Что такое селективность автоматических выключателей + принципы расчета селективности

Энергетическая селективность

Теория

Координация энергетического типа является специфическим способом обеспечения селективности, который основан на токоограничивающих характеристиках автоматического выключателя в литом корпусе. В условиях КЗ такие АВ имеют чрезвычайно высокое быстродействие (время срабатывания порядка нескольких миллисекунд). Поэтому для анализа данного вида селективности невозможно использовать времятоковые характеристики автоматических выключателей, приведённые в каталогах.

«Взаимодействие и поведение двух последовательно установленных токоограничивающих автоматических выключателей в значительной степени зависит как от значения возникающего тока, так и от типоразмера АВ. Поэтому значения предельного тока селективности не могут быть определены конечным пользователем. Специально для решения этой проблемы производители предоставляют так называемые таблицы энергетической селективности и программы расчёта, в которых указаны значения предельного тока селективности Is при КЗ между различными комбинациями АВ, — разъясняет Игорь Мещеряков. — Необходимый объём технических данных, программных средств и устройств для реализации селективности любого уровня сложности может предоставить только производитель автоматических выключателей с широким ассортиментом продукции и значительными ресурсами для проведения испытаний. Ведь во многом для составления таблиц энергетической селективности необходимо именно проведение испытаний, в ходе которых проверяется срабатывание различных автоматических выключателей при КЗ».

Энергетическая селективность является основой для построения координации в распределительных щитах, вводных распределительных устройствах (ВРУ) и ГРЩ с номинальными токами от 16 А до 1600 А.

Практический пример

На стороне питания установлен токоограничивающий автоматический выключатель АББ Tmax T5N с электронным расцепителем на 400 А. Исходя из параметров электрической сети для стороны нагрузки был подобран аппарат АББ Tmax XT4N.

Расположение аппаратов приведено на рис. 1.

Руководствуясь времятоковыми характеристиками автоматических выключателей, приведенными на рис. 3, можно сделать ошибочный вывод, что Is = 6 кА (токовая селективность). В то же время, исходя из таблицы, имеющейся в брошюре АББ «Таблицы координации», которую предоставляет производитель (см. рис. 4), видно, что данная пара выключателей имеет Is = 50 кА. Следовательно, времятоковые характеристики не являются достаточным критерием для определения предельного тока энергетической селективности.

Как видно из примера, энергетический вид селективности позволяет получить значительно большие значения предельных токов селективности, чем токовая без завышения уставок защиты от КЗ.

Рис. 3. Времятоковые характеристики автоматических выключателей АББ Tmax XT4 и Tmax T5.

Рис. 4. Таблица координации энергетической селективности автоматических выключателей АББ Tmax XT4 и Tmax T5.

Важно заметить, что для реализации энергетической селективности настройки вышестоящего выключателя должны удовлетворять следующим требованиям:

• если аппарат имеет термомагнитный расцепитель TMA, то настройка защиты от КЗ должна быть установлена на максимум (10хIn);
• если аппарат имеет электронный расцепитель, то защита I должна быть отключена (I3 = OFF);
• характеристики срабатывания выключателей не должны иметь пересечений.

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.

Понятие селективности. Методы обеспечения селективности

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 методы обеспечения селективности

Комплектация приборов в единую систему происходит в соответствии с главным требованием – при любом возникновении аварийной ситуации или образовавшемся повреждении должен сработать автомат, находящийся от места замыкания на самом приближенном расстоянии, а все остальные приборы находятся по-прежнему в замкнутом положении. Примером может быть неисправность поблизости розетки, когда происходит срабатывание выключателя розеточной группы определенного помещения, а все другие приборы продолжают находиться в рабочем состоянии.

Необходимо детальнее определится с практически существующими способами:

Токовая селективность

Вид, при котором существует прямая зависимость между силой тока при коротком замыкании и минимальным расстоянием от участка замыкания к источнику – токовая селективность. На практике этот метод выглядит следующим образом – со стороны питания производится установка автомата с защитой такого исполнения, которое не допускает срабатывания при возникновении на участке нагрузки короткого замыкания.
Для отключения автомата в случае замыкания его установка должна быть выполнена на стороне нагрузки. Наглядное изображение этого типа селективности выполнено на рисунке ниже:

Временной тип

На время срабатывания влияет следующий вид селективности – временной. Он выполняется способом установки автомата вблизи источника питания. При этом в первую очередь по отношению к месту замыкания будет срабатывать ближайшее к нему устройство. А все остальные из-за большего времени отключаться не будут.

Зонная селективность

Передача сигнала блокировки на уровень защиты с более высокими параметрами выполняется автоматом в случае превышения уставки тока короткого замыкания. Выключатель выполняет функцию проверки до момента срабатывания поступления такого же сигнала с нагрузочной стороны. Этим способом осуществляется срабатывание только в случае сигнала со стороны питания, все другие устройства будут находиться во включенном состоянии.

На рисунке изображен процесс в схематическом виде:

Времятоковая селективность

Большую актуальность данный тип имеет во всех защитных устройствах, обладающих времятоковыми характеристиками. Главный принцип рассматриваемого вида селективности состоит в потребности правильного подбора выключателей с такими параметрами, которые способны обеспечить более быстрое срабатывание системы защиты с нагрузочной стороны. Это должно происходить при любых параметрах тока гораздо быстрее, чем срабатывание выключателя со стороны источника питания.

Объективный анализ подобного явления возможен при рассмотрении самых плохих условий. Для примера попробуем разобраться в происходящем, допуская срабатывание выключателя со стороны питания по собственной нижней кривой, а устройство с нагрузочной стороны отключается на самом пике верхней кривой. Непременное условие состоит в том, чтобы зоны срабатывания для обоих приборов никоим образом не пересекались.

Вот как это выглядит в нашем конкретном случае – имеется схема, в которую входят автоматы «А» и «В». По заданным параметрам селективности необходимо, чтобы при токе одинакового значения первым всегда срабатывало устройство «В».

На рисунке, расположенном вверху, вы можете увидеть наиболее подходящий вариант расположения времятоковых кривых для обоих автоматов.

На представленном изображении можно убедиться в том, что при одинаковом значении тока первым произойдет отключение прибора «В».

Срабатывание данного устройства обеспечивает необходимую селективность. Итогом этого процесса является то, что питающая среагировавший автомат шина останется под напряжением.

Избежать негативных последствий перенапряжения или замыкания и обеспечить качественную защиту системы проводки можно проверенным способом. Еще на этапе проектирования и в процессе планировки схемы электроцепей и оборудования требуется тщательная разработка с обязательным учетом параметров селективности.

Таким образом, потребитель получает в свое распоряжение функцию автоматического определения зоны, где возникла неисправность, и локального отключения определенного участка без потери работоспособности остальных.

Все используемое оборудование снабжается максимально эффективной защитой, что обеспечивает безопасность людей и значительно повышает сроки эксплуатации электропроводки и бытовых приборов.

← Предыдущая страница
Следующая страница →

Релейная защита

К релейной защите, отключающей цепь при повреждениях, предъявляются такие требования:

• селективность;
• скорость реагирования;
• чувствительность;
• надежность.

Селективность можно назвать главным условием, обеспечивающим бесперебойность и непрерывность питания электрооборудования при наличии запасного источника.

Использование выключателей и реле с высокой скоростью реагирования исключается нарушение динамической устойчивости функционирующих параллельно синхронных агрегатов. Так устраняется основная причина самых тяжелых системных аварий с точки зрения непрерывной работы потребителей.

Релейная защита также должна обладать достаточной чувствительностью к повреждениям и нештатным режимам функционирования, возникающих на подлежащих защите элементах системы. Соответствия требованию необходимого уровня чувствительности во вновь создаваемых современных электросетях добиться очень сложно.

Требование надежности предъявляется в связи с тем, что защита сети должна безотказно и корректно функционировать и отключать оборудование при любом его повреждении и возникновении нарушений, препятствующих нормальному рабочему режиму.

Принцип действия

Схема внутреннего устройства селективного автоматического выключателя

Появление селективного автоматического выключателя изначально планировалось, как выпуск устройства защиты, имеющего наилучшие характеристики с точки зрения выполнения функций вводного устройства защиты. Выше было отмечено, что это подразумевает обеспечение полной селективности. Это означает селективность между вводным и отходящими автоматическими выключателями во всём диапазоне токов короткого замыкания (вплоть до отключающей способности нижестоящего автомата) и при любых номинальных токах вводного автомата не меньше номинальных токов отходящего.

Такая функциональность обеспечивается конструкцией селективного автоматического выключателя (приведена на рисунке). На схеме видны два токовых пути.
Один из них основной, имеющий те же элементы, что и обычный автоматический выключатель: электромагнитную катушку (мгновенный расцепитель), биметалл (расцепитель перегрузки) и блок основных контактов. Дополнительный токовый путь также имеет контакты. Помимо этого можно отметить наличие селективного биметалла. Рассмотрим процессы, происходящие внутри селективного автоматического выключателя в случае аварии.

Представим систему, в которой в качестве вводного устройства защиты используется селективный автоматический выключатель, а в качестве нижестоящего устройства защиты — миниатюрный автоматический выключатель. Возможны два случая. Первый — авария (короткое замыкание) происходит в нагрузке (за отходящим автоматом). Второй — авария происходит между вводным и отходящим автоматами.

В первом случае в момент короткого замыкания отработают расцепители миниатюрного автоматического выключателя и основного токового пути селективного автоматического выключателя. Однако, при этом ток продолжит протекать в дополнительном токовом пути вводного автомата. Поскольку авария устранена, пружина снова замкнет блок основных контактов. Таким образом обеспечивается непрерывное протекание тока и бесперебойность питания нагрузок, то есть селективность.

Во втором случае в момент аварии также разомкнутся основные контакты селективного автоматического выключателя. Далее, поскольку авария продолжит существовать, селективный биметалл также разомкнет контакты и дополнительном токовом пути, при этом заблокировав пружину и не позволив ей замкнуть основные контакты. Таким образом, разомкнутыми остаются и основной, и дополнительный токовый пути, тем самым обеспечивая защиту от короткого замыкания.

