Система селективной защиты разветвленных электрических цепей

Изобретение относится к системам защиты разветвленных электрических цепей от токов короткого замыкания, в частности к системам селективной защиты низковольтных электроустановок (до 1000 В). Техническим результатом является повышение быстродействия защиты и снижение максимально возможных термических нагрузок на кабели и другие элементы электроустановки от протекающего тока и дуги перекрытия, обеспечение повышения надежности работы защиты и снижение вероятности возникновения пожара в электроустановках. В системе защиты разветвленных электрических цепей с числом ступеней защиты К, начиная отсчет от источника тока, на последней К-той ступени установлены выключатели без выдержки времени на отключение, а на ступенях с первой по (К-1)-ю установлены селективные выключатели с расцепителями, которые в зоне токов короткого замыкания имеют регулируемые уставки по току, при этом в диапазоне токов короткого замыкания от I_кз1 до I_кз2 защитная характеристика расцепителя обеспечивает ряд фиксированных времен задержки срабатывания (t_кзо=const), а при величинах тока цепи, больших величины уставки I_кз2, задержка времени срабатывания отсутствует (t_кзо=0). К отводящим зажимам селективных выключателей, начиная с выключателя второй ступени защиты, дополнительно подключены токоограничивающие реакторы. Сопротивления Z_n этих реакторов выбраны такими, чтобы на каждой n-ой ступени защиты величина предельного за реактором тока короткого замыкания I_р(n) составляла величину, равную (20÷40)-кратному значению номинального тока I_н выключателя данной n-ой ступени защиты. Величина уставки I_кз2 каждого из селективных выключателей, расположенных на ступенях защиты со второй по (К-1)-ю включительно, составляет (1,1÷1,5) величины предельного на отводящих зажимах реактора тока I_р(n). В расцепители всех селективных выключателей системы защиты дополнительно введена регулируемая уставка по интегралу отключения Q_кз, величина которого для выключателей n-ной ступени защиты Q_кз(n) определяется значением интеграла отключения выключателем нижестоящей (n+1) ступени Q_o(n+1) предельного для этой (n+1) ступени защиты тока короткого замыкания исходя из зависимости Q_(n)=(1,5÷2)Q_о(n+1). 7 ил.

 

Изобретение относится к системам защиты разветвленных электрических цепей от токов короткого замыкания, в частности к системам селективной защиты низковольтных электроустановок (до 1000 В).

Известны системы селективной защиты разветвленных электрических цепей от токов короткого замыкания (КЗ) [1], в которых использованы выключатели с выдержкой времени на отключение для реализации «временного» принципа построения селективной защиты. Суть «временного» принципа обеспечения селективной защиты заключается в том, что вышестоящие выключатели имеют фиксированную задержку времени отключения - большую, чем такая же задержка времени отключения у нижестоящих выключателей (или время плавления у предохранителей). Так, согласно [1], при использовании в качестве селективных выключатели серии АВМ могут иметь выдержку времени на отключение от 0,25 до 0,6 с.

Выключатели А3790С селективного исполнения, в зависимости от места расположения их в разветвленной системе, могут иметь выдержку времени на отключение от 0,1 до 0,4 с [2]. При этом указанные выключатели имеют две уставки по току в зоне короткого замыкания - одна уставка (I_кз1) определяет минимальную величину тока КЗ, при которой срабатывает расцепитель и начинается отсчет выдержки времени на отключение выключателя, а вторая уставка по току (I_кз2) определяет минимальный ток КЗ, при котором выключатель срабатывает без выдержки времени (ток отсечки).

При этом выключатели, стоящие на последней ступени защиты, считая от источника тока (фидерные), как правило, вообще не имеют задержки времени на отключение. К таким выключателям относятся, например, выключатели А3710 [2] или аппараты АП50Б [3].

Указанный «временной» принцип построения системы селективной защиты широко используется в электроустановках различного назначения - для питания оперативных цепей (0,4 кВ) электростанций, для питания и защиты технологического оборудования металлургического производства, в городских и сельских электросистемах распределения электроэнергии и т.д.

«Временной» принцип построения селективности защиты имеет целый ряд серьезных недостатков. Прежде всего, следует отметить, что сам принцип увеличения задержки времени отключения именно тех выключателей, которые расположены ближе к источнику тока, формирует неправильную с технической точки зрения времятоковую защиту всей электроустановки в целом и источника тока в частности.

