Максимальная токовая защита и токовая отсечка

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.

Максима́льная то́ковая защи́та (МТЗ) — вид релейной защиты, действие которой связано с увеличением силы тока в защищаемой цепи при возникновении короткого замыкания на участке данной цепи. Данный вид защиты применяется практически повсеместно и является наиболее распространённым в электрических сетях.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

Принцип действия МТЗ аналогичен принципу действия токовой отсечки. В случае повышения силы тока в защищаемой сети защита начинает свою работу. Однако, если токовая отсечка действует мгновенно, то максимальная токовая защита даёт сигнал на отключение только по истечении определённого промежутка времени, называемого выдержкой времени. Выдержка времени зависит от того, где располагается защищаемый участок. Наименьшая выдержка времени устанавливается на наиболее удалённом от источника участке. МТЗ соседнего (более близкого к источнику энергии) участка действует с большей выдержкой времени, отличающейся на величину, называемую ступенью селективности. Ступень селективности определяется временем действия защиты. В случае короткого замыкания на участке срабатывает его защита. Если по каким-то причинам защита не сработала, то через определённое время (равное ступени селективности) после начала короткого замыкания сработает МТЗ более близкого к источнику участка и отключит как повреждённый,так и свой участок. По этой причине важно, чтобы ступень селективности была больше времени срабатывания защиты, иначе защита смежного участка отключит как повреждённый, так и рабочий участок до того, как собственная защита повреждённого участка успеет сработать. Однако важно так же сделать ступень селективности достаточно небольшой, чтобы защита успела сработать до того, как ток короткого замыкания нанесёт серьёзный ущерб электрической сети.

Уставку (или величину тока, при которой срабатывает защита) выбирают, исходя из наименьшего значения тока короткого замыкания в защищаемой сети (при разных повреждениях токи короткого замыкания отличаются). Однако при выборе уставки следует так же учитывать характер работы защищаемой сети. Например, при самозапуске электродвигателей после перерыва питания, значение силы тока в сети может быть выше номинального, и защита не должна его отключать.

Разновидности максимально-токовых защит [ править | править код ]

Максимально-токовые защиты по виду время-токовой характеристики подразделяются:

• МТЗ с независимой от тока выдержкой временем
• МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени
• МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени

Применяются также комбинированный вид защиты МТЗ — максимально-токовая защита с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения.

МТЗ с независимой от тока выдержкой времени [ править | править код ]

МТЗ с независимой от тока выдержкой времени имеет во всём рабочем диапазоне величину выдержки времени, независимую от тока (время-токовая характеристика в виде прямой, отстоящей от оси абсцисс на величину времени выдержки t_сраб; при токе, равном и меньшем тока срабатывания время-токовая характеристика скачкообразно становится равной нулю).

МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени [ править | править код ]

МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени имеет нелинейную обратную зависимость выдержки времени от тока (обычно время-токовая характеристика близка к гиперболе, как к кривой постоянной мощности). Применение МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени позволяет учитывать перегрузочную способность оборудования и осуществлять т. н. «защиту от перегрузки».

МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени [ править | править код ]

Характеристика МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени состоит из двух частей, в первой части зависимость времени от тока гиперболическая, вторая часть — независимая (или почти независимая) время-токовая характеристика — состоит из плавно сопряжённых гиперболы и прямой. Переход из независимой в зависимую часть характеристики может происходить при малых кратностях от тока срабатывания (150 %) — т. н. «крутая» характеристика, и при больших кратностях (300–400 %) — т. н. «пологая» характеристика (обычно МТЗ с «пологой» характеристикой применяются для защиты двигателей большой мощности для лучшей отстройки от пусковых токов).

МТЗ с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения [ править | править код ]

Для улучшения чувствительности МТЗ и отстройки её от токов нагрузки применяется ещё одна разновидность МТЗ — максимальная токовая защита с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения (комбинация МТЗ и защиты минимального напряжения). Такая защита будет действовать только при повышении тока, большем или равном току уставки, сопровождающееся уменьшением напряжения в сети ниже напряжения уставки. При пуске двигателей ток в сети резко возрастает, что может привести к ложному срабатыванию защит. Для этого устанавливается реле минимального напряжения, которое не дает защитам отработать, т. к. напряжение в сети остается прежним, то и защиты соответственно не реагируют на резкое увеличение тока.

Задание уставок [ править | править код ]

При задании уставок МТЗ задаются параметры тока срабатывания, выдержки времени и напряжения срабатывания (для МТЗ с блокировкой по напряжению). Для МТЗ с независимой выдержкой времени срабатывания от тока эти параметры очевидны. Для защит с зависимой и ограниченно-зависимой время-токовой характеристикой эти параметры требуют дополнительных пояснений. Для таких типов МТЗ вводится понятие тока срабатывания, как тока при котором реле находится на границе срабатывания, а время задаётся для независимой части характеристики (для ограниченно-зависимой время-токовой характеристики); иногда время задаётся при токе, равном шестикратному току номинального (например в автоматических выключателях с полупроводниковым расцепителем серий А-37, «Электрон»).

Реализация [ править | править код ]

Традиционно МТЗ реализуются на базе электромеханических токовых реле и реле времени; иногда функция пускового органа и органа выдержки времени может быть совмещена (например в индукционных токовых реле серии РТ-80). В 1970-х годах появились реализации МТЗ на базе полупроводниковых элементов (например в некоторых моделях отечественных автоматических выключателей серий А37, ВА, «Электрон»). В настоящее время имеется тенденция реализации МТЗ на базе микропроцессоров, которые обычно помимо МТЗ выполняют также несколько функций релейной защиты и автоматики: АЧР, АПВ, АВР, дифзащиты и др.

