, требуется участие человека для восстановления защиты. Эти недостатки не критичны в бытовой сети, но они неприемлемы при защите разветвлённых линий электропередач.

Благодаря тому, что в конструкциях МТЗ предусмотрены реле времени, задерживающие срабатывание механизмов отсечения, они кратковременно игнорируют перепады напряжений. Кроме того, токовые реле сконструированы таким образом, что они возвращаются в исходное положение после ликвидации причины, вызвавшей размыкание контактов.

Именно эти два фактора кардинально отличают МТЗ от простых токовых отсечек, со всеми их недостатками.

Принцип действия МТЗ

Между узлом задержки и токовым реле существует зависимая связь, благодаря которой отключение происходит не на начальной стадии возрастания тока, а спустя некоторое время после возникновения нештатной ситуации. Данный промежуток времени слишком короткий для того, чтобы величина тока достигла критического уровня, способного навредить защищаемой цепи. Но этого хватает для предотвращения возможных ложных срабатываний защитных устройств.

Принцип действия систем МТЗ напоминает защиту токовой отсечки. Но разница в том, что токовая отсечка мгновенно разрывает цепь, а МТЗ делает это спустя некоторое, наперёд заданное время. Этот промежуток, от момента аварийного возрастания тока до его отсечения, называется выдержкой времени. В зависимости от целей и характера защиты каждая отдельная ступень времени задаётся на основании расчётов.

Наименьшая выдержка времени задаётся на самых удалённых участках линий. По мере приближения МТЗ к источнику тока, временные задержки увеличиваются. Эти величины определяются временем, необходимым для срабатывания защиты и именуются ступенями селективности. Сети, построенные по указанному принципу, образуют зоны действия ступеней селективности.

Такой подход обеспечивает защиту поврежденного участка, но не отключает линию полностью, так как ступени селективности увеличиваются по мере удаления МТЗ от места аварии. Разница величин ступеней позволяет защитным устройствам, находящимся на смежных участках, оставаться в состоянии ожидания до момента восстановления параметров тока. Так как напряжение приходит в норму практически сразу после отсечения зоны с коротким замыканием, то авария не влияет на работу смежных участков.

Примеры использования защиты

МТЗ используют:

• с целью локализации и обезвреживания междуфазных КЗ;
• для защиты сетей от кратковременных перегрузок;
• для обесточивания трансформаторов тока в аварийных ситуациях;
• в качестве протектора при запуске мощного, энергозависимого оборудования.

Задержка времени очень полезна при пуске двигателей. Дело в том, что на старте в цепях обмоток наблюдается значительное увеличение пусковых токов, которое системы защиты могут воспринимать как аварийную ситуацию. Благодаря небольшой задержке времени МТЗ игнорирует изменение параметров сети, возникающие при пуске или самозапуске электродвигателей. За короткое время показатели тока приближаются к норме и причина для аварийного отключения устраняется. Таким образом, предотвращается ложное срабатывание.

Пример подключения МТЗ электродвигателя иллюстрирует схема на рисунке 1. На этой схеме реле времени обеспечивает уверенный пуск электромотора до момента реагирования токового реле.

Аналогично работает задержка времени при кратковременных перегрузках в защищаемой сети, которые не связаны с аварийными КЗ. Отсечка действует лишь в тех случаях, когда на защищаемой линии возникает значительное превышение номинальных значений, которое по времени превосходит величину выдержки.

Для надёжности защиты на практике часто используют схемы двухступенчатой и даже трёхступенчатой защиты участков цепей. Стандартная трёхступенчатая защитная характеристика выглядит следующим образом (Рис. 2):

На абсциссе отмечено значения тока, а на оси ординат время задержки в секундах. Кривая в виде гиперболы отображает снижение времени защиты от возрастания перегрузок. При достижении тока отметки 170 А включается отсчёт времени МТЗ. Задержка времени составляет 0,2 с, после чего на отметке 200 А происходит отключение. То есть, разрыв цепи происходит в случае отказа защиты остальных устройств.