Действительно, чем ближе расположен выключатель к источнику тока, тем больше ожидаемый ток КЗ в месте установки этого выключателя. Правильной с технической точки зрения защита источника тока будет в том случае, если с увеличением тока КЗ время его существования будет снижаться, при этом наиболее оптимальным будет постоянство интеграла отключения Q_o=I² _кз·t_кз, т.е. с увеличением тока КЗ (I_кз) время задержки отключения (t_кз) должно существенно снижаться. Такую «интегральную» защитную характеристику, обеспечивающую обратную зависимость времени отключения от тока КЗ, как правило, стараются обеспечить при защите различных элементов электроустановки (кабелей, двигателей и т.д.).

Поэтому не снижение, а наоборот, возрастание времени отключения при увеличении ожидаемых токов КЗ, которое имеет место при реализации «временной» селективности, формирует совершенно неоптимальную защитную времятоковую характеристику для защиты источника тока - время отключения КЗ находится не в обратной, как технически обоснованно, а в прямой зависимости от тока КЗ.

Недостатки «временного» принципа построения селективности, связанные со значительным временем задержки отключения вышестоящих селективных выключателей, особенно негативно сказываются на качестве защиты электроустановок ответственных потребителей. Дело в том, что для ответственных потребителей с целью существенного снижения вероятности возникновения пожара предусмотрено резервирование отключения аварийной ситуации вводным выключателем в случае отказа фидерного аппарата. Поэтому, чтобы исключить возгорание фидерного кабеля от воздействия тока КЗ, его термическая устойчивость должна быть больше интеграла отключения уже не фидерного, а вышестоящего вводного выключателя, который имеет задержку времени на отключение, и поэтому его интеграл отключения значительно больше (как правило, на порядок), чем у фидерного выключателя.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе селективной защиты разветвленных электрических цепей является типовая схема питания и защиты электроустановок низкого напряжения (менее 1000 В), в которой между источником тока (трансформатором) и отдельным потребителем включены два и более аппарата защиты (выключатели и предохранители) [4].

Так, на рис.7.2 указанного источника информации [4] приведена схема питания цеховой электроустановки от двух трансформаторов Т1 и Т2. В этой схеме при питании двигателя (М) от магистрального шинопровода ШМА-2 между защищаемым объектом (М) и источником тока (Т2) включены два выключателя SF, а при питании двигателя (M) от распределительного шинопровода ШРА между двигателем и источником питания (Т) находятся уже три коммутационных аппарата - два выключателя SF и один предохранитель F. При питании же нагрузки (двигателя) от распределительного шинопровода ШРА-2, в случае резервного питания от трансформатора Т-2, между двигателем (М) и источником тока будут включены уже три селективных выключателя SF и один предохранитель (вместо предохранителя может использоваться выключатель без специальной задержки времени на отключение).

Таким образом, в общем случае рассматриваемая система селективной защиты электроустановок низкого напряжения (прототип) может иметь две и более (в общем случае К) ступеней защиты потребителей. На последней К-той ступени, начиная отсчет от источника тока, использованы выключатели без выдержки времени на отключение, а на ступенях с первой по (К-1) применены селективные выключатели с расцепителями, которые в зоне токов короткого замыкания имеют регулируемые уставки по току (I_кз1 и I_кз2), при этом в диапазоне значений токов короткого замыкания от I_кз1 до I_кз2 защитная характеристика расцепителя обеспечивает ряд фиксированных времен задержки срабатывания (t_кзо=const), а при величинах тока цепи больше величины уставки I_кз2 задержка времени срабатывания отсутствует (t_кзо=0).

Такая система селективной защиты используется как в электроустановках крупных промышленных предприятий, так и в электроустановках собственных нужд электростанций, в том числе и АЭС. На разных ступенях защиты конкретных электроустановок могут быть установлены аппараты различных серий и типоисполнений, но если требуется обеспечить селективность защиты, то все выключатели, кроме выключателей последней ступени (фидерных выключателей), должны быть селективного исполнения (селективные).

В настоящее время во всех селективных выключателях реализован «временной» принцип обеспечения селективности, который, как указывалось ранее, имеет ряд существенных недостатков. Для удобства при более подробном анализе недостатков «временного» принципа обеспечения селективности защиты рассмотрим в качестве конкретного примера четырехступенчатую систему защиты сборки РТЗО (распредустройство трехфазное, одностороннего обслуживания) электроустановки 0,4 кВ АЭС (см. фиг.1).

На последней, четвертой ступени защиты сборки РТЗО применены фидерные выключатели типа АП50Б [3], которые не имеют задержки времени отключения, а поэтому полное время отключения предельных для них токов КЗ составляет около 0,01 с (10 мс). Но в случае отказа фидерного выключателя максимально возможная термическая нагрузка на фидерные кабели будет определяться временем и интегралом отключения вводного выключателя ВА55А31.

Этот выключатель [5] имеет две уставки по току в зоне КЗ - одна уставка (I_кз1) определяет минимальную величину тока КЗ, при которой срабатывает расцепитель и начинается отсчет выдержки времени на отключение выключателя, а вторая уставка по току (I_кз2) определяет минимальный ток КЗ, при котором выключатель срабатывает без выдержки времени (ток отсечки). Таким образом, в диапазоне значений токов короткого замыкания от I_кз1 до I_кз2 защитная характеристика расцепителя обеспечивает ряд фиксированных времен задержки срабатывания (t_кзо=const), а при величинах тока цепи, превышающих величину уставки I_кз2, задержка времени срабатывания отсутствует (t_кзо=0).

Применяемый для защиты сборок РТЗО выключатель ВА55А31 имеет фиксированную выдержку времени отключения 0,1 с. Поэтому, если даже выбрать повышенные сечения фидерных кабелей и тем самым обеспечить их достаточную термическую устойчивость к токам КЗ, это не позволяет добиться существенного повышения пожаробезопасности электроустановки - ведь воздействие электрической дуги перекрытия в течение 0,1 с даже при сравнительно небольших токах КЗ приводит к повреждению кабелей с большой вероятностью их возгорания.

Так как времена задержки отключения вышестоящих выключателей - группового выключателя А3790С и секционного выключателя «Электрон», установленных над вводным выключателем сборки ВА55А31, - еще больше и составляют соответственно 0,25 с и 0,55 с (см. фиг.1), то проблема пожаробезопасности для групповых и магистральных кабелей стоит еще острее. Для снижения нагрузок на указанные кабели, а также на другие элементы электроустановки, необходимо обеспечить как можно большее быстродействие системы защиты.

В основу изобретения поставлена задача построения такой системы селективной защиты разветвленных электрических цепей, в которой за счет использования в выключателях дополнительных «интегральных» расцепителей и добавления в силовую часть электроцепей токоограничивающих реакторов обеспечиваются повышение быстродействия защиты и существенное снижение максимально возможных термических нагрузок на кабели и другие элементы электроустановки от протекающего тока и дуги перекрытия, тем самым обеспечиваются значительное повышение надежности работы защиты и снижение вероятности возникновения пожара в электроустановках.

Эта задача решается в известной системе защиты разветвленных электрических цепей с числом ступеней защиты К, начиная отсчет от источника тока, в которой на последней К-той ступени установлены выключатели без выдержки времени на отключение, а на ступенях 1-(К-1) установлены селективные выключатели, имеющие расцепители, которые в зоне токов короткого замыкания имеют регулируемые уставки по току (I_кз1 и I_кз2), при этом в диапазоне значений токов короткого замыкания от I_кз1 до I_кз2 защитная характеристика расцепителя обеспечивает ряд фиксированных времен задержки срабатывания (t_кзо=const), а при величинах тока цепи больше величины уставки I_кз2 задержка времени срабатывания отсутствует (t_кзо=0). К отводящим зажимам селективных выключателей, начиная с выключателя второй ступени, дополнительно подключены токоограничивающие реакторы, при этом сопротивления Z_n этих реакторов выбраны такими, чтобы на каждой n-ой ступени защиты величина предельного за реактором тока короткого замыкания I_р(n) составляла величину, равную (20-40)-кратному значению номинального тока I_н выключателя данной n-ой ступени защиты, причем величина уставки I_кз2 каждого из селективных выключателей, расположенных на ступенях защиты со второй по (К-1)-ю включительно, составляет (1,1-1,5) величины предельного на отводящих зажимах реактора тока I_р(n), при этом в расцепители всех селективных выключателей системы защиты дополнительно введена регулируемая уставка по интегралу отключения Q_кз, величина которого для выключателя n-ой ступени защиты Q_кз(n) определяется значением интеграла отключения выключателем нижестоящей (n+1) ступени Q_o(n+1) предельного для этой (n+1) ступени защиты тока короткого замыкания, исходя из зависимости Q_кз(n)=(1,5-2)Q_o(n+1).

Именно за счет того, что к отводящим зажимам селективных выключателей, начиная с выключателя второй ступени, дополнительно подключены токоограничивающие реакторы, при этом сопротивления Z_n этих реакторов выбраны такими, чтобы на каждой n-ой ступени защиты величина предельного за реактором тока короткого замыкания I_р(n) составляла величину, равную (20÷40)-кратному значению номинального тока I_н выключателя данной n-ой ступени защиты, причем величина уставки I_кз2 каждого из селективных выключателей, расположенных на ступенях защиты со второй по (К-1)-ю включительно, составляет (1,1÷1,5) величины предельного на отводящих зажимах реактора тока I_р(n), при этом в расцепители всех селективных выключателей системы защиты дополнительно введена регулируемая уставка по интегралу отключения Q_кз, величина которого для выключателя n-ой ступени защиты Q_кз(n) определяется значением интеграла отключения выключателем нижестоящей (n+1) ступени Q_o(n+1) предельного для этой (n+1) ступени защиты тока короткого замыкания, исходя из зависимости Q_кз(п)=(1,5-2)Q_o(n+1), обеспечивается повышение быстродействия защиты и существенное снижение максимально возможных термических нагрузок на кабели и другие элементы электроустановки от протекающего тока и дуги перекрытия и тем самым значительное повышение пожаробезопасности электроустановки, причем при сохранении абсолютной селективности защиты.

Действительно, вследствие ограничения тока КЗ реакторами снижается ожидаемый ток КЗ на ступенях защиты со второй по К-тую, а значит, соответственно уменьшается и интеграл отключения при коммутировании этих токов. За счет же того, что расцепители селективных выключателей системы не имеют фиксированных значений задержек времени срабатывания, а реагируют мгновенно на уставку интеграла отключения Q_кз(n), времена отключения ими цепей с большими токами КЗ будут значительно меньшими, чем времена отключения выключателей, имеющих фиксированную выдержку времени.

Сущность изобретения представлена на фиг.2-7.

На фиг.2 представлена четырехступенчатая система «интегральной» селективной защиты разветвленных электрических цепей.

На фиг.3 представлена структурная схема «интегрального» расцепителя.

На фиг.4 представлена система «интегральной» селективной защиты разветвленных электрических цепей, в которой короткое замыкание произошло на отводящих зажимах выключателя четвертой ступени защиты (на зажимах фидерного выключателя).

На фиг.4а приведена система защиты в исходном состоянии - выключатели всех четырех ступеней включены.

На фиг.4б приведены диаграммы изменения пропускаемого тока i_п и его интеграла Q_п во времени при отключении короткозамкнутой цепи выключателем четвертой ступени защиты.

На фиг.4в приведена система защиты после селективного отключения тока КЗ выключателем четвертой ступени.

На фиг.5 представлена система «интегральной» селективной защиты, в которой короткое замыкание произошло на отводящих зажимах выключателя третьей ступени защиты (на зажимах вводного выключателя).

На фиг.5а приведена система защиты в исходном состоянии - выключатели всех ступеней включены.

На фиг.5б приведены диаграммы изменения пропускаемого тока i_п и его интеграла Q_п во времени при отключении короткозамкнутой цепи выключателем четвертой ступени защиты.

На фиг.5в приведена система защиты после селективного отключения тока КЗ выключателем третьей ступени.

На фиг.6 представлена система «интегральной» селективной защиты, в которой короткое замыкание произошло на отводящих зажимах выключателя второй ступени защиты (на зажимах группового выключателя).

На фиг.6а приведена система защиты в исходном состоянии - выключатели всех ступеней защиты включены.

На фиг.6б приведены диаграммы изменения пропускаемого тока i_п и его интеграла Q_п во времени при отключении короткозамкнутой цепи выключателем второй ступени защиты.

На фиг.6в приведена система защиты после селективного отключения тока КЗ выключателем второй ступени защиты.

На фиг.7 представлена система «интегральной» селективной защиты, в которой короткое замыкание произошло на отводящих зажимах выключателя первой ступени защиты.

На фиг.7а приведена система защиты в исходном состоянии - выключатели всех ступеней защиты включены.

