Токовые защиты — МТЗ и токовая отсечка

Все потребители электроэнергии подключаются к генераторному концу силовым выключателем. Когда нагрузка соответствует номинальной величине или меньше ее, то причины для отключения отсутствуют, а токовые защиты сканируют схему в постоянном режиме.

Выключатель может отключаться от токовых защит, когда:

1. величина нагрузки в результате возникновения короткого замыкания резко превысила номинальное значение и создались токи КЗ, способные сжечь оборудование. Отключение такой аварии необходимо выполнять максимально быстро;

2. за счет подключения дополнительных потребителей (либо по другим причинам) в схеме возникла перегрузка — ток незначительно превысил уставку. В результате происходит постепенный нагрев оборудования и токоведущих частей, когда нарушается баланс между отводом тепла в атмосферу и тепловым действием тока. В этом случае целесообразно отключать выключатель через небольшой интервал времени, создающий задержку в питаниия схемы, в течение которой излишние нагрузки могут самоустраниться;

3. направление тока через силовой выключатель резко изменилось на противоположное — сдвинулась фаза тока.

Под эти три случая аварийных ситуаций созданы следующий виды токовых защит:

Для работы токовых защит создаются измерительные комплексы, состоящие из:

измерительных трансформаторов тока (ТТ), преобразующих первичный ток во вторичное значение с заданным классом метрологической погрешности;

реле тока, настраиваемые на уставку срабатывания;

схема коммутации, передающая вторичный ток от ТТ к реле с минимально допустимыми потерями.

Токовая отсечка (ТО)

Ее назначение: максимально быстрая ликвидация коротких замыканий, возникающих в начале (минимум порядка 20% протяженности) рабочей зоны, хотя она в отдельных случаях может применяться и для всей линии полностью.

В комплект токовой отсечки входят:

измерительный орган из реле тока, выставленного на срабатывание минимально возможной нагрузки при возникновении металлического замыкания в конце защищаемой зоны (или чувствительности);

промежуточное реле, на обмотку которого подается напряжение от сработавшего контакта измерительного органа. Выходной контакт промежуточного органа воздействует непосредственно на соленоид отключения силового выключателя, отключает его.

Как правило, этих двух реле бывает достаточно. В качестве исключения в состав токовой отсечки может быть введено реле времени, которое включается в логическую схему между измерительным и исполнительным органами для создания временно́й задержки срабатывания нескольких защит в целях их селективности.

Для обеспечения контроля действия цепей управления и отключения в схему вводятся цепи сигнализации на основе указательных блинкеров Кн, которые помогают оперативному персоналу анализировать состояние схемы и работу защит.

Технической характеристикой токовой отсечки является коэффициент чувствительности, определяющий отношение токов трёхфазного КЗ в начале линии к фактическому срабатыванию отсечки. Для токовой отсечки он выбирается ≥1,2.

Токовая максимальная защита (МТЗ)

Назначение: защита объектов от токов, превышающих номинальные величины с учетом коэффициентов:

надежности срабатывания и возврата реле;

Такая отстройка создается для устранения возможностей ложных срабатываний при номинальном режиме.

В комплект МТЗ входят те же компоненты, что и в токовую отсечку, но они обязательно дополняются реле времени, создающим задержку на срабатывание выключателя в целях обеспечения ступеней селективности.

Технической характеристикой МТЗ является коэффициент чувствительности, определяющий отношение токов междуфазного КЗ в конце линии к фактическому срабатыванию максимальной защиты. Для МТЗ он выбирается ≥1,5 для дальнего резервирования и ≥1,2 — внутри собственной зоны.

К токовым защитам в РЗиА также относится дифференциальная защита.

Что такое фидер в электрике?

Можно привести немало примеров из терминологии, когда одно определение (название) применяется к совершенно разным устройствам или понятиям. Яркий пример – фидер, этот термин можно встретить в энергетике, радиотехнике, а также в описании рыболовных снастей и экипировки для пейнтбола. Естественно, что во всех приведенных примерах речь идет о разных понятиях. Давайте разберемся, что означает фидер в электрике.

Что такое фидер в электрике?

Название термина произошло от английского слова «feeder», которое имеет несколько вариантов перевода. Из них наиболее близкий к энергетической области – «вспомогательная линия», что как нельзя лучше, описывает назначение электрического фидера. Это, пожалуй, единственное четкое определение данного термина в энергетике, поскольку в нормативных документах оно не фигурирует.

Такое положение вызывает некоторую путаницу даже в среде профессионалов, поскольку под этим термином может подразумеваться как ЛЭП, от которой запитаны основные узлы подстанций (см. рис. 1), так и линии между трансформаторами и определенными выключателями. Также, в некоторых случаях, под это понятие попадают кабельные сети и воздушные линии с классом напряжения 6,0-10,0 кВ.

Фидеры на рисунке отмечены красным

Обратим внимание, что с учетом перевода слова «feeder», такое выражение как «фидерные линии» будет восприниматься как тавтология, поэтому лучше от него воздержаться.

Виды и классификация

Учитывая, что у данного термина несколько определений, то классификацию разумно проводить по области применения, перечислим их:

1. Радиотехника (радиофидер). В данной области под фидером подразумеваются линии, по которым передается радиочастотный сигнал от антенного устройства к приемнику, а также обеспечивается связь между передатчиком и антенной. В данной области также можно встретить следующие термины:

• высокочастотный фидер (коаксиальный кабель);
• фидерный кабель (тоже значение, что и выше);
• фидерный мост (конструкция для кабельной магистрали от антенного комплекса до технического помещения).

