Ток срабатывания защиты формула

Добавлено 10 декабря 2014 года в 23:01, Ср

Токовые защиты подразделяются на токовые отсечки (ТО) и максимальные токовые защиты (МТЗ). МТЗ и ТО являются наиболее простыми и часто используемыми в электрических сетях среднего и высокого напряжения.

Принцип действия токовых защит (ТЗ)

Основан на отключении участка сети, в котором величина тока превышает заданное значение (уставка срабатывания по току).

Селективная работа МТЗ обеспечивается отстройкой ступеней защиты по времени. Для тупиковых линий, как правило, линии до 10 кВ, МТЗ и ТО выполняют функцию основной защиты. В сетях с более сложной конфигурацией ТЗ являются лишь резервными.

Это объясняется сложностью обеспечения селективной работы МТЗ для участков с двухсторонним питанием. В этом случае применяют более сложные направленные защиты.

Работа МТЗ характеризуется двумя параметрами: током и временем срабатывания. При определении тока срабатывания защиты Iсз, исходным критерием является отстройка от тока нагрузки, а также от возможных кратковременных скачков тока нагрузки, вызванных переходными процессами в сети.

При расчетах уставок срабатывания МТЗ необходимо соблюсти два условия:

1) Защита не должна приходить в действие при токах нагрузки, для чего ток Iсз должен превосходить ток нагрузки:

2) Защита должна надежно возвращаться в исходное состояние после запуска, для чего должно быть выполнено условие:

где Iвоз – ток возврата реле в исходное состояние. Iвоз должен быть больше тока нагрузки в первые моменты времени, после срабатывания защиты; его увеличение после срабатывания объясняется самозапуском двигателей;

kз – коэффициент запуска. Определяется как отношение пускового тока всех двигателей, оставшихся в работе после аварийного отключения, к максимальному рабочему;

kн – коэффициент надежности. Учитывает погрешность тока возврата реле и принимается равным 1,1–1,2;

Отношение тока возврата Iвоз к току срабатывания защиты Iсз есть коэффициент возврата kвоз.

Окончательно ток срабатывания МТЗ определяется из условия:

Расчет МТЗ.

При расчетах уставок необходимо реально оценивать возможное значение Iн.макс. Величина Iн.макспроверяется при набросах мощности в результате отключения одной из двух параллельных линий, в результате работы АВР на шинах распредустройства.

Следует учитывать, что тяжелый режим работы возникает также при АПВ отключенных участков, когда происходит самозапуск АД.

Выбранный по условию отстройки от нагрузки ток Iсз, проверяется по условию чувствительности защиты, которая характеризуется коэффициентом чувствительности:

где Iк.мин – минимальный ток короткого замыкания (КЗ). Как правило, ток однофазного замыкания на землю, в конце защищаемого участка. Защищаемым участком для МТЗ является линия, примыкающая к шинам, где установлено устройство РЗА, и следующий участок за шинами приемной подстанции.

kч на основном участке должен быть не менее 1,5; для резервируемого участка не менее 1,2.

Вторым, не менее важным параметром работы МТЗ является время срабатывания tз. Из условия селективности работы ТЗ на смежных участках, время срабатывания головного участка А должно быть больше времени срабатывания последующего участка В.

Разница во времени срабатывания защит этих участков называется ступенью времени срабатывания или ступенью селективности Δt.

Величина Δt зависит от времени срабатывания выключателя, выдержки времени защит смежного участка и погрешности в сторону замедления работы реле. Для МТЗ с независимой выдержкой времени, Δt определяется по выражению:

где tп(в), tп(а)- погрешности времени срабатывания ТЗ на смежных участках В и А соответственно;

tв(в) – время отключения выключателя от момента подачи импульса на отключение до момента разрыва дуги КЗ на участке В;

tзап – время запаса.

Для ТЗ с зависимой и ограниченно зависимой выдержкой времени Δt определяется по выражению:

где tи(а) – дополнительное время, учитывающее инерционность индукционных реле.

Для МТЗ с независимой характеристикой отключения, время срабатывания определяется:

Для защит с зависимой и ограниченно-зависимой характеристиками условие выбора времени срабатывания аналогично вышеприведенному условию, однако ступень селективности имеет некоторый диапазон.

Это объясняется тем, что время срабатывания индукционных реле неоднозначно, и зависит от величины тока КЗ. Согласование зависимых характеристик ТЗ выполняют в следующем порядке:

а) строят характеристику t=f(I) защиты В, с которой будут согласовывать характеристику защиты А;

б) находят максимальную величину тока КЗ. в начале участка защиты В, который будет проходить через оба смежных участка;

в) по графику t=f(I) защиты В, находят время срабатывания защиты В при максимальном токе КЗ (см. предыдущий пункт);

г) определяют время срабатывания защиты А по условию:

д) строят характеристику защиты А совместно с характеристикой защиты В. Оценивают селективность на всем промежутке совместной их работы.

Наиболее широкое распространение МТЗ получила в радиальных сетях. Достоинством ТЗ является простота и невысокая стоимость.

К недостаткам можно отнести сравнительно большое время отключения вблизи питающих центров и низкую чувствительность в сетях со сложной конфигурацией, имеющих множество параллельных связей.

Читайте также:  Газоблоки какого производителя лучше

Учреждение образования «Гомельский государственный

Технический университет имени П.О. Сухого»

Кафедра «электроснабжение»

Л.И. Евминов, А.О. Добродей

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

к практическим занятиям

1-43 01 03 «Электроснабжение по отраслям»

Гомель 2016

УДК 621.316.925(075.8)

ББК 31.27-05

Е19

Евминов Л.И.,Добродей А.О.

Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебное пособие к практическим занятиям для студентов для специальности 1-43 01 03 «Электроснабжение по отраслям» Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого», 2016.

В учебном пособии рассматриваются расчеты параметров срабатывания релейных защит элементов систем электроснабжения. Особое внимание уделено применению современных микропроцессорных блоков защиты, автоматики, измерения и управления электроэнергетическими объектами.

Практическое занятие № 1

Расчёт уставок защит радиальной сети. Составление карты селективности.

В качестве основных и резервных защит на отходящих линиях применяют:

– максимальную токовую защиту;

– защиту от перегрузки;

Защита отходящей линии

Рисунок 1.1 – Расчетная схема

Максимальная токовая защита (МТЗ).

Ток срабатывания МТЗ: , А (1.1)

где Кн − коэффициент надежности принимается:

-для цифровых реле ЦР − Кн = 1,1;

-для реле типа РСТ- Кн = 1,1-1.2;

– для реле типа РТ-40, РТ-80 − Кн = 1,2;

Кс.зап − коэффициент самозапуска принимается:

-для бытовой нагрузки Кс.зап = 1,2-1,3;

-для сельскохозяйственных потребителей Кс.зап = 1,1-1,15;

-для общепромышленной нагрузки Кс.зап = 1,8-2,5.

Кв − коэффициент возврата принимается:

-для цифровых реле ЦР − Кв=0,95-0,96;

-для реле типа РСТ- Кв = 0,9;

– для реле типа РТ-40, РТ-80 − Кв = 0,8.

Выбор трансформаторов тока для РЗА

Трансформаторы тока (ТТ) служат:

– для изоляции первичных и вторичных цепей;

– для приведения величины тока к уровню удобному для измерения.

Номинальный вторичный ток ТТ составляет или 5А, или 1А.

Номинальные токи первичной обмотки ТТ могут быть: 5, 10, 15, 30, 50, 75(80), 100, 150, 200, 300, 400, 600, (800), 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000 А.

Трансформаторы тока выбираются:

– По номинальному напряжению:

– По номинальному току первичной обмотки выбор производится в следующей последовательности:

· Определяется ток в максимальном режиме нагрузки (кВА):

, А, (1.2)

где Uсети – среднее напряжение ступени установки ТТ

· Выбирается ток первичной обмотки (желательно в большую сторону) по шкале номинальных токов первичной обмотки ТТ;

· Определяется коэффициент трансформации ТТ

. (1.3)

Ток срабатывания реле МТЗ:

(1.4)

Выдержка времени МТЗ водится для замедления действия защиты с целью обеспечения временной селективности действия защиты последующего элемента. Для этого время срабатывания защиты последующей линии выбирается большей времени срабатывания защиты предыдущей линии:

, с (1.5)

где − ступень селективности.

Величина состоит из следующих слагаемых: времени отключения выключателя (0,05-0,1 с), времени возврата защиты (0,05 с), погрешности по времени последующей и предыдущей защит (3-5 %) и необходимого запаса (0,05-0,1 с).

Величина − ступени селективности принимается равной:

– при применении ЦР предыдущего и последующего комплектов – = 0,2 с.;

– при применении ЦР предыдущего, а последующего комплекта с электромеханическими или электронными реле – = 0,3 с.

-при применении реле РТ-40, РСТ − =0,5 с;

-при применении реле РТ-80 − =0,5-0,7с.

Коэффициент чувствительности МТЗ:

, (1.6)

где − ток трехфазного КЗ в конце защищаемой зоны в минимальном режиме работы системы;

− ток срабатывания защиты.

Коэффициент чувствительности должен быть в соответствии с требованиями ПУЭ: Кч ≥ 1,5 для основной зоны и Кч ≥ 1,2 для зоны резервирования.

Токовая отсечка (ТО)

Ток срабатывания токовой отсечки:

, А (1.7)

где Кн − коэффициент надежности принимается:

-для цифровых реле ЦР − Кн = 1,2;

-для реле типа РСТ- Кн = 1.2;

– для реле типа РТ-40 − Кн = 1,2-1,4;

– для реле типа РТ-80 − Кн = 1,5-1,6.

− ток трехфазного КЗ в конце защищаемой зоны в максимальном режиме работы системы, А.

Ток срабатывания реле ТО определяется по формуле (1.4):

Коэффициент чувствительности токовой отсечки:

, (1.8)

где − ток трехфазного КЗ в месте установки ТО в минимальном режиме работы системы, А.

Коэффициент чувствительности токовой отсечки Кч − должен быть не менее Кч ≥ 1,2.

Защита от перегрузки

Защита от перегрузки действует на сигнал.

Ток срабатывания защиты от перегрузки:

, (1.9)

где Iном − номинальный ток защищаемого оборудования, А; Кн − коэффициент надежности, принимается Кн = 1,05

Ток срабатывания реле защиты от перегрузки определяется по формуле (1.4).

Время действия защиты от перегрузки принимается равным tcз 5- 10 c.

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).
Читайте также:  Как сделать поворотники американки

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.

Читайте также:  Установка трубчатых снегозадержателей на металлочерепицу

Существует формула для расчёта среднего значения тока, на который реагирует электромагнитное реле [ 1 ]:

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:

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.

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 / (k n — 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.

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.

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *