Токовые защиты в электроустановках. Лекция 6

1.

Токовые защиты в
электроустановках
Токовая защита - это защита, принцип действия которой
основан на контроле тока. Токовая защита максимального
типа срабатывает при превышении контролируемым
током определенного уровня (тока срабатывания).

2.

Токовые защиты в
электроустановках
• Токовая защита минимального типа срабатывает при уменьшении
тока до определенного уровня (тока срабатывания). В
зависимости от того, каким образом обеспечивается
селективность действия с последующей (от источника питания)
защитой, различают максимальную токовую защиту
(МТЗ) и токовую отсечку (ТО).
• В радиальных (разомкнутых) сетях на ВЛ класса напряжения 6-10
кВ и выше наиболее распространённым вариантом организации
защит от трёхфазных и междуфазных коротких замыканий
является применение двухступенчатой защиты, включающей МТЗ
и ТО.

3.

Токовые защиты в
электроустановках
• Для реализации МТЗ в ряде случаев применяются реле с
зависимой от времени защитной характеристикой, а для ТО всегда с независимой. При этом защита может выполняться на
двух отдельных реле, или на одном реле, совмещающем обе
ступени, а также на базе цифровых многоступенчатых реле.
• Максимальные токовые защиты (МТЗ) - это токовые защиты
максимального типа, селективность действия которых
обеспечивается за счет разных выдержек времени срабатывания.
Выбор тока срабатывания МТЗ осуществляется таким образом,
чтобы его значение превышало максимальный рабочий ток в
месте установки защиты на величину, которая зависит от
коэффициентов надёжности и возврата реле, а так же от коэффи-

4.

Токовые защиты в
электроустановках
• циента самозапуска (обычно не менее, чем в 1,2 - 2,0 раза). Это
исключает возможность ложного действия защиты в нормальном
режиме работы сети. При протекании тока КЗ срабатывание реле,
как было отмечено ранее, происходит с определённой
задержкой. Время срабатывания предыдущей (от источника
питания) защиты должно быть больше, чем время срабатывания
последующей, на величину так называемой ступени
селективности Δt (порядка 0,2 - 1,0 с - в зависимости от типа реле,
на базе которых выполнены защиты). Таким образом, в
радиальных секционированных сетях при коротком замыкании в
конце линии первой должна сработать ближайшая к месту

5.

Токовые защиты в
электроустановках
• возникновения КЗ защита, а в случае её отказа (через промежуток
времени, равный ступени селективности) - предыдущая защита.
Очевидно, что недостатком МТЗ является "накопление" задержек
по времени, т.е. увеличение времени срабатывания защиты при
переходе от конца линии к источнику. Следует учитывать, что
токи короткого замыкания тем выше, чем ближе место
возникновения КЗ к источнику питания. Таким образом, в
радиальных секционированных сетях время отключения
повреждённой линии посредством сигнала МТЗ при наиболее
тяжёлых КЗ вблизи питающих шин может оказаться неприемлемым с точки зрения термической стойкости оборудования.

6.

Токовые защиты в
электроустановках
• Считается нормальным, если максимальная уставка по времени
срабатывания не превышает 2,0 - 2,5 с. Коэффициент
чувствительности МТЗ определяется как отношение тока
междуфазного КЗ в конце защищаемой зоны к фактическому току
срабатывания защиты, и в соответствии с требованиями ПУЭ (см.
п.3.2.1. - 4.1.) должен составлять не менее 1,5 (для зоны дальнего
резервирования в пределах действия последующей защиты около 1,2).
• Токовые отсечки (ТО) - это токовые защиты максимального типа,
селективность действия которых обеспечивается за счет
ограничения зоны действия (отсекания) за счет выбора тока
срабатывания больше, чем максимальный возможный ток
короткого замыкания при повреждении в конце зоны действия.

7.

Токовые защиты в
электроустановках
• ТО представляет собой защиту с абсолютной селективностью,
которая может срабатывать без задержки по времени, и
отключать поврежденные элементы ЭЭС. Коэффициент
чувствительности ТО, исходя из п.3.2.26. ПУЭ, может быть
рассчитан как отношение тока трёхфазного КЗ в месте установки
защиты к фактическому току срабатывания отсечки, и должен
составлять не менее 1,2. Иначе говоря, зона действия токовой
отсечки должна покрывать около 20% от длины линии.
Недостатком токовой отсечки является ограниченность зоны
действия, поэтому она применяется только совместно с МТЗ в
качестве второй ступени; при этом ТО обладает абсолютной

8.

9.

Токовые защиты в
электроустановках
• селективностью, т.к. величина тока КЗ вне защищаемой зоны
всегда меньше тока срабатывания отсечки.
• В низковольтных защитных аппаратах МТЗ реализуется с
помощью расцепителей автоматических выключателей с
функцией выдержки времени (или без выдержки времени) или
реле тока. ТО – с помощью расцепителей автоматических
выключателей, предохранителей и реле тока.
• Выдержка времени срабатывания защиты подбирается так, что
первая ступень (на питающей ТП) срабатывает через самый
большой промежуток времени, а каждая последующая быстрее
предыдущей.
• Разница выдержки времени срабатывания на ближайшей к

10.

Токовые защиты в
электроустановках
• 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.
• 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.

11.

Токовые защиты в
электроустановках
• 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

12.

Токовые защиты в
электроустановках
• 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 количеству реле различают МТЗ на базе:
• Трёх реле. Обеспечивают защиту и при многофазном и при
однофазном замыканиях.

13.

МТЗ на трех реле тока
МТЗ на двух реле тока МТЗ на одном реле тока

14.

Токовые защиты в
электроустановках
• 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.
• На схемах:
• KA — реле тока;
• KT — реле времени;
• KL — промежуточное реле, устанавливается если не хватает
коммутационной способности контактов;

15.

Токовые защиты в
электроустановках
• 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.

16.

Токовые защиты в
электроустановках
• Защита от перегрузки.
• При эксплуатации электрооборудования может произойти
значительное повышение температуры корпуса и частей
аппаратов. Причины перегрева могут быть разные:
• выход за пределы параметров питающего напряжения;
• неправильное подключение схемы питания;
• электрическая неисправность двигателя;
• механическая неисправность двигателя;
• перегрузка электродвигателя со стороны нагрузки;

17.

Токовые защиты в
электроустановках
• несоответствие условий окружающей среды.
• Перегрузка приводит к повышению тока проводников (обмоток).
Если ток превысит номинальное значение для данного двигателя
и условий работы, привод начнет перегреваться.
• Для защиты от перегрузки по току используют тепловые, токовые
реле и автоматы с защитой от перегруза.
• Типы защиты от перегрузок:
• тепловая – основана на нагревании проводников при увеличении
токовой нагрузки ;
• токовая – реагирует на увеличение тока и сравнивает этот ток

18.

Токовые защиты в
электроустановках
• с уставкой. Действие аналогично МТЗ и ТО.
• температурная – реагирует на повышение температуры корпуса
или узла оборудования. Для ее установки нужны температурные
датчики, которые разомкнут цепь в случае сильного нагрева
частей оборудования;
• фазочувствительная – реагирует на обрыв фазы или перекос
токов в разных фазах.
• К первой, т.е. тепловой защите электродвигателя относят
установку теплового реле, которое разомкнет контакт, в случае
перегрева. Тепловое реле работает следующим образом:

19.

20.

Токовые защиты в
электроустановках
• В реле есть пара биметаллических пластин с разным
температурным коэффициентом расширения. Пластины жестко
соединены друг с другом, если их нагреть, то конструкция
изогнется в сторону участка с меньшим температурным
коэффициентом расширения. Греются пластины за счет
протекания тока нагрузки или от нагревателя, через который
проходит ток нагрузки, на схеме изображено в виде нескольких
витков вокруг биметалла. Протекающий ток нагревает пластину
до определенного предела. Чем выше ток, тем быстрее нагрев.
При изгибании пластины размыкается связанный с ней контакт,
который стоит в схеме управления электрооборудования.

21.

22.

Токовые защиты в
электроустановках
• Тепловые реле ставятся совместно с магнитными пускателями в
схемах управления низковольтным оборудованием (чаще всего
электродвигателями).
• Тепловой расцепитель автоматического выключателя действует
по тому же принципу, что и тепловое реле. Расцепители –
устройства, обеспечивающие автоматическое размыкание
контактов посредством воздействия на механизм свободного
расцепления в аварийном режиме работы цепи или служащие
для дистанционного отключения выключателя.

23.

24.

Токовые защиты в
электроустановках
• Время-токовая характеристика — зависимость времени
срабатывания аппарата защиты (времени плавкой перегорания
вставки предохранителя) от значения тока, протекающего через
его измерительный элемент (плавкую вставку предохранителя),
нагревательный элемент электротеплового реле. Иногда можно
встретить другие названия время-токовой характеристики —
ампер-секундная характеристика или просто — защитная
характеристика.
• Время-токовая характеристика – это основная характеристика
автоматического выключателя отражающая зависимость времени
срабатывания автоматического выключателя при возникновении
аварийного режима от величины тока цепи.

25.

Токовые защиты в
электроустановках
• Она имеет вид гиперболы, поэтому чем больше протекающий
через аппарат защиты ток, тем меньше время его срабатывания.
Однако данное время не может быть меньше собственного
времени срабатывания.
• В зависимости от типа установленных в автоматическом
выключателе расцепителей, он может иметь такие времятоковые
характеристики, как:
• зависимая от тока характеристика времени срабатывания. Такую
характеристику имеет тепловой расцепитель. Она
характеризуется током срабатывания при перегрузке, а время
срабатывания зависит от величины тока.

26.

Токовые защиты в
электроустановках
• независимая от тока характеристика времени срабатывания.
Такую характеристику имеет электромагнитный расцепитель. Она
характеризуется током срабатывания отсечки. Срабатывание
может быть мгновенным или с выдержкой времени;
• ограниченно зависимая от тока (двухступенчатая) характеристика
времени срабатывания. Такую характеристику имеет
комбинированный расцепитель (тепловой и электромагнитный).
• Время-токовая характеристика, для упрощения, может
изображаться одной линией, проходящей в середине оны
срабатывания.

27.

28.

Токовые защиты в
электроустановках
• Минимальный ток срабатывания для конкретного теплового
расцепителя составляет 1,45 его номинального тока (уставки), а время
срабатывания зависит от время-токовой характеристики
рассматриваемого автомата, и в зависимости от величины тока
перегрузки и от начальной температуры биметаллической пластины, может составлять от нескольких секунд до часа и даже двух в
зависимости от типа автомата.
• Холодный автомат при токе в 2,55 раза больше номинального
разомкнет цепь максимум через одну минуту, а в горячем
состоянии — через несколько секунд (это справедливо для
автоматов номиналом до 32А). Поэтому выбирая автомат для
защиты оборудования необходимо помнить, что номинальный
ток автомата — это не ток его срабатывания.

29.

30.

31.

Токовые защиты в
электроустановках
• Когда автоматический выключатель установлен в цепь,
биметаллическая пластина оказывается включена в эту цепь
последовательно с нагрузкой. В результате её нагревания
проходящим электрическим током, пластина изгибается в сторону
металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В
случае перегрузки изгиб пластины обеспечивает отключение
автоматического выключателя путем активации механизма
разъединения.
• Когда автоматический выключатель только пребывает на стадии
изготовления, ток срабатывания теплового расцепителя
настраивается при помощи специального регулировочного

32.

Токовые защиты в
электроустановках
• (юстировочного) винта, который скрыт внутри автомата и
находится возле одной из его клемм.
• Как только автомат сработал, его биметаллическая пластина
начинает остывать и выпрямляться, так что через некоторое
время автомат снова готов к полноценной работе, стоит только
заново взвести его рычаг.
• Фазочувствительное устройство защиты (ФУЗ)
• Как следует из названия, в данной защите контролируется не ток
двигателя, а угол сдвига фаз между линейными токами двигателя,
величина которого при аварийном режиме будет отличаться от
величины его в нормальном состоянии.

33.