Отличия от токовой отсечки

Защита линий от коротких замыканий также осуществляется с помощью токовой отсечки. Принцип её работы аналогичен — отключение электричества при перегрузке линии. Основным отличием является то, что селективность максимальной токовой защиты обеспечивается задержкой времени, а токовая отсечка отключает напряжение почти мгновенно при возникновении КЗ. При этом время срабатывания и селективность отсечки определяется номиналами и уставками защитных аппаратов и их время-токовыми характеристиками.

Более подробно вопрос рассмотрен на видео:

Расчет тока срабатывания МТЗ

Стабильность работы и надёжность функционирования максимально-токовой защиты зависит от настройки параметров по току срабатывания. Расчёты должны обеспечивать гарантированное срабатывание реле при авариях, однако на её работу не должны влиять параметры тока нагрузки, а также кратковременные всплески, возникающие в режиме запуска двигателей.

Следует помнить, что слишком чувствительные реле могут вызывать ложные срабатывания. С другой стороны, заниженные параметры срабатывания не могут гарантировать безопасности стабильной работы электроприборов. Поэтому при расчетах уставок необходимо выбирать золотую середину.

Существует формула для расчёта среднего значения тока, на который реагирует электромагнитное реле [ ]:

Iс.з. > Iн. макс.,

где Iс.з. – минимальный первичный ток, на который должна реагировать защита, а Iн. макс. – предельное значение тока нагрузки.

Ток возврата реле подбирается таким образом, чтобы его хватило повторного замыкания контактов в отработавшем устройстве. Для его определения используем формулу:

Iвз = kн.×kз.×Iраб. макс.

Здесь Iвз– ток возврата, kн. – коэффициент надёжности, kз – коэффициент самозапуска, Iраб. макс. – величина максимального рабочего тока.

Для того чтобы токи возврата и срабатывания максимально приблизить, вводится коэффициент возврата, рассчитываемый по формуле:

kв = Iвз / Iс.з. с учётом которого Iс.з. = kн.×kз.×Iраб. макс. / kв

В идеальном случае kв = 1, но на практике этот коэффициент всегда меньший за единицу. Чувствительность защиты тем выше, чем выше значение kв.. Отсюда вывод: для повышения чувствительности необходимо подобрать kв в диапазоне, стремящимся к 1.

Мгновенная токовая отсечка на линии с односторонним питанием

Зона действия токовой отсечки определяется графически. На рисунке наша защищаемая линия между точками АВ. Сначала строится кривая зависимость значения тока короткого замыкания от расстояния до точки КЗ. Точка КЗ в нашем примере – это конец линии, точка А.

Затем строится прямая параллельная оси расстояния равная току срабатывания отсечки. Область пересечения прямой и кривой представляет собой зону действия защиты. В нашем примере зона действия защиты – это отрезок ВБ.

Также зону действия токовой отсечки можно определить по выражению:

где:

• xЛ – сопротивление линии, для которой выбираем защиту
• EC – эквивалентная ЭДС генераторов системы
• xC – сопротивление системы

Ток срабатывания защиты определяется по выражению ниже:

где:

• kН – коэффициент надежности
• IK.MAX – максимальный ток короткого замыкания в конце линии

Коэффициент надежности учитывает погрешности при расчете тока кз и погрешность срабатывания реле.

Коэффициент чувствительности отсечки рассчитывается по выражению:

где в числителе максимальный ток КЗ в начале защищаемой линии, в примере это точка В, а в знаменателе ток срабатывания защиты.

Виды максимально-токовых защит

В электрических сетях используют 4 разновидности МТЗ. Их применение диктуется условиями, которые требуется создать для уверенной работы электрооборудования.

МТЗ с независимой от тока выдержкой времени

В таких устройствах выдержка времени не меняется. Для задания уставок периода, достаточного для активации реле с независимыми характеристиками, учитывают ступени селективности. Каждая последующая выдержка (в сторону источника тока) увеличивается от предыдущей на промежуток времени, соответствующий ступени селективности. То есть, при расчётах необходимо соблюдать условия селективности.

МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени

В данной защите процесс задания уставок МТЗ требует более сложных расчётов. Зависимые характеристики, в случаях с индукционными реле, выбирают по стандарту МЭК: tсз = A / (kn — 1), где A, n – коэффициенты чувствительности, k = Iраб / Iср — кратность тока.