На фиг.7б представлены диаграммы изменения пропускаемого тока i_п и его интеграла Q_п во времени при отключении короткозамкнутой цепи выключателем первой ступени защиты.

На фиг.7в приведена система защиты после селективного отключения тока КЗ выключателем первой ступени защиты.

Заявляемая система селективной защиты (фиг.2) включает в себя источник тока 1 (трансформатор), секционный селективный выключатель 2, который имеет расцепитель максимального интеграла тока 3, и магистральные кабели 4, которые питают несколько групповых выключателей 5.

Каждый групповой выключатель 5 имеет расцепитель максимального интеграла тока 6. К отводящим зажимам каждого группового выключателя 5 подключен токоограничивающий реактор 7, к которому подключены групповые кабели 8. Каждый групповой кабель питает несколько вводных выключателей 9.

Каждый вводной выключатель 9 имеет расцепитель максимального интеграла тока 10. К отводящим зажимам каждого вводного выключателя 9 подключен токоограничивающий реактор 11, к которому подключены групповые кабели 12. Каждый групповой кабель питает несколько фидерных выключателей 13.

Каждый фидерный выключатель 13 имеет расцепитель максимального тока 14, а к отводящим зажимам каждого фидерного выключателя подключены фидерные кабели 15.

Расцепители максимального интеграла всех селективных выключателей предлагаемой системы защиты реагируют на величину интеграла Q_кз(n) пропускаемого через выключатель тока. Если величина интеграла пропускаемого через селективный выключатель тока n-ой ступени, определяемая как , становится больше величины уставки интеграла отключения Q_кз(n), которая определяется значением интеграла отключения выключателем нижестоящей (n+1) ступени Q_o(n+1) предельного для этой (n+1) ступени защиты тока короткого замыкания, то расцепитель вырабатывает сигнал на расцепление механизма выключателя. Для обеспечения селективности в работе вышестоящего выключателя (n+1) ступени защиты с нижестоящим выключателем n-ой ступени значение Q_кз(n) выбирается исходя из зависимости Q_кз(n)=(1,5÷2)Q_o(n+1).

Расцепитель максимального интеграла тока производит измерение величины интеграла тока отключения только в том случае, если величина пропускаемого тока i_п будет больше уставки максимального тока I_у(n). Это значит, что расцепитель КЗ (короткого замыкания) по существу работает по логической схеме «И-И» от двух входных сигналов - величины пропускаемого тока и интеграла квадрата этого тока (интеграла отключения). Поэтому термин «интегральный» расцепитель следует рассматривать в определенной степени как условный, кратко отражающий отличие его от обычного расцепителя максимального тока. Более правильным, но и более длинным является термин «расцепитель максимального тока КЗ и максимального интеграла отключения».

Так как «интегральный» расцепитель реагирует и на величину пропускаемого тока, и на интеграл отключения Q_o(n), то его датчик тока должен обеспечивать необходимую точность измерения тока КЗ во всем диапазоне его изменения - от (2÷10)I_н до предельного тока КЗ на зажимах данного выключателя. Поэтому, если в качестве датчика тока использован трансформатор тока, то в общем случае датчик тока может состоять из двух или более трансформаторов тока, имеющих разную степень насыщения магнитной системы. Если величина предельного для данной ступени защиты тока КЗ не превышает (20÷40)I_н, в качестве датчика тока может быть использован один трансформатор тока. При больших значениях тока КЗ целесообразно применение или двух трансформаторов с разной степенью насыщения, или трансформатора и другого датчика тока, позволяющего с достаточной точностью измерять импульсы тока КЗ, например «пояса Роговского» или датчика Холла.

Блок-схема «интегрального» расцепителя приведена на фиг.3.

Расцепитель содержит датчик тока 16 (трансформатор), узел регулировки величины уставки максимального тока 17, узел регулировки величины уставки максимального интеграла отключения 18 и интегратор тока 19. Расцепитель включает в себя также узел сравнения текущего значения тока с величиной уставки максимального тока 20 и узел сравнения текущего значения интеграла пропускаемого тока с величиной уставки максимального интеграла отключения 21.

Выходной элемент расцепителя состоит из усилителя 22 и исполнительного электромагнита 23. Пунктиром показан второй трансформатор тока 24 или другой тип датчика тока, который устанавливается на отводящих шинах выключателя. Он предназначен для работы в зоне предельных токов КЗ для данной ступени защиты, если эта зона токов КЗ превышает (20÷40)I_н для выключателя данной ступени.

