Cелективность автоматических выключателей

Выбор системы защиты электроустановки является важным аспектом как для обеспечения экономичной и технически правильной эксплуатации всей установки, так и для сведения к минимуму последствий, вызванных ненормальными условиями эксплуатации или текущими неисправностями.

В рамках данной статьи исследуется согласование различных устройств, предназначенных для защиты частей установки или конкретных компонентов, с целью:

• обеспечения безопасности установки и персонала во всех случаях;
• быстрого определения и отключения зоны, в которой возникла проблемная ситуация, без проведения общих отключений, которые прекращают подачу электроэнергии в зоны нормальной работы установки;
• снижения нагрузки на элементы и предупреждение повреждений в зоне неисправности;
• обеспечения непрерывности электроснабжения надлежащего качества;
• предоставления персоналу, отвечающему за системное техобслуживание и управление, информации, которая необходима для скорейшего восстановления эксплуатации остальной части электросети с минимальным вмешательством;
• достижения оптимального согласования факторов надежности, простоты эксплуатации и экономической эффективности.

Основные определения

Определение селективности приведено в ГОСТ IEC 60947-1-2014 «Аппаратура распределения и управления низковольтная – Часть 1. Общие правила.»

«Селективность по сверхтокам (2.5.23)

Координация рабочих характеристик двух или нескольких устройств для защиты от сверхтоков с таким расчетом, чтобы в случае возникновения сверхтоков в пределах указанного диапазона срабатывало только устройство, предназначенное для оперирования в данном диапазоне, а прочие не срабатывали”, при этом под сверхтоком понимается ток с более высоким значением, чем номинальный ток, вызванный любой причиной (перегрузка, короткое замыкание и т.д.). Таким образом, существует селективность между двумя последовательными автоматическими выключателями в отношении сверхтока, который протекает через оба выключателя, причем автоматический выключатель со стороны нагрузки размыкается, обеспечивая защиту цепи, а автоматический выключатель со стороны питания остается замкнутым, обеспечивая подачу питания остальной части установки. Определения полной и частичной селективности, с другой стороны, приведено в ГОСТ Р 50030.2-2010 «Аппаратура распределения и управления низковольтная – Часть 2. Автоматические выключатели.»

«Полная селективность (2.17.2)

Селективность по сверхтокам, когда при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки осуществляет защиту без срабатывания второго защитного аппарата.»

«Частичная селективность (2.17.3)

Селективность по сверхтокам, когда при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки осуществляет защиту до определенного уровня сверхтока без срабатывания второго защитного аппарата.”

Можно говорить о полной селективности, когда обеспечивается селективность для любого значения сверхтока, возможного в установке. О полной селективности между двумя автоматическими выключателями говорят, когда обеспечивается селективность до меньшего из значений Icu двух автоматических выключателей, так как максимальный ожидаемый ток короткого замыкания (КЗ) установки в любом случае будет ниже или равным наименьшему значению Icu двух автоматических выключателей.

О частичной селективности говорят, когда обеспечивается селективность только до определенного значения тока Is (предельный ток селективности). Если ток превышает это значение, то селективность между двумя автоматическими выключателями более не может быть обеспечена.

О частичной селективности между двумя автоматическими выключателями говорят, когда обеспечивается селективность до определенного значения Is, которое ниже значений Icu двух автоматических выключателей. Если максимальный ожидаемый ток КЗ установки ниже или равен току селективности Is, говорят о полной селективности.

Пример

Рассматриваются следующие два автоматических выключателя:

• На стороне питания XT4N250 TMA100 (Icu=36 кА);
• На стороне нагрузки S200M C40 (Icu=15 кА).

Из “Таблиц координации аппаратов защиты и управления” видно, что обеспечивается полная селективность (Т) между двумя автоматическими выключателями. Это означает, что обеспечивается селективность до 15 кА, т.е. меньшего из двух значений Icu.

Очевидно, что максимальный ожидаемый ток К3 в месте установки автоматического выключателя S200M C40 будет меньше или равным 15кА.

Теперь рассматриваются следующие два автоматических выключателя:

• На стороне питания XT4N250 TMA80 (Icu=36 кА);
• На стороне нагрузки S200M C40 (Icu=15 кА).

Из «Таблиц координации аппаратов защиты и управления» видно, что селективность между двумя автоматическими выключателями составляет Is=6.5 кА.

Это означает, что если максимальный ожидаемый ток КЗ на стороне нагрузки автоматического выключателя S200M C40 меньше 6.5 кА, то будет обеспечена полная селективность, а если ток КЗ имеет более высокое значение, то будет обеспечиваться частичная селективность, т.е. только для КЗ с током меньше 6.5 кА, тогда как для КЗ с током между 6,5 и 15 кА несрабатывание автоматического выключателя стороны питания не обеспечивается.

Зона перегрузки и зона короткого замыкания (КЗ)

С целью анализа селективности в данной статье введены понятия «зоны перегрузки» и «зоны КЗ». Под «зоной перегрузки» понимают диапазон значений тока и, следовательно, соответствующую часть кривых срабатывания автоматического выключателя между номинальным током самого автоматического выключателя и значением, которое в 8-10 раз выше номинального тока. Это зона, в которой обычно вызывается срабатывание тепловой защиты для термомагнитных расцепителей и защиты L для электронных расцепителей. Эти токи обычно соответствуют цепи с перегрузкой. Вероятность возникновения данного события более высокая по сравнению с появлением КЗ.

Под «зоной КЗ» понимают диапазон значений тока и, следовательно, соответствующую часть кривых срабатывания автоматического выключателя, которые в 8-10 раз выше номинального тока автоматического выключателя. Это зона, в которой обычно вызывается срабатывание магнитной защиты для термомагнитных расцепителей или защит S, D и I для электронных расцепителей. Эти значения тока обычно соответствуют повреждению в цепи питания. Это событие менее вероятно, чем простая перегрузка.

Методы обеспечения селективности

В зоне перегрузки с применением устройств защиты обычно реализуется времятоковый тип селективности.

В зоне КЗ с применением устройств защиты обычно могут использоваться различные методы обеспечения селективности.

В частности, в нижеследующих разделах будут рассмотрены:

• Токовая селективность;
• Временная селективность;
• Энергетическая селективность;
• Зонная селективность.

Времятоковая селективность

В общем следует отметить, что устройства защиты от перегрузки имеют времятоковую характеристику, срабатывают ли они посредством теплового расцепителя или посредством функции L электронного расцепителя. Времятоковая характеристика является характеристикой срабатывания, причем по мере возрастания тока, время срабатывания автоматического выключателя уменьшается. Когда имеются устройства защиты с характеристиками такого типа, то применяемый метод селективности – это времятоковая селективность.

Времятоковая селективность обеспечивает селективность срабатывания путем регулировки устройств защиты таким образом, что защита со стороны нагрузки при всех возможных значениях сверхтока срабатывает быстрее, чем автоматический выключатель со стороны питания. При анализе времени срабатывания двух автоматических выключателей необходимо учитывать:

• Допуски порогов и времен срабатывания;
• Действительные токи, протекающие в автоматических выключателях.

Токовая селективность

Этот тип селективности основан на положении о том, что чем ближе точка замыкания к источнику питания установки, тем выше ток КЗ. Поэтому можно определить зону, в которой случилось замыкание, путем настройки мгновенных функций защиты на различные значения тока. Полную селективность обычно можно получить в конкретных случаях только там, где ток замыкания невысокий, и где между двумя устройствами защиты имеется элемент с высоким полным электрическим сопротивлением (трансформатор, очень длинный кабель или кабель с уменьшенным поперечным сечением и т.д.) и, следовательно, велика разница между значениями токов КЗ. Поэтому данный тип координации используется, в первую очередь, в конечных распределительных щитах (низкие значения номинального тока и тока КЗ, и высокое полное электрическое сопротивление соединительных кабелей).

Для анализа обычно используются времятоковые кривые срабатывания устройств защиты. Токовая селективность, по своему существу, является быстродействующим (мгновенным), простым в реализации и экономичным методом обеспечения координации защитных устройств.

Однако:

• предельный ток селективности обычно низок, и, таким образом, селективность часто является только частичной;
• уровень уставки защиты от сверхтоков быстро растет;
• резервирование защиты, обеспечивающее быстрое отключение поврежденной линии в случае, если одно из устройств защиты неисправно, является невозможным.

Это тип селективности, который может быть также реализован между автоматическими выключателями одинакового размера и без функции защиты от КЗ с задержкой (S).

Временная селективность

Этот тип селективности представляет собой развитие предыдущего. В данном типе координации кроме порога срабатывания по току определяется также время срабатывания: определенное значение тока вызывает срабатывание устройств защиты после определенного времени задержки, что позволяет обеспечить срабатывание устройств защиты, расположенных ближе к точке замыкания, не отключая исправную часть электроустановки. Поэтому стратегия настройки заключается в постепенном повышении порогов тока и задержек срабатывания по мере приближения к источникам питания (уровень уставки непосредственно соотносится с иерархическим уровнем).

Пороги срабатывания с задержкой должны учитывать допуски двух устройств защиты и действительные токи, которые протекают в этих устройствах. Разница между задержками, установленными для последовательных устройств защиты, должна учитывать время обнаружения замыкания и время срабатывания устройства на стороне нагрузки, а также время инерции устройства на стороне питания (временной интервал, во время которого устройство защиты может сработать даже после пропадания тока короткого замыкания). Как и в случае с токовой селективностью, анализ проводится путем сравнения времятоковых кривых срабатывания защитных устройств.

Обычно этот тип согласования:

• легко анализировать и реализовать;
• не очень дорогостоящий в отношении системы защиты;
• позволяет получить высокие значения предела селективности (если значение Icw высокое);
• позволяет обеспечить резервирование устройств защиты.

Однако:

время срабатывания и уровни энергии, пропускаемые защитными устройствами, особенно близко расположенными к источникам, являются значительными.

Это тип селективности, который может быть также реализован между автоматическими выключателями одинакового размера, оснащенными электронными расцепителями с защитой от КЗ, срабатывающей с задержкой – функция “S”.

Энергетическая селективность

Координация энергетического типа является специфическим типом селективности, который основан на токоограничивающих характеристиках автоматических выключателей в литом корпусе. Отмечается, что токоограничивающий автоматический выключатель является «автоматическим выключателем с чрезвычайно малым временем отключения, в течение которого ток короткого замыкания не успевает достичь своего максимального значения» (ГОСТ Р 50030.2). На практике, все автоматические выключатели в литом корпусе серий Tmax XT и Tmax, модульные автоматические выключатели и воздушный токоограничивающий автоматический выключатель E1.2L, производимые АББ, имеют более или менее выраженные токоограничивающие характеристики.

При возникновении больших токов КЗ (>10…15×In) эти автоматические выключатели имеют чрезвычайно высокое быстродействие (время срабатывания порядка нескольких миллисекунд) и размыкаются при наличии значительной апериодической составляющей. Поэтому для анализа данного вида селективности невозможно использовать времятоковые кривые срабатывания автоматических выключателей, полученные с учетом действующих значений периодических составляющих.

Эти явления, в основном, динамические (из-за пропорциональности квадрату значения мгновенного тока) и существенно зависят от взаимодействия между двумя последовательными устройствами. Поэтому значения энергетической селективности не могут быть определены конечным пользователем.

Производители предоставляют таблицы, счетные линейки и программы расчета, в которых указаны значения предельного тока селективности Is при КЗ между различными комбинациями автоматических выключателей. Эти значения определяются путем теоретического объединения результатов испытаний, проведенных в соответствии с указаниями Приложения А ГОСТ Р 50030.2 и результатов компьютерного моделирования поведения автоматических выключателей в процессе отключения КЗ.

Зонная селективность

Этот тип селективности представляет собой развитие временной селективности.

В общем, зонная селективность реализуется с помощью диалога между токоизмерительными устройствами, так что при обнаружении превышения порога срабатывания позволяет точно определить зону неисправности и отключить подачу электропитания только в эту зону. Она может быть реализована двумя способами:

• измерительные устройства направляют информацию о превышении порога уставки тока системе контроля, и последняя определяет, какое устройство должно сработать;
• когда имеются значения тока, которые выше соответствующих уставок, то каждое защитное устройство направляет сигнал блокировки посредством прямого соединения или шины на иерархически более высокий уровень защиты (на стороне питания по отношению к направлению потока мощности) и, до срабатывания, проверяет, что аналогичный сигнал блокировки не поступил от защитного устройства со стороны нагрузки. Таким образом, вмешивается только защита, расположенная непосредственно со стороны питания от точки неисправности.

Второй случай обеспечивает определенно меньшее время срабатывания. По сравнению с временной селективностью, более не требуется повышать задержку по мере приближения к источнику питания. Задержка может быть уменьшена на время, требующееся для приема возможного сигнала блокировки от защитного устройства со стороны нагрузки.

Этот тип селективности подходит для радиальных сетей и, в сочетании с направленной защитой, подходит также для смешанных сетей.

По сравнению с временной селективностью, зонная селективность обеспечивает:

• сокращение времени срабатывания (оно может быть ниже сотни миллисекунд);
• снижение как степени повреждения, вызываемого замыканием, так и вмешательства в систему электропитания;
• снижение тепловых и динамических нагрузок на части установки;
• получение очень большого количества уровней селективности.

Однако:

• она более обременительна как с точки зрения стоимости, так и сложности установки;
• она требует наличия дополнительного источника питания.

Поэтому данное решение, в основном, используется в системах с высоким номинальным током и высокими значениями тока КЗ, с обязательными требованиями безопасности и непрерывности эксплуатации: В частности, имеется много примеров логической селективности в коммутационно-распределительных устройствах, стоящих непосредственно со стороны нагрузки трансформаторов и генераторов.

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные методы обеспечения селективности в низковольтных распределительных системах.

Более полную информацию по данной теме можно прочитать в специализированной брошюре “Селективность автоматических выключателей ABB в сетях низкого напряжения“, где в том числе подробно разобраны методы обеспечения селективности между аппаратами ABB, а также присутствует информация по направленной зонной селективности и селективности между низким и средним напряжением.

Источник: http://blogforconsultants.ru/?p=9855