Токовые защиты в
электроустановках
• Угол сдвига фаз между токами в трехфазной сети в нормальных
условиях равен 120°, а при обрыве в одном фазном проводе угол
сдвига фаз между токами в исправных проводах становится
равным 180°. Значит, если контролировать изменение угла сдвига
фаз между токами в проводах, подводящих ток к электродвигателю, то двигатель можно защитить от последствий обрыва фазного
провода или перегрузки.
• Защита от однофазных замыканий на землю в высоковольтных
сетях.
• Однофазные замыкания на землю — это такое повреждение
на линиях электропередачи или электрооборудовании, при

34.

35.

Токовые защиты в
электроустановках
• котором одна из фаз трехфазной системы замыкается на землю
или на элемент электрически связанный с землей. ОЗЗ являются
очень распространенным видом повреждения, на однофазные
замыкания на землю приходится 70- 90 % электрических
повреждений.
• В сетях с глухозаземленной нейтралью однофазное замыкание на
землю является коротким замыканием. Ток повреждения в
данном случае замыкается через заземленные нейтрали
первичного оборудования и имеет значительную величину и
поэтому быстро отключается автоматическим выключателем,
предохранителем или УЗО.

36.

Токовые защиты в
электроустановках
• В РФ распределительные сети уровнем напряжения 6-35 кВ
эксплуатируются в изолированном от земли режиме нейтрали
источников питания (система с изолированной нейтралью).
• В сетях с изолированной нейтралью ток однофазного замыкания
на землю замыкается через емкости неповрежденных фаз. Его
значение невелико и определяется суммарной емкостью
неповрежденных фаз. Это позволяет эксплуатировать сеть, не
отключая повреждения данного вида незамедлительно. Но в
таком случае изоляция оборудования будет стареть намного
быстрее, и это может привести к более опасному явлению —
короткому замыканию, которое требует немедленного
отключения поврежденного участка сети.

37.

Токовые защиты в
электроустановках
• Единственным путем протекания тока однофазного замыкания на
землю в сети с изолированной нейтралью является емкостная
связь между фазными проводами линий и землей. В зависимости
от разветвленности сети емкостной ток может находиться в
пределах от 0,1 до 500 ампер. Что достаточно, чтобы
представлять опасность для животных и людей, находящихся
рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания
нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с
глухозаземленной нейтралью.
• При однофазных замыканиях в сетях с изолированной нейтрали
происходят процессы, влияющие на режим работы электрической
сети в целом. Напряжение на поврежденной фазе, в зависимости

38.

Токовые защиты в
электроустановках
• от вида замыкания стремится к нулю. В случаях когда,
измерительные приборы показывают, что напряжение на фазе
равно нулю, говорят, что это «полная земля», а замыкание
называется «металлическим».
• Величина тока замыкания на землю в сети 6-35 кВ порядка 6-20 А.
Это в десятки раз меньше номинального тока измерительного
трансформатора. Поэтому обычные трансформаторы тока для
защит от замыканий на землю непригодны. Используются
специальные трансформаторы нулевой последовательности TAZ
состоящие из тороидального сердечника, на который намотана
вторичная обмотка. Первичной обмоткой является кабель или
кабельная вставка на воздушной линии.

39.

40.

Конструкция трансформатора тока
нулевой последовательности
Схема установки трансформатора
на кабеле

41.

Токовые защиты в
электроустановках
• В нормальном режиме работы сумма потоков фаз равна нулю.
ФΣ = Фа + Фв + Фс
• При возникновении замыкания на землю суммарный магнитный
поток равен сумме нескомпенсированных потоков нулевой
последовательности:
ФΣ = 3 х Ф 0
• Этот поток наводит во вторичной обмотке э.д.с., под действием
которой в обмотке реле защиты протекает ток, приводящий к
срабатыванию защиты.

42.

Токовые защиты в
электроустановках
• При замыкании в сети на землю токи повреждения могут
замыкаться как через землю, так и по проводящей оболочке
кабеля, в том числе и неповрежденного, что может вызвать
неправильное действие защиты. Поэтому воронку и кабель на
участке от трансформатора нулевой последовательности до
воронки изолируют от земли, а заземляющий провод
присоединяют к воронке кабеля и пропускают через отверстие
магнитопровода трансформатора нулевой последовательности в
направлении кабеля. При таком исполнении цепей защиты токи,
проходящие по броне и проводящей оболочке кабеля,
компенсируются токами, возвращающимися по заземляющему
проводу.