Устройство и принцип действия

Принцип работы заключается в срабатывании датчика (реле) тока при превышении Iуставки на защищаемом участки линии, после чего для обеспечения селективности с определенной задержкой срабатывает реле времени.

Где она применяется? Максимальную токовую защиту устанавливают в начале линии, то есть со стороны генератора или трансформатора питающей подстанции.

Важно! Зона действия МТЗ лежит в пределах между источником питания (ТП или генератором) и потребителем (ТП или другим ВВ оборудованием). При этом она устанавливается со стороны источника, а не потребителя. Но зоны действия ступеней могут пересекаться друг с другом. Например, 1 ступень часто перекрывает зону действия второй ступени вблизи от разъединителя, где Iкз почти равны с предыдущим участком линии.

Выдержка времени срабатывания защиты подбирается так, что первая ступень (на питающей ТП) срабатывает через самый большой промежуток времени, а каждая последующая быстрее предыдущей.

Интересно: разница выдержки времени срабатывания на ближайшей к источнику питания от следующей после нее МТЗ называется ступенью селективности.

Обеспечение селективности важно для бесперебойной подачи электропитания по как можно большему количеству электрических линий. С её помощью отключаемая часть уменьшается и локализуется на участке между коммутационными аппаратами как можно ближайшими к поврежденному участку.

При этом, при возникновении кратковременных самоустраняемых перегрузок, связанных с пуском мощных электродвигателей, выдержка времени и отключение по минимальному напряжению должны обеспечить подачу электроэнергии в сеть без её отключения. При КЗ, напряжения резко уменьшаются, а при пуске двигателей такой просадки обычно не происходит.

Выбор уставок по току происходит по наименьшему Iкз из всей цепи, учитывая особенности работы подключенного оборудования. Это нужно опять же для того, чтобы максимальная токовая защита не сработала при самозапуске электродвигателей.

Перегрузка может возникнуть по трем причинам:

1. При однофазном замыкании на землю.
2. При многофазном замыкании.
3. При перегрузки линии из-за повышенного потребления мощности.

Итак, максимальная токовая защита необходима для предотвращения разрушения линий электропередач, жил кабелей и шин на подстанциях и потребителях электроэнергии, таких как мощные электродвигатели 6 или 10 кВ и прочие электроустановки.

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:

Виды МТЗ и схемы

К основным видам максимальной токовой защиты относят:

• С независимой выдержкой времени от тока. Из названия ясно, что при любых перегрузках величина выдержки времени остаётся неизменной.
• С зависимой выдержкой времени. Время зависит нелинейно от величины тока, по принципу: больше ток — быстрее отключение. Такая система позволяет точнее учитывать перегрузочную способность элементов цепи и осуществлять защиту от перегрузки.
• С ограничено-зависимой выдержкой времени. График зависимости состоит из двух частей. У него параболическая форма (как во втором случае), совмещенная с прямой линией (как в первом случае), где по вертикальной оси расположен ток, а по горизонтальной время. При этом его основание стремится к параболе, а с определенных схемой пределов переходит в прямую. Так достигается точная настройка срабатывания при малых превышениях, например при подключении мощных потребителей и групповом пуске электродвигателей.
• С блокировкой минимального напряжения. Также нужна для предотвращения отключения питания при пусковых токах. При возрастании тока выше уставки, если реле напряжения не срабатывает по минимальному значению (как при КЗ), то и напряжение не отключается.

По роду тока в оперативных цепях выделяют МТЗ:

• с постоянным оперативным током;
• с переменным оперативным током.

По количеству реле различают максимальные токовые защиты на базе:

• Трёх реле. Обеспечивают защиту и при многофазном и при однофазном замыканиях.
• Двух реле. Дешевле предыдущих, но не дают такой же надежности, особенно при однофазных замыканиях.
• Одного реле. Еще дешевле и еще менее надежны, не применимы на ответственных участках линии. У них малая чувствительность и применяется в распределительных сетях от 6 до 10 кВ и для защиты электродвигателя.

• KA — реле тока;
• KT — реле времени;
• KL — промежуточное реле, устанавливается если не хватает коммутационной способности контактов;
• KH — указательное реле (блинкер);
• SQ — блок контакт для размыкания мощных цепей, типа катушки YAT — силового коммутационного аппарата. Устанавливается так как контакты реле не рассчитываются на размыкание таких цепей.

Современные защиты часто уходят от применения релейных схем из-за особенностей их надежности. Поэтому используются МТЗ на операционных усилителях, микропроцессоре и другой полупроводниковой технике.

Современные решения позволяют более точно выставлять уставки по току и время-токовые характеристики защит.

Заключение

Мы кратко рассмотрели назначение, область применения и принцип действия максимальной токовой защиты (МТЗ) и её разницу с токовой отсечкой. У каждой схемы есть свои достоинства и недостатки. Например, достоинством МТЗ является то, что она не отключает напряжения при повторных пусках двигателей после исчезновения питания, но её выдержка времени может быть губительна для воздушной линии или линии другого типа. При этом последнее может компенсироваться либо токовой отсечкой, либо вариантом МТЗ с зависимой выдержкой времени. В любом случае бесперебойность работы электрической сети обеспечивается совокупностью систем РЗиА среди которых:

• АЧР (автоматическая частотная разгрузка);
• ТЗНП (при нулевой последовательности — замыканиях на землю);
• МТЗ;
• ТО;
• Дифзащиты и прочее.

Некоторые из них мы уже рассматривали в статьях ранее.

Теперь вы знаете, что такое максимальная токовая защита, как она устроена и работает. Надеемся, предоставленные схемы и описание помогли вам разобраться в данном вопросе!

Материалы по теме: