Система логической энергетической селективной защиты разветвленных электрических цепей

Использование: в системах защиты разветвленных электрических цепей от токов короткого замыкания (КЗ). Технический результат заключается в обеспечении селективности и минимального времени отключения токов КЗ на всех ступенях защиты. В системе защиты разветвленных электрических цепей с числом ступеней защиты К, начиная отсчет от источника тока, на последней, К-той ступени установлены выключатели с расцепителями максимального тока с регулируемой уставкой I_y без выдержки времени на отключение, а на ступенях с первой по (К-1)-ю установлены селективные выключатели, имеющие расцепители максимального тока, которые в зоне токов КЗ имеют регулируемые уставки по току I_y1 и I_y2. В диапазоне значений токов КЗ от I_y1 до I_y2 время срабатывания расцепителя максимального тока специально задерживается с возможностью обеспечения ряда фиксированных времен задержки срабатывания (t_КЗО=const), а при величинах тока КЗ больше тока "отсечки" I_y2 специальная задержка времени срабатывания расцепителя максимального тока отсутствует (t_КЗО=0). В выключателях указанной системы имеются также расцепители максимальной энергии дуги отключения или максимального давления, обусловленного выделением энергии дуги отключения. Уставка максимальной энергии дуги отключения W_y или давления p_y каждого вышестоящего селективного выключателя выбирается в диапазоне величин от (1,5÷3,0) величины максимальной энергии дуги отключения W_дмс или давления р_мс, выделяемой в данном выключателе при возникновении короткого замыкания на отводящих зажимах нижестоящих выключателей и совместном отключении этой короткозамкнутой цепи вышестоящим селективным выключателем и одним из нижестоящих аппаратов, до (0,9÷1,0) величины энергии дуги отключения W_до или давления р_о при коммутировании данным выключателем тока КЗ, равного уставке тока отсечки его расцепителя. 6 ил.

 

Изобретение относится к системам защиты разветвленных электрических цепей от токов короткого замыкания, в частности к системам селективной защиты цепей 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. Селективность защиты обеспечивается за счет различной по величине, но фиксированной задержки срабатывания селективных выключателей разных ступеней защиты. При этом величина задержки времени срабатывания вышестоящего аппарата заведомо выбирается достаточно большой. Это необходимо для того, чтобы время срабатывания любого нижестоящего аппарата при отключении им любых значений тока КЗ, включая минимальный ток КЗ (при котором время отключения цепи может быть достаточно большим), оказалось меньше времени задержки срабатывания вышестоящего. Такая защита, в которой критерием селективности отключения служит время задержки срабатывания, называется временной селективностью. Так, согласно [2] 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.При этом указанные выключатели имеют две уставки по току в зоне токов короткого замыкания (КЗ): одна уставка (I_y1) определяет минимальную величину тока КЗ, при которой срабатывает расцепитель максимального тока и начинается отсчет выдержки времени на отключение выключателя, а вторая уставка по току (I_y2) определяет минимальный ток КЗ, при котором выключатель срабатывает без выдержки времени (уставка по току «отсечки»). Верхняя граница уставки максимального тока I_y2, чтобы избежать сваривания контактов, выбирается несколько меньше величины тока устойчивости контактной системы выключателя к сквозным токам КЗ. Нижняя граница уставки тока I_y2 может регулироваться в зависимости от требований условий эксплуатации.

Указанный временной принцип построения системы селективной защиты широко используется в электроустановках различного назначения - для питания вторичных 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 необходимость увеличения задержки времени отключения именно тех выключателей, которые расположены ближе к источнику тока, формирует неправильную с технической точки зрения времятоковую характеристику защиты всей электроустановки в целом и источника тока в частности.

Кроме того, при больших значениях тока КЗ, а именно выше уставки по току «отсечки» вышестоящий селективный выключатель срабатывает уже без выдержки времени. В данном случае не обеспечивается абсолютная селективность, т.е. селективность во всем диапазоне токов КЗ, которые могут возникать в электрической цепи и которые должны и способны отключать выключатели.

В меньшей степени указанные недостатки присущи принципу энергетической быстродействующей селективности, в котором использовано так называемое «рефлексное» отключение токов КЗ. Указанный принцип энергетической селективности реализуется, например, с помощью выключателей типа NS серии «Compact» [3]. Указанные выключатели, как и аппараты серии А3700С, имеют расцепители максимального тока с двумя значениями уставок. Одна уставка (I_y1) определяет минимальную величину тока КЗ, при которой срабатывает расцепитель и начинается отсчет выдержки времени на отключение выключателя, а вторая уставка по току (I_y2) определяет минимальный ток КЗ, при котором выключатель срабатывает без выдержки времени (уставка по току «отсечки»). Кроме расцепителя максимального тока выключатели «Compact NS» дополнительно снабжены расцепителями, реагирующими на величину избыточного давления (р) в корпусе выключателя. Так как указанное давление в корпусе обусловлено выделением энергии дуги отключения (W_д), селективность на данном принципе работы аппаратов защиты и называется энергетической. При этом расцепители давления не имеют определенной уставки по величине давления в корпусе: указанный расцепитель срабатывает всегда, когда происходит отключение тока КЗ и выделяется энергия отключения W_д. Именно поэтому такое отключение тока КЗ с помощью расцепителей давления названо «рефлексным».

