Библиотека

Защиты представляют собой набор связных функций, использование которых обусловлено структурой сети и способом заземления нейтрали. Таким образом, функции защиты должны рассматриваться как некая система, основанная на принципе селективности, который заключается в том, чтобы как можно быстрее изолировать поврежденный участок сети (и только этот участок), не отключая, при этом, нормально работающие звенья цепи.
Можно использовать различные способы для обеспечения надлежащей селективности защиты электрической сети:
• временная селективность с выдержкой времени;
• селективность по току;
• селективность путем обмена данными, называемая логической селективностью;
• селективность, используемая с функциями направленной защиты;
• селективность, используемая с функциями дифференциальной защиты;
• комбинированное использование различных вариантов селективности для обеспечения наилучших общих показателей (технических и экономических) или должного уровня резервирования (аварийной защиты).

ВРЕМЕННАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ

Алгоритм работы
Принцип временной селективности заключается в создании разной выдержки времени для защит максимального тока, распределенных по сети. Чем ближе реле к источнику питания, тем больше эта выдержка времени.

Работа
На схеме (рис. 1) показано, что неисправность фиксируется всеми защитами (уровни А, В, С и D). Защита с выдержкой времени D срабатывает быстрее, чем защита, расположенная на уровне С, которая, в свою очередь, быстрее защиты на уровне В и т.д. После отключения выключателя D и исчезновения тока повреждения не опрашиваемые более защиты А, В, С возвращаются в дежурный режим.

Разность времени срабатывания DТ двух последовательных защит является интервалом селективности. В интервале селективности учитывается следующее (рис. 2):
- время отключения Тс выключателя со стороны потребителя, включающее время срабатывания выключателя при отключении и время дуги;
- допуски выдержки времени dT;
- время превышения защиты со стороны источника питания: tr;
- запас безопасности m.
Таким образом, ΔТ должна удовлетворять отношению:
ΔT ≥ Tc + tr + 2dT + m.
С учетом имеющихся характеристик выключателя и реле для ΔТ принимается значение 0,3 с. Пример: Тс = 95 мс, dT = 25 мс, tr = 55 мс; в этом случае для интервала селективности 300 мс запас безопасности составляет 100 мс.

Преимущества
Данная система селективности имеет два преимущества:
- обеспечение собственного резервирования, например, в случае отказа защиты D срабатывает защита С на ΔТ позже;
- простота использования системы.

Недостатки
Когда используется большое количество соединенных в каскад реле, то в связи с тем, что защита, расположенная ближе всего к источнику питания, имеет наибольшую выдержку времени, создается "запретительное" время устранения повреждения, не совместимое с устойчивостью оборудования к току короткого замыкания или не соответствующее внешним условиям эксплуатации (например, подключение к электрической сети распределительного пункта).

Применение
Данный принцип селективности используется в радиальных сетях (рис. 3).

Выдержка времени, устанавливаемая для обеспечения временной селективности, срабатывает, если значение тока превышает порог реле. Поэтому необходимо проводить согласованную регулировку пороговых уставок реле. Различают два варианта построения схемы временной селективности в зависимости от используемого типа выдержки времени.

Реле с независимой выдержкой времени (рис. 4)
Необходимые условия: IsA > IsB > IsC > и ТА > ТВ > ТС.
Интервал селективности ΔТ обычно составляет порядка 0,3 с.

Реле с зависимой выдержкой времени (рис. 5)
Если регулировка порогов произведена по установленному току In, защита при перегрузке срабатывает одновременно с защитой от короткого замыкания и обеспечивается согласованность пороговых уставок.
InA > InB > InC,
IsA = InA, IsB = InB, et IsC = InC.
Регулировка выдержки времени осуществляется для получения интервала селективности DТ при максимальном значении тока, фиксируемом защитой со стороны потребителя; для этого используется одно и то же семейство кривых во избежание их пересечения в какой-либо части области координат.

Автоматические выключатели
Временная селективность обеспечивается за счет смещения или сдвига время-токовыххарактеристик последовательно расположенных автоматических выключателей по времени (рис. 6). Селективность данного вида предполагает наличие выдержки времени Δt при срабатывании выключателя D1. Иначе говоря, выключатель D1 имеет селективную токовую отсечку (SD).

При уставках (Ir1, Isd1) выключателя D1 и (Ir2, Isd2) выключателя D2 соблюдается правило ступенчатого расположения их время-токовых характеристик, т.е. они не пересекаются. Предельный ток селективности Is в данном случае по меньшей мере равен току li D1 (т.е. уставке мгновенной токовой отсечки выключателя D1).
Применение выключателей категории В предъявляет к электроустановке более жесткие требования, так как в таком случае она подвергается значительным тепловым и электродинамическим воздействиям. Эти выключатели имеют регулируемую уставку мгновенной токовой отсечки, которая может выводиться из действия. Данная защита (Ii) предназначена, как правило, для защиты сборных шин.

ТОКОВАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ

Алгоритм работы
Данный принцип основан на том, что чем дальше от источника питания произошло повреждение в сети, тем меньше ток повреждения.

Работа
Токовая защита размещается в начале каждого участка сети: порог срабатывания защиты устанавливается меньше минимального значения тока короткого замыкания, вызванного повреждением на защищаемом участке, и больше максимального значения тока, вызванного повреждением в сети со стороны потребителя (вне защищаемой зоны).

Преимущества
При такой регулировке каждая защита срабатывает только при повреждениях, произошедших непосредственно со стороны потребителя относительно расположения этой защиты, то есть внутри защищаемой зоны, и не чувствительна к повреждениям, возникшим вне защищаемой зоны.Такая система выгодно используется на участках линий, отделенных трансформатором, так как обеспечивается простая, недорогая и быстрая защита сети (немедленное отключение).
На рис. 7 показан пример такой системы:
IccBmax < IsA < IccAmin,
где: IsA – ток уставки, IccB – ток на первичной обмотке при максимальном токе короткого замыкания на вторичной обмотке.
Выдержка времени ТА и ТВ независимая, и ТА может быть короче ТВ.

Недостатки
Защита, расположенная со стороны источника питания (А), обеспечивает только аварийный режим в отношении защиты, расположенной со стороны потребителя (В). Кроме того, на практике, трудно выполнить регулировку двух защит, расположенных каскадом, и обеспечить хорошую селективность, поскольку не наблюдается значительного уменьшения тока при прохождении двух соседних зон; такие явления наблюдаются в сетях среднего напряжения, за исключением участков с трансформатором.

Применение
Трансформатор
На следующем примере показана организация токовой защиты трансформатора, установленного между двумя участками кабеля. Уставка Is максимальной токовой защиты регулируется в следующем диапазоне:
1,25 IccBmax < IsA < 0,8 IccAmin
Таким образом, обеспечивается селективность обеих защит.

Автоматические выключатели
Токовая селективность предполагает смещение или разнесение время>токовых характеристик последовательно расположенных автоматических выключателей по оси тока (рис. 8).

Предельный ток селективности Is равен:
- Is = Isd2, если значения Isd1 и Isd2 слишком близки или сливаются;
- Is = Isd1, если значения Isd1 и Isd2 достаточно отдалены друг от друга.
Обычно токовая селективность обеспечивается, когда:
- Ir1/Ir2 > 2;
- Isd1/Isd2 > 2.
Предел селективности в данном случае Is = Isd1.

ЛОГИЧЕСКАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ

Алгоритм работы
Данная система разработана для устранения недостатков работы временной селективности. Данный принцип используется, когда необходимо в короткое время устранить повреждение (рис. 9).

Работа
Обмен логической информацией между последовательными защитами позволяет устранить интервалы селективности и, таким образом, значительно снизить выдержку времени отключения выключателей, расположенных ближе всего к источнику питания. Так, в радиальной сети защиты, расположенные со стороны источника питания выше места повреждения, срабатывают, а защиты со стороны потребителя ниже места повреждения не включаются. Это позволяет точно определить место повреждения и выбрать отключающий выключатель.
Каждая защита, активизируясь при повреждении, выдает:
- команду логического ожидания на ступень выше (команда на увеличение собственной выдержки времени реле, расположенного со стороны источника питания);
- команда на отключение соответствующего выключателя, если только на этот выключатель не пришла команда логического ожидания со ступени, расположенной со стороны потребителя.
Отключение с выдержкой времени предусмотрено как аварийный режим. Данный принцип работы показан на рис. 10а:
- при появлении повреждения ниже порога В защита по В блокирует защиту по А;
- только защита по В производит отключение после ТВ, если только на эту ступень защиты не подана команда ожидания;
- продолжительность команды ожидания для защиты по А ограничена: ТВ + Т3, где: Т3 ≥ времени размыкания и разрыва дуги выключателя В (200 мс тип.);
- таким образом, в случае если поврежденный выключатель В не отключен, защита А выдает команду на отключение по ТВ + Т3;
- при появлении повреждения на участке между А и В защита А срабатывает после ТА.

Преимущества
Время отключения не зависит от местоположения повреждения относительно порогов селективности и от количества защит в пороге. Таким образом, появляется возможность обеспечить селективность между защитой со стороны источника питания с незначительной выдержкой времени и защитой со стороны потребителя с большой выдержкой времени. Например, можно установить более низкую выдержку времени защиты со стороны источника питания, чем со стороны потребителей. Кроме того, данная система имеет вариант аварийного режима работы.

Недостатки
Данная схема предполагает передачу логических сигналов между различными ступенями защиты, а, следовательно, для ее реализации требуются дополнительные цепи. В результате создается большая нагрузка, особенно, если используется удаленная защита, например, в длинных линиях (протяженностью в сотни метров). При этом можно избежать этой трудности, используя комбинированную защиту: применять логическую селективность на ближних распределительных щитах и временную селективность между удаленными зонами.

Применение
Данная функция часто используется для организации защиты сетей среднего напряжения с радиальным распределением и многими порогами селективности.

Автоматические выключатели
Логическая селективность может быть реализован на базе выключателей со специально разработанными электронными расцепителями. При логической селективности воздействие оказывается только на:
- селективную токовую отсечку (SD);
- защиту от замыканий на землю (GFP).
В частности, мгновенная токовая отсечка не используется при логической селективности.
Уставки автоматических выключателей:
- Уставки по времени: необходимо соблюдать ступенчатое расположение уставок по времени, т.е. Δt01 ≥ Δt02 ≥ Δt03.
- Уставка по току: необходимо соблюдать ступенчатое расположение уставок защит (Isd01 ≥ Isd02 ≥ Isd03).
Этот вид селективности позволяет обеспечить ее даже для выключателей с близкими номинальными токами.
Логическая селективность осуществляется посредством передачи информации по контрольному проводу. Контрольный провод соединяет последовательно расположенные выключатели (рис. 10б). В аварийном режиме выключатель, расположенный выше повреждения, обнаруживает его и посылает сигнал блокировки на верхний уровень, т.е. вышестоящему выключателю. В этом случае вышестоящий аппарат будет работать с заданной на расцепителе выдержкой времени. В случае, если вышестоящий автоматический выключатель не получает сигнал блокировки, он срабатывает мгновенно.
Данный вид селективности рекомендован и широко применяется в США, он позволяет:
- легко обеспечить селективность на трех и более уровнях;
- значительно снизить воздействие токов КЗ на электроустановку, связанное с выдержкой времени вышестоящего аппарата при его срабатывании, если КЗ имеет место на сборных шинах между аппаратами, «охваченными» логической селективностью; в этом случае защиты являются практически мгновенными;
- легко обеспечить селективность с нижестоящими аппаратами.

СЕЛЕКТИВНОСТЬ С ПОМОЩЬЮ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ

Алгоритм работы
В замкнутой сети, где ток повреждения идет по двум направлениям, необходимо использовать защиту, чувствительную к направлению тока короткого замыкания, чтобы по методу селективности локализовать и устранить повреждение. Эту функцию выполняет максимальная направленная токовая защита.

Работа
Порядок срабатывания защиты различается в зависимости от направления тока (рис. 11), то есть в оответствии со смещением по фазе тока относительно опорной точки, заданной вектором напряжения. Таким образом, на реле должны одновременно поступать данные о значении тока и напряжения.

Условия работы, в частности, расположение зон отключения и не отключения должны быть адаптированы к защищаемой сети (рис. 12).

Пример использования направленной защиты (рис. 13):

В случае возникновения короткого замыкания в точке 1 только защита D1 определяет повреждение. Защита D2 не обнаруживает этого повреждения в силу того, что у этой защиты другое направление срабатывания. Выключатель D1 производит отключение. В случае возникновения короткого замыкания в точке 2 обе защиты ничего не обнаруживают и выключатели D1 и D2 не отключаются. Для сборных шин должны быть предусмотрены другие защиты.

Преимущества
Данное решение простое и используется во многих случаях.

Недостатки
Для организации данной схемы требуются трансформаторы напряжения, чтобы получить опорную фазу для определения направления тока.

Применение
Данная функция используется для защиты параллельных вводов, замкнутых сетей или, в некоторых случаях, для защиты от замыканий на землю.

СЕЛЕКТИВНОСТЬ С ПОМОЩЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

Алгоритм работы
Данная защита основана на сравнении значений токов на двух концах защищаемого участка сети (рис. 14).

Работа
Любое расхождение по амплитуде и фазе между этими значениями токов означает наличие повреждения: защита срабатывает только при внутренних повреждениях в защищаемой зоне и не чувствительна к внешним повреждениям. В организации защиты использован принцип селективности. Мгновенное отключение производится при IA-Id ≠ 0.
Работа защиты возможна при условии использования трансформаторов тока с особыми характеристиками, когда защита становится неактивной в отношении других явлений и состояний. Устойчивость дифференциальной защиты обусловлена тем, что в случае отсутствия внутренних повреждений в защищаемой зоне защита остается нечувствительной, даже если имеется дифференциальный ток:
- намагничивающий ток трансформатора;
- емкостный ток линии;
- ток ошибки, вызванный насыщением датчиков тока.
Существуют два основных алгоритма работы защиты в зависимости от способа обеспечения устойчивости:
- дифференциальная защита при большом полном сопротивлении: реле последовательно соединяется со стабилизирующим сопротивлением Rs в дифференциальной схеме (рис. 15);

- дифференциальная защита с использованием процентной характеристики: реле подсоединяется независимо от цепей токов IA и IВ. Разность значений токов IA-IВ анализируется защитой, и устойчивость защиты обеспечивается путем подавления гармоник, соответствующего значению сквозного тока (рис. 16).

Преимущества
- Срабатывание защиты при значениях тока повреждения меньше номинального тока защищаемого участка сети.
- Мгновенное отключение в защищаемой зоне.

Недостатки
- Значительная стоимость затрат на организацию такой защиты.
- Тонкость и сложность использования.
- Необходимость оборудования аварийной максимальной токовой защиты.

Сравнение двух алгоритмов работы
- Дифференциальная защита при большом полном сопротивлении:
-- для трансформаторов тока со стороны источника питания и со стороны потребителя должны быть установлены одинаковые значения токов (на первичной и вторичной обмотках);
-- необходимо рассчитать стабилизирующее напряжение, чтобы избежать отключения по внешнему повреждению при насыщении ТТ и чтобы ТТ пропускал ток на реле;
-- относительно простое реле, но для него необходимо использовать Rs.
- Дифференциальная защита с процентной характеристикой:
-- защита должна быть адаптирована к типу защищаемого оборудования;
-- несколько более сложное по конструкции реле, но простое в использовании.

Применение
Данная функция используется для защиты всех основных элементов сети, имеющих большую мощность: двигателей, генераторов, трансформаторов, сборных шин, кабелей, линий.

Селективность "по вертикали" (рис. 17)
Учитывая рабочие требования и нормативные положения, одновременно должны выполняться два условия: по току и по времени.

- Условие по току: устройство дифференциальной защиты должно срабатывать в диапазоне IΔn/2 > IΔn, где IΔn – заявленная чувствительность (мА). Таким образом, между чувствительностями вышестоящего и нижестоящего устройств должно быть соотношение не менее 2. На практике это значение составляет 3.
- Условие по времени: минимальное время несрабатывания вышестоящего устройства должно превышать максимальное время срабатывания нижестоящего устройства для всех значений тока.
Время срабатывания устройств дифференциальной защиты должно всегда быть меньше или равным времени, указанного стандартом, чтобы обеспечить защиту людей от косвенных прикосновений.

Значения, указанные в таблице, соответствуют кривым G и S (рис. 18). Кривая G (стандартный тип) соответствует устройствам дифференциальной защиты без выдержки времени, а кривая S (селективный тип) – устройствам с выдержкой времени.

Таблица. Нормативные значения времени срабатывания.

Тип	In, А	IΔn, А	Нормативные значения времен срабатывания и несрабатывания (с) при
			IΔn	2IΔn	5IΔn	500А
Стандарт. без выдержки времени	Все значения		0,3	0,15	0,04	0,04	Макс. время срабатывания
Селективный	>25	>0,03	0,5	0,2	0,15	0,15
			0,13	0,06	0,05	0,04	Мин. время несрабатывания

Селективность “по горизонтали” (рис. 19)
Этот вид селективности предполагает установку устройств дифференциальной защиты на всех отходящих линиях внутри шкафа, что позволяет не устанавливать данные устройства на вводе. Таким образом, отключаться будет только поврежденная отходящая линия.

КОМБИНИРОВАННАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ

Смешанная селективность достигается комбинацией элементарных функций селективности и создает дополнительные преимущества при использовании простой селективности:
- общая селективность;
- резервирование или аварийный режим.
Имеются несколько вариантов практического использования комбинированной селективности:
- селективность по току + временная селективность;
- логическая селективность + временная селективность;
- временная селективность + селективность направленной защиты;
- логическая селективность + селективность направленной защиты;
- селективность направленной защиты + временная селективность.

Селективность по току + временная селективность
На примере (рис. 20) показано, что одновременно осуществляется:
- селективность по току между А1 и В;
- временная селективность между А2 и В.
Таким образом, достигается общая селективность и защита по А обеспечивает аварийное резервирование для защиты по В.