«Интегральный» расцепитель функционирует следующим образом. При возникновении аварийной ситуации через датчик тока 16 протекает ток КЗ. При этом с выхода датчика тока 16 сигнал одновременно подается на интегратор тока 19 и на узел 20 сравнения текущего значения тока с величиной уставки максимального тока. Как только пропускаемый через выключатель ток i_п превысит значения тока уставки I_у, интегратор 19 начинает подсчитывать интеграл тока. Из интегратора 19 сигнал (интеграл тока) поступает на узел 21 сравнения текущего значения интеграла тока с величиной уставки максимального интеграла тока. Как только величина интеграла пропускаемого тока станет больше величины уставки, то из узла 21 сравнения интегралов тока поступает управляющий сигнал на усилитель 22. Усиленный сигнал с усилителя 22 поступает на исполнительный элемент расцепителя (электромагнит), который воздействует на механизм свободного расцепления выключателя (на фиг.2 не показан). Происходит отключение выключателем цепи с током КЗ.

Вся система селективной защиты работает следующим образом.

Пусть КЗ произошло на отводящих зажимах выключателя 34 последней, четвертой ступени защиты (см. фиг.4а). Через выключатели 26, 28, 31 и 34 начинает протекать ожидаемый ток КЗ.

Так как выключатель 34 не селективный, то в нем установлен расцепитель максимального тока 35, который реагирует только на величину тока i_п, a в селективных выключателях 26, 28 и 31 установлены соответственно «интегральные» расцепители 27, 29 и 32, которые реагируют и на величину интеграла тока отключения Q_o(4). Величина предельного тока КЗ (I_кз) на зажимах выключателя 34 четвертой ступени ограничивается двумя токоограничивающими реакторами 30 и 33 до значения, равного (20÷40)I_н выключателя 34.

На фиг.4б приведены диаграммы изменения во времени величины пропускаемого тока i_п и интеграла отключения в одном из трех полюсов выключателя, а именно в том полюсе, где величины пропускаемого тока и интеграла отключения оказываются наибольшими.

При величине тока цепи, равной значению уставки I_у расцепителя 35 выключателя 34, контакты последнего расходятся и начинается ограничение ожидаемого тока КЗ (показан пунктиром). В результате диаграммы процесса изменения пропускаемого тока i_п и интеграла отключения Q_o во времени будут иметь вид, представленный на фиг.4б.

Максимальное значение интеграла отключения является исходной величиной для значения уставки интеграла селективного выключателя 31 вышестоящей третьей ступени защиты. Величина уставки Q_y(3) «интегрального» вышестоящего выключателя для обеспечения селективности в работе выключателей 34 и 31 выбрана равной 1,5 величины Q_o(4). Поэтому селективный выключатель 31, расцепитель которого 32 имеет уставку Q_y(3), не сработает и выключатель 31 не отключится. При этом следует отметить, что максимальное значение ограниченного тока i_м(4) превышает уставку по току вышестоящего выключателя 31 (I_у(з)).

Так как уставки «интегральных» расцепителей 29 (Q_y(2)) и 27 (Q_y(1)) выключателей 28 и 26 еще больше, чем уставка расцепителя 32 выключателя 31, ни один из указанных выключателей также не отключится.

На фиг.4в приведена система селективной защиты после ликвидации аварийной ситуации - короткого замыкания на зажимах выключателя 34 последней, четвертой ступени защиты. В положении «отключено» находится только выключатель 34, на зажимах которого возникло короткое замыкание, при этом селективные выключатели 31, 28 и 26 вышестоящих ступеней защиты остались во включенном положении. Таким образом, обеспечена «интегральная» селективность четырехступенчатой системы защиты.

Теперь рассмотрим случай, когда КЗ произошло на отводящих зажимах токоограничивающего реактора 33, подключенного к зажимам выключателя 32 третьей ступени защиты (см. фиг.5а). Через выключатели 26, 28 и 31 начинает протекать ток КЗ.

Так как выключатель 31 селективный, то в нем установлен «интегральный» расцепитель 32, который реагирует (вырабатывает управляющий сигнал на отключение) на величину интеграла отключения Qo. Такие же «интегральные» расцепители 29 и 27 установлены и в вышестоящих выключателях 28 и 26.