Система селективной защиты разветвленных цепей с использованием «рефлексного» отключения при реализации энергетического принципа селективной защиты [3] является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе логической энергетической селективной защиты разветвленных электрических цепей.

Для лучшего понимания функционирования энергетической системы селективной защиты на основе выключателей с узлом «рефлексного» отключением токов КЗ целесообразно предварительно рассмотреть функционирование такого выключателя в процессе отключения им тока КЗ.

При значении токов КЗ меньше тока уставки I_y1 выключатель срабатывает с заданной выдержкой времени. Так как электрическая дуга отключения в данном случае появляется уже после расцепления выключателя под действием расцепителя максимального тока, то энергетический расцепитель давления срабатывает как бы «вдогонку», а значит, никакого «рефлексного» ускоренного отключения выключателя в данном случае нет.

При значении токов КЗ больше уставки I_y2 расцепитель максимального тока срабатывает без выдержки времени. В этом случае возможны следующие варианты очередности срабатывания расцепителей максимального тока и энергетического расцепителя давления:

- если ток КЗ равен или близок току уставки I_y2, то вначале срабатывает расцепитель максимального тока, а затем энергетический расцепитель давления.

- если же ток КЗ существенно больше тока уставки I_y2, а значит, больше тока устойчивости контактов к токам КЗ, то размыкание контактов под действием электродинамических сил произойдет раньше, чем произошло бы расхождение контактов под действием расцепителей максимального тока. В этом случае возникшая при электродинамическом отбросе контактов электрическая дуга, а точнее давление р, обусловленное выделением энергии в дуге W_д, будет воздействовать (через поршень) на механизм свободного расцепления выключателя быстрее, чем воздействует расцепитель максимального тока.

Во втором случае, по существу, реализуется «рефлексное» отключение тока КЗ, при котором значительно увеличивается быстродействие выключателя, а значит, и эффективность токоограничения.

После рассмотрения принципа работы выключателя с узлом «рефлексного» отключения рассмотрим функционирование всей системы быстродействующей энергетической селективной защиты на основе использования «рефлексного» отключения и укажем присущие ей достоинства и недостатки.

В каталоге фирмы «Merlin Gerin» [4] приведена сеть низкого напряжения с характерной структурой ее построения.

На первой ступени защиты (считая от источника тока - трансформатора) установлен головной выключатель ВА1 (C1251DN, на ток 1250 А), защищающий главную магистраль M1. На второй ступени установлен ряд фидерных выключателей ВА2-ВА6, защищающих кабельные линии Л2-Л6 и вводной выключатель ВА7, который защищает магистральную линию М2 с подключенными к ней выключателями третьей ступени защиты ВА8-ВА11. В качестве выключателей второй ступени защиты применены выключатели типа NS серии «Compact» с энергетическими расцепителями (исполнения NS100N, NS160N, NS250N на токи 100, 160 и 250 А соответственно). На третьей ступени установлены выключатели типа С60 на токи 25 и 50 А, а также выключатель NS100N (номинальный ток 100 А).

В приведенной разветвленной цепи величина тока КЗ в месте установки выключателей всех ступеней защиты примерно одинакова (I_кз равен, примерно, 22 кА) и мало отличается от предельного тока КЗ (23,6 кА) на зажимах трансформатора (мощность 800 кВА).

Для обеспечения селективности защиты рассматриваемой сети необходимо, чтобы все выключатели третьей ступени ограничивали ток КЗ до величины, меньшей, чем уставка тока отсечки вводного выключателя второй ступени ВА7, а ограниченный выключателями второй ступени с наибольшим номинальным током 250 А (ВА3 и ВА7) ток был меньше уставки тока отсечки выключателя ВА1.

На третьей ступени эта селективность обеспечивается именно за счет существенного увеличения эффективности токоограничения нижестоящего выключателя на наибольший номинальный ток NS100N, снабженного узлом «рефлексного» отключения. В выключателях на меньшие номинальные токи (С60, 25 и 50 А) указанное токоограничение обеспечивается и без помощи узла «рефлексного» отключения.

На второй ступени защиты указанное условие селективности (высокое токоограничение) обеспечивается за счет того, что во всех выключателях этой ступени, включая и выключатели NS250N, используется узел «рефлексного» отключения.

В случае, если КЗ возникло на главной магистрали M1, цепь отключит выключатель первой ступени защиты ВА1 с минимальной для него выдержкой времени 0,1 с.

Таким образом, в рассматриваемой системе селективной защиты селективность обеспечивается на всех трех ступенях защиты, а быстродействие защиты обеспечивается только на двух последних ступенях. И хотя время задержки срабатывания выключателя ВА1 на первой ступени защиты получается существенно меньше, чем при временной селективности (0,1 с вместо 0,2 с), тем не менее такая задержка срабатывания защиты отрицательно сказывается на защитных характеристиках рассматриваемой энергетической селективности.

Во-первых, термическое воздействие тока КЗ на кабели главной магистрали M1 получается заметно большим, чем для случая отключения такого же тока КЗ выключателем без выдержки времени на отключение.

Во-вторых, в течение времени существования КЗ на магистрали M1 (0,1 с) на подводящих зажимах выключателей (ВА2