Из формулы следует, что выдержка времени уже не является константой. Она зависит от нескольких параметров, в т. ч. и от силы тока, попадающего на обмотки реле, причём эта зависимость обратная. Однако выдержка не линейная, её характеристика приближается к гиперболе (рис. 3). Такие МТЗ используют для защиты от опасных перегрузок.

МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени

В устройствах данного вида релейных защит совмещено две ступени защиты: зависимая часть с гиперболической характеристикой и независимая. Примечательно, что времятоковая характеристика независимой части является прямой, плавно сопряжённой с гиперболой. При малых кратностях критичных токов характеристика зависимого периода более крутая, а при больших – пологая кривая (применяется для защиты электромоторов большой мощности).

МТЗ с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения

В данном виде дифференциальной защиты применена комбинация МТЗ с использованием влияния минимального напряжения. В электромеханическом реле произойдёт размыкание контактов только тогда, когда возрастание тока в сети приведёт к падению разницы потенциалов. Если падение превысит нижнюю границу напряжения уставки – это вызовет отработку защиты. Поскольку уставка задана на падение напряжения, то реле не среагирует на резкие скачки тока в сети.

Исполнительная часть

Оба вида мероприятий организуются при помощи максимальных реле, которые в теории защиты делятся на:

1. Первичные и вторичные.
2. Прямого и косвенного действия.

Первичным реле прямого действия называется разновидность, где контактор и катушка непосредственно включены в цепь защиты. Управляются по току потребления аппаратуры и его же обрывают. Первичные реле прямого действия широко применяются в цепях до 1 кВ. С повышением класса напряжения до 10 кВ часты вторичные реле прямого действия. Это означает – для снятия величины тока из защищаемой цепи применяется измерительный трансформатор. Контактор включён последовательно с нагрузкой. Этим сильно снижается потребление, уменьшается вносимая прибором в цепь реактивная мощность.

Вторичные реле косвенного действия используются там, где нерационально пытаться переключить громоздкий контактор через маломощный токовый трансформатор. При больших потребляемых токах и повышенных классах напряжения дуга гасится с трудом, приходится применять особые меры. Первичная обмотка токового трансформатора состоит из 1-2 витков либо половинки, не предоставляя сильного управляющего сигнала. Приходится применять указательное реле, командующее исполнительным электромагнитным реле.

Питание катушки контактора выполняется от дополнительной низковольтной сети либо аккумуляторной батареи. Тогда управляющий ток называется оперативным, используется исключительно для приведения в действие схемы защиты.

Максимальные токовые реле изготавливаются с встроенной задержкой либо без. В последнем случае без доработки схемы годятся только для токовой отсечки, способны применяться в тандеме с таймером. И тогда становится возможной максимальная токовая защита. Последний случай обеспечивает большую гибкость, изготовители не в силах предугадать всех особенностей, следовательно, не определят задержку срабатывания верно. Характеристика подобной системы называется независимой от тока, работает без учёта его величины при коротком замыкании на линии. Налицо аналог электромагнитного звена квартирного защитного автомата.

Максимальные реле тока с замедленным срабатыванием часто конструируются так, что время срабатывания тем меньше, чем больше потечёт в цепи амперов. Следовательно, характеризуются зависимой характеристикой. Современные автоматические выключатели напоминают комбинированный класс оборудования, реле с ограниченно зависимой характеристикой. Когда срабатывание выше определённого порога происходит мгновенно, а ниже его – с запаздыванием. К примеру, А. Земсков показывал, что современные автоматы способны целый час работать при перегрузке на 45% прежде, чем питание пропадает.

Защита с зависимой характеристикой часто используется в цепях с классом напряжения 20 кВ. Вполне сочетаются с предохранителями, на коротком отрезке показывающими зависимую характеристику. Высоковольтные линии, как правило, демонстрируют независимую защиту. Если нужна задержка, рекомендуется применять реле времени (таймер). Токовая отсечка строится так, чтобы не отрабатывать КЗ далее по линии. Если брать пример с квартирным щитком, ситуация обеспечивается включением последовательно двух автоматов:

1. 63 А на вводе в щиток.
2. 16 А на розетки.