Величина предельного тока КЗ (I_кз) для третьей ступени защиты ограничивается двумя токоограничивающими реакторами 30 и 33 до значения, равного 30 I_н выключателя 31.

На фиг.5б приведены диаграммы изменения во времени величины пропускаемого тока i_п (показан пунктиром) и интеграла отключения Q_o в одном из трех полюсов выключателя 31.

При величине тока цепи, при котором значение интеграла пропускаемого тока Q_o станет равным уставке Q_y(3) «интегрального» расцепителя 32 выключателя 31, последний начинает отключаться. В результате диаграммы процесса изменения пропускаемого тока i_п и интеграла отключения Q_o во времени будут иметь вид, представленный на фиг.4б. Как следует из диаграмм, время отключения выключателем 31 цепи с током КЗ получается сравнительно небольшим - значительно меньше времени задержки селективного выключателя третьей ступени защиты при реализации «временной» селективности, которое равно 0,1 с.

Максимальное значение интеграла отключения Q_o(3) выключателем 31 цепи является исходной величиной для значения уставки интеграла Q_у(2) селективного выключателя 28 вышестоящей второй ступени защиты. Величина уставки Q_y(2) «интегрального» вышестоящего выключателя для обеспечения селективности в работе выключателей 28 и 31 выбрана в 1,5 раза больше величины Q_o(3). Поэтому селективный выключатель 28, расцепитель которого 29 имеет уставку Q_y(2), не сработает и выключатель 28 не отключится. При этом следует отметить, что максимальное значение ограниченного тока i_м(3) превышает значение уставки по току вышестоящего выключателя 28 (I_y(2)).

Так как уставка «интегрального» расцепителя 27 (Q_y(1)) выключателя 26 еще больше, чем уставка расцепителя 29 выключателя 28, указанный выключатель 26 также не отключится.

На фиг.5в приведена система селективной защиты после ликвидации аварийной ситуации - короткого замыкания на зажимах выключателя 31 третьей ступени защиты. В положении «Отключено» находится только выключатель 31, ближайший к месту КЗ (отводящие зажимы реактора 33), при этом селективные выключатели 28 и 26 вышестоящих ступеней защиты остались во включенном положении. Таким образом, «интегральная» селективность защиты в рассматриваемом случае также обеспечена.

В случае, если КЗ произошло на отводящих зажимах токоограничивающего реактора, подключенного к зажимам выключателя 28 второй ступени защиты (см. фиг.6а), то ток КЗ начинает протекать через выключатели 28 и 26.

Так как выключатель 28 селективный, то в нем установлен «интегральный» расцепитель 29, который реагирует (вырабатывает управляющий сигнал на отключение) на величину интеграла отключения Q_o.

Величина предельного тока КЗ (I_кз) для второй ступени защиты ограничивается одним токоограничивающим реактором 30 до значения, равного (20÷40)I_н выключателя 28.

На фиг.6б приведены диаграммы изменения во времени величины пропускаемого тока i_п и интеграла отключения Q_o в одном из трех полюсов выключателя 28.

При величине тока цепи, при котором значение интеграла пропускаемого тока Q_o(3) станет равным уставке Q_y(2) «интегрального» расцепителя 29 выключателя 28, последний начинает отключаться. Диаграммы процесса изменения пропускаемого тока i_п и интеграла отключения Q_o во времени будут иметь вид, представленный на фиг.6в. Как следует из диаграмм, время отключения выключателем 28 цепи с током КЗ получается сравнительно небольшим - значительно меньше времени задержки, равного 0,25 с, селективного выключателя второй ступени защиты при реализации «временной» селективности.

Максимальное значение интеграла отключения выключателем 28 цепи является исходной величиной для определения значения уставки интеграла селективного выключателя 26 первой ступени защиты. Величина уставки Q_y(1) «интегрального» расцепителя вышестоящего выключателя 26 для обеспечения селективности работы его с выключателем 28 выбрана в 1,5 раза больше величины Q_o(2). Поэтому селективный выключатель 26, расцепитель которого 27 имеет уставку Q_y(1), не сработает и выключатель 26 не отключится. При этом следует отметить, что максимальное значение ограниченного тока i_м(2) превышает значение уставки по току вышестоящего выключателя 26 (I_y(1)).

На фиг.6в приведена система селективной защиты после ликвидации аварийной ситуации - короткого замыкания на зажимах выключателя 28 второй ступени защиты. В положении «Отключено» находится только выключатель 28, а выключатель 26, имеющий уставку Q_y(1), остался включенным.

Это значит, что «интегральная» селективность защиты и в рассматриваемом случае обеспечивается.

Если короткое замыкание произошло на отводящих зажимах выключателя 26 (см. фиг.7а), он отключается сразу, как только величина интеграла пропускаемого тока станет больше уставки Q_y(1)

На фиг.7б приведены диаграммы изменения во времени величины пропускаемого тока i_п и интеграла отключения Q_o в одном из трех полюсов выключателя 26.

Так как ожидаемый ток КЗ в данном случае значительно больше, чем ограниченный реактором 30 ток КЗ на второй ступени защиты, и величина интеграла пропускаемого тока достигнет величины уставки Q_y(1) достаточно быстро, то время срабатывания «интегрального» расцепителя получается заметно меньше полного времени отключения тока КЗ нижестоящим выключателем. В результате этого полное время отключения тока КЗ выключателем 26 оказывается примерно таким же, как и полное время отключения цепи выключателем 28, что существенно меньше времени задержки в случае реализации «временной» селективности, которое составляет 0,55 с.

На фиг.7в приведена система селективной защиты после ликвидации аварийной ситуации - короткого замыкания на зажимах выключателя 26 первой ступени защиты. В положении «Отключено» находится только выключатель 26.

Таким образом, по сравнению с прототипом - с системой «временной» селективной защиты заявляемая система защиты обеспечивает повышенное быстродействие при сохранении абсолютной (во всем диапазоне возможных ожидаемых токов КЗ) селективности. При этом существенно (в среднем на порядок) снижаются термические нагрузки на кабели и другие элементы электроустановки от протекающего тока КЗ и от воздействия дуги в случае дугового короткого замыкания (дугового перекрытия).

Источники информации

1. Козлов В.А. «Городские распределительные электрические цепи». Л.: Энергоиздат, 1982, с.115-117.

2. «Выключатели автоматические серии А3700». Технические условия ТУ У 3.11-14060141-095-98.

3. «Выключатели автоматические серии АП50Б». Технические условия ТУ 16-522.139-78.

4. Федоров А.А., Старкова Л.Е. «Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по снабжению промышленных предприятий». М.: Энергоатомиздат, 1987, с.173.

5. Выключатель автоматический типа ВА55АЗ 1. Технические условия ТУ У 3.11-14060141-047-97.

Система селективной защиты разветвленных электрических цепей с числом ступеней защиты К, начиная отсчет от источника тока, в которой на последней К-той ступени установлены выключатели без выдержки времени на отключение, а на ступенях с первой по (К-1) установлены селективные выключатели, имеющие расцепители, которые в зоне токов короткого замыкания имеют регулируемые уставки по току I_кз1 и I_кз2, при этом в диапазоне значений токов короткого замыкания от I_кз1 до I_кз2 защитная характеристика расцепителя обеспечивает ряд фиксированных времен задержки срабатывания (I_кзо=const), а при величинах тока цепи больше величины уставки I_кз2 задержка времени срабатывания отсутствует (I_кзо=0), отличающаяся тем, что к отводящим зажимам селективных выключателей, начиная с выключателя второй ступени, дополнительно подключены токоограничивающие реакторы, при этом сопротивления Zn этих реакторов выбраны такими, чтобы на каждой n-ой ступени защиты величина предельного за реактором тока короткого замыкания I_р(n) составляла величину, равную (20÷40)-кратному значению номинального тока I_н выключателя данной n-ой ступени защиты, причем величина уставки I_кз2 каждого из селективных выключателей, расположенных на ступенях защиты со второй по (К-1)-ю включительно, составляет (1,1÷1,5) величины предельного на отводящих зажимах реактора тока I_р(n), при этом в расцепители всех селективных выключателей системы защиты дополнительно введена регулируемая уставка по интегралу отключения Q_кз, величина которого для выключателей n-ной ступени защиты Q_кз(n), определяется значением интеграла отключения выключателем нижестоящей (n+1) ступени Q_o(n+1) предельного для этой (n+1) ступени защиты тока короткого замыкания, исходя из зависимости Q_кз(n)=(1,5÷2)Q_o(n+1).