1. Производство электроники. Иногда ввод питания на станках ЧПУ называют фидерным вводом. В данном случае имеет место некорректного перевода технической документации к оборудованию, но данный термин прижился и часто используется.
2. Среди рыболовного снаряжения есть фидерная оснастка.
3. Снаряжение для пейнтбола. Данный термин применяется к механизму подачи шариков в маркер, а также контейнеру, где они размещаются.
4. Энергетика. Здесь не все так определенно, поэтому
5. Как уже описывалось выше, в энергетике нет четкого определения термину фидер, поэтому классификация возможна только исходя из практического применения.

Фидер на подстанции

Приведем практический пример, который поможет понять, как данный термин рассматривается в электроэнергетике. Для этой цели рассмотрим фрагмент схемы подстанции, приведенный ниже.

Фрагмент схемы подстанции

В данном, примере под определение фидер попадает вся цепь с распределительными устройствами, подключенная к ячейке подстанции Ф101, то есть участки, обозначенные на схеме, как А и В. В тоже время этим термином можно назвать линию, подающую питания на сеть распределительных устройств (А). В этом случае участок В будет рассматриваться в качестве сети фидера 101.

Если требуется снять нагрузку с определенного фидера то, отключается выключатель конкретной фидерной ячейки. Когда речь идет о повреждении фидера, то под этим подразумевается авария на линии питания распределительной сети (участок B).

С одной стороны это позволяет точно идентифицировать участок или линию, с другой, вносится путаница. Например, под отключением фидера можно понять как отключение кабеля от ячейки, так и главного выключателя сети (B), в последнем случае линия подвода питания останется под напряжением. Практикуемая сейчас идентификация линий по номерам исключает такую ошибку. Что касается термина «фидер», то он употребляется все реже.

Конструкция фидера

Мы специально использовали для раздела такое оглавление, чтобы показать его абсурдность. Такое решение возникло после того, как просматривая тематические форумы, обратили внимание на часто встречающиеся вопросы, касательно конструкции и внешнего вида фидера.

Дело в том, что в энергетике, и электрике в частности, термин используется как определение, позволяющее идентифицировать тот или иной участок цепи по его отношению источнику питания. То есть, в данном случае просить описать конструкцию фидера, или показать как он выглядит, равносильно требованию предоставить фотографию потребляемой мощности.

Применение фидеров в электроэнергетике

Наиболее наглядным примером будут тяговые подстанции, обеспечивающие функционирование электротранспорта. Ниже представлена упрощенная схема организации тягового электроснабжения.

Элементы тяговой подстанции

Обозначения:

• А – Электроподвижной состав.
• В – Рельсовая контактная сеть.
• С — Высоковольтная контактная электросеть.
• D – Вспомогательная линия тяговой электросети.
• E – Фидер обратного тока.
• F – Здание тяговой подстанции.

Чтобы не допустить перегрузку линий, питающих контактную сеть, устанавливаются фидерная автоматика, в состав которой входят защитные устройства. В схеме электроснабжения помимо основной предусмотрена и резервная защита, для отключения линии в случае короткого замыкания. Большая часть фидерного оборудования устанавливается на тяговых подстанциях. Приведем в качестве примера типовую структурную схему одной из них.

Типовая структурная схема тяговой подстанции

Обозначения:

• РУ-110 – распределительные устройства обеспечивающие подачу питания на трансформаторы.
• ГПТ1, ГПТ2 – Главные понижающие трансформаторы.
• ТСН1, ТСН2 – трансформаторы собственных нужд, они необходимы для подачи питания на оборудование подстанции.
• ПА1, ПА2 – преобразовательные агрегаты.
• РУ-3,3 – распределительное устройство, обеспечивающее питание фидеров контактной сети.

Вывод.

С учетом вышеизложенной информации можно констатировать, что к данному определению относят воздушные и кабельные ЛЭП, обеспечивающих подачу электрического тока к подстанциям и основным распределительным узлам.

Фидерная система структуризации довольно удобна для идентификации определенного участка цепи (конкретного фидера). Но поскольку для данного термина нет определения в нормативных документах, то есть вероятность возникновения недопонимания, что может стать причиной аварии или несчастного случая. Поэтому лучше придерживаться терминологии принятой в нормативных документах.

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

• 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.

Рисунок 1. МТЗ с выдержкой времени

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):

Рис. 2. Карта селективности стандартной трёхступенчатой защиты

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.

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 [ 1 ]:

где I_с.з. – минимальный первичный ток, на который должна реагировать защита, а I_{н. 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:

Здесь I_вз– ток возврата, k_н. – коэффициент надёжности, k_з – коэффициент самозапуска, I_{раб. макс.} – величина максимального рабочего тока.

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

k_в = I_вз / I_с.з. с учётом которого I_с.з. = k_н.×k_з.×I_{раб. макс.} / k_в

В идеальном случае k_в = 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 k_в в диапазоне, стремящимся к 1.

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: t_сз = A / (k n — 1), где A, n – коэффициенты чувствительности, k = I_раб / I_ср — 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.

Рисунок 3. Характеристика МТЗ с зависимой выдержкой

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.

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.

Схема на 1 реле

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.

Схема на 2 реле

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.

Рисунок 4. Схема трёхфазной трёхрелейной защиты

Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ

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.

Видео в дополнение темы