Очевидно, более чувствительным считается автомат с меньшим номиналом, срабатывающий раньше. Хотя пример не отличается большой наглядностью, но даёт представление, как обеспечивается селективность систем токовой отсечки. Одновременно вносится постулат о невозможности защитить всю линию одновременно.

Примеры и описание схем МТЗ

С целью защиты обмоток трансформаторов, а также других элементов сетей с односторонним питанием используются различные схемы.

МТЗ на постоянном оперативном токе.

Особенность данной схемы в том, что управление элементами защиты осуществляется выпрямленным током, который меняет полярность, реагируя на аварийные ситуации. Мониторинг изменения напряжения выполняют интегральные микроэлементы.

Для защиты линий от последствий междуфазных замыканий используют двухфазные схемы на двух, либо на одном токовом реле.

Однорелейная на оперативном токе

В данной защите используется токовое пусковое реле, которое реагирует на изменение разности потенциалов двух фаз. Однорелейная МТЗ реагирует на все межфазные КЗ.

Преимущества: одно токовое реле и всего два провода для подсоединения.

Недостатки:

• сравнительно низкая чувствительность;
• недостаточная надёжность – при отказе одного элемента защиты участок цепи остаётся незащищённым.

Однорелейка применяется в распределительных сетях, где напряжение не превышает 10 тыс. В, а также для безопасного запуска электромоторов.

Двухрелейная на оперативном токе

В данной схеме токовые цепи образуют неполную звезду. Двухрелейная МТЗ реагирует на аварийные междуфазные короткие замыкания.

К недостаткам этой схемы можно отнести ограниченную чувствительность. МТЗ выполненные по двухфазным схемам нашли широкое применение, особенно в сетях, где используется изолированная нейтраль. Но при добавлении промежуточных реле могут работать в сетях с глухозаземлённой нейтралью.

Трехрелейная

Схема очень надёжная. Она предотвращает последствия всех КЗ, реагируя также и на однофазные замыкания. Трехфазные схемы можно применять в случаях с глухозаземлённой нейтралью, вопреки тому, что там возможны ситуации с междуфазными так и однофазными замыканиями.

Из рисунка 4 можно понять схему работы трёхфазной, трёхлинейной МТЗ.

Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ изображена на рисунке 5.

На схема обозначены:

• KA — реле тока;
• KT — реле времени;
• KL — промежуточное реле;
• KH — указательное реле;
• YAT — катушка отключения;
• SQ — блок контакт, размыкающий цепь;
• TA — трансформатор тока.

Токовая отсечка электродвигателя напряжением выше 1 киловольта

Первичный ток срабатывания электрического двигателя может быть рассчитан по следующей формуле:

$Iсз = Котс*Iпуск$

где: Iпуск — пусковой ток двигателя при номинальном напряжении питающей сети; Котс — коэффициент отстройки, который учитывает наличие апериодической составляющей в пусковом токе и погрешность реле.

Пусковой ток электродвигателя рассчитывается следующим образом:

$Iпуск = Кпуск*Iном$

где: Кпуск — кратность пускового тока; Iном — номинальный ток электрического двигателя.

Данное выражение можно представить в следующем виде:

$Iсз = Котс*Кпуск*Iном$

Ток срабатывания отсечки реле рассчитывается по формуле:

$Iср = (Ксх*Iсз) / Кm = (Ксх*Котс*Кпуск*Iном) / Кm$

где: Ксх — коэффициент схемы; Кm — коэффициент трансформации трансформаторов тока защиты.

Чувствительность токовой отсечки подвергается проверке при двухфазном коротком замыкании на выводах электрического двигателя при минимальном режиме сети питания:

$Кч = (√ 3 / 2) * (Iкзмин(3) / (Кm*Iсз))$

где Iкзмин — минимальное значение тока трехфазного короткого замыкания в защите при повреждениях на выходе электродвигателя.

Дополнительно, графическим способом, можно определить эффективность работы отсечки, для чего используются усредненные зависимости фазных токов, которые протекают через выводы двигателя при внутренних повреждениях двигателя при двухфазном коротком замыкании, от числа замкнувшихся витков.