Логическая селективность + резервная временная селективность
На примере (рис. 21) показано, что одновременно осуществляется:
- логическая селективность между А1 и В;
- временная селективность между А2 и В.
Таким образом, защита А2 обеспечивает аварийное резервирование для защиты А1, в случае если последняя выведена из строя вследствие сбоя в приеме сигнала логического ожидания (постоянная выдача команды ожидания).

Смешанная селективность, логическая селективность + временная селективность
На примере (рис. 22) показано, что одновременно осуществляется:
- логическая селективность щита (А и В, с одной стороны, С и D, с другой стороны);
- временная селективность между обоими щитами – В и D при ТВ = ТD + ΔT.
Нет необходимости устанавливать линию передачи логических сигналов между двумя удаленными щитами. Выдержка времени отключения снижается по сравнению с вариантом использования простой временной селективности;
- кроме того, следует предусмотреть аварийную временную селективность защиты по А и С (см. пункт выше).

Временная селективность + селективность направленной защиты
Устройства D1 и D2 (рис. 23) имеют направленную защиту с низкой выдержкой времени. Устройства Н1 и Н2 имеют максимальную токовую защиту с выдержкой времени. В случае возникновения короткого замыкания в точке 1только защиты по D1 (направленная защита), Н1 и Н2 обнаруживают повреждение. Защита по D2 не реагирует, поскольку имеет другое направление срабатывания. Устройство D1 отключается. Защита по Н2 возвращается, Н1 размыкается и, таким образом, поврежденный участок Н1-D1 изолируется.
TH1 = TH2
TD1 = TD2
TH = TD + ΔT.

Логическая селективность + селективность направленной защиты
На примере (рис. 24) показано, что направление команд логического ожидания зависит от направления тока. Этот принцип используется при соединении двух систем сборных шин и в замкнутых сетях.
В случае повреждения со стороны D2, рис. 24а:
- производится отключение по D2 и В;
- D1 блокируется В (выдается сигнал логического ожидания AL).
В случае повреждения со стороны D1, рис. 24б:
- производится отключение по D1 и В;
- D2 блокируется В (выдается сигнал логического ожидания AL).

Селективность дифференциальной защиты + временная селективность
На примере (рис. 25) показано, что одновременно осуществляются:
- мгновенная дифференциальная защита;
- фазная токовая защита или защита от замыканий на землю по А, используемая как резервная функция для дифференциальной защиты;
- токовая защита по В для защиты зоны со стороны потребителя;
- временная селективность между защитами по А и В при ТА = ТВ + ΔТ.
Таким образом, обеспечивается резервирование дифференциальной защиты, но для этого иногда требуются трансформаторы тока с двумя релейными кернами.
Примечание: вместо временной селективности может использоваться логическая селективность.

Защита от перегрузок
Селективность при перегрузке обеспечивается, если время несрабатывания верхнего выключателя D1 превышает максимальное время отключения выключателя D2. Данное условие реализуется, если соотношение уставок защиты от перегрузок и селективной токовой отсечки превышает 2. Предельный ток селективности Is по меньшей мере равен уставке селективной токовой отсечки вышестоящего аппарата.

Защита от коротких замыканий
Временная селективность
Отключение вышестоящего аппарата D1 происходит с выдержкой времени Δt.
- Должны соблюдаться необходимые условия токовой селективности.
- Выдержка времени Δt вышестоящего аппарата D1 должна быть достаточна для того, чтобы нижестоящий аппарат смог устранить повреждение.
Временная селективность позволяет увеличить предельный ток селективности Is до уставки мгновенной токовой отсечки вышестоящего аппарата D1.
Селективность является полной, если выключатель D1:
- относится к категории В;
- значение Icw выключателя D1 = Icu.
В остальных случаях селективность полная, если уставка мгновенной токовой отсечки вышестоящего выключателя D1 превышает ожидаемый Iкз в точке, где установлен выключатель D2.

Логическая селективность - селективность всегда полная.

Общий случай
Общих правил селективности не существует.
- На время-токовых характеристиках "наглядно" видно (рис. 26), что селективность является полной в том случае, если ток КЗ (Iкз) находится в зоне селективной токовой отсечки вышестоящего аппарата.
В других случаях только испытания могут определить пределы селективности, особенно если речь идет о координации токоограничивающих выключателей.

Определение предела селективности Is осуществляется сравнением:
- кривой энергии срабатывания нижестоящего выключателя;
- кривой энергии несрабатывания вышестоящего выключателя.
Возможная точка пересечения данных кривых указывает предел селективности Is.
Результаты испытаний по координации защит указываются производителями в таблицах.