В итоге можно отметить, что селективный автоматический выключатель и обеспечивает селективность, и защищает от токов короткого замыкания.

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.

Подбор автоматических выключателей и УЗО по току срабатывания

селективность по току сробатывания

Представленная схема показывает принцип выбора автоматических выключателей и УЗО по току срабатывания. Здесь выполняется тот же принцип, что и в предыдущей схеме: вначале должны работать защиты, ближайшие к месту повреждения, а их резервированием занимаются аналогичные устройства следующей, второй очереди.

При КЗ в цепях потребителя №3, 4, или 5 отключаются вначале автоматический выключатель поврежденного участка, а автомат №2 резервирует его работу. В свою очередь, исправность защиты распределительного щита страхует выключатель №1 ГРЩ.

Устройство защитного отключения контролирует состояние схемы на отсутствие токов утечек. Наибольшее значение уставки в 300 mA назначается защитам ГРЩ №1. Самые маленькие уставки 30 mA выставляются на УЗО конечных присоединений. В РЩ головное УЗО №2 настраивается на срабатывание промежуточных значений 100 mA.

На практике уставки для защит выставляются по комбинированному методу с учетом совмещения принципов селективности по времени, току и другим параметрам, дополняющих надежность рабочей схемы.

Решаемые задачи

Принцип селективности позволяет обеспечить:

• электробезопасность оборудования и людей;
• автоматическое определение зоны неисправности и ее локализацию;
• снабжение электричеством исправных участков, смежных с поврежденным;
• поддержание качества электроэнергии для всех потребителей.

По этим причинам избирательность защитных устройств следует всегда учитывать на практике для выбора аппаратуры при прокладке электрической проводки для надежной эксплуатации электрооборудования.

Виды селективных схем подключения

Защитная аппаратура по селективности подразделяется на несколько видов. К таковым относятся следующие виды защит:

• полная;
• частичная;
• токовая;
• временная;
• времятоковая;
• энергетическая.

На каждом из них нужно остановиться отдельно.

Защита полная и частичная

При такой защищённости цепи подразумевается последовательное подключение аппаратов. В случае возникновения сверхтока сработает тот автомат, который ближе всего к месту повреждения.

Важно! Частичная избирательная защита отличается от полной селективности тем, что срабатывает лишь до установленного значения сверхтока

Токовый тип селективности

Выстраивая в убывающем порядке величины токов от источника к нагрузке, обеспечивают работу токовой избирательности. Главной мерой здесь является предельное значение токовой метки.

Например, начиная от источника питания или ввода, автоматические выключатели устанавливают в последовательности: 25А, 16А, 10А. Все автоматы могут иметь одинаковое время на срабатывание.

Важно! Между автоматами должно быть высокое сопротивление цепи. Тогда они будут иметь эффективную избирательность. Повышают сопротивление путём увеличения протяжённости линии, включения участков с проводом меньшего диаметра или вставкой трансформаторной обмотки

Повышают сопротивление путём увеличения протяжённости линии, включения участков с проводом меньшего диаметра или вставкой трансформаторной обмотки.

Токовая селективность

Временная и времятоковая селективность

Что значит селективная защита по времени? Особенностью такого построения схемы релейной защиты является привязка ко времени срабатывания каждого защитного элемента. Автоматические выключатели обладают одинаковыми токовыми параметрами, но имеют разную выдержку времени при срабатывании. Время срабатывания увеличивается по мере удаления от нагрузки. К примеру, самый ближний рассчитан на срабатывание после 0,2 с. В случае его отказа через 0,5 с. должен сработать второй. Работа третьего автоматического выключателя рассчитана через 1 секунду в случае несрабатывания первых двух.

Временная избирательность

Очень сложной считается времятоковая избирательность. Чтобы её организовать, необходимо выбирать приборы групп: A, B, C, D. У группы А наивысшая защита (применяется в электроцепях). Каждая из этих групп имеет индивидуальную реакцию на величину электрического тока и временную задержку.

Энергетическая селективность автоматов

Такая защита обусловлена свойствами выключателей, которые заложены производителем. Быстрое срабатывание – до того, как токи КЗ достигли максимума. Счёт идёт на миллисекунды, согласовать такую избирательность очень сложно.

Энергетическая селективность

Что такое зонная селективность

Определение данного покрытия избирательной защитой сети связано с особенностью её построения. Это достаточно дорогой и сложный способ. В результате обработки сигналов, поступающих от каждого выключателя, определяется зона повреждения, и отключение происходит только в ней.

Информация. Для обустройства такой защиты требуется дополнительное питание. Сигнал от каждого выключателя подаётся в контрольный центр. Отключения производятся электронными расцепителями.

Такие схемы рациональнее всего использовать на промышленных предприятиях, где системы обладают высокими значениями токов КЗ и значительными рабочими токами.

Пример и график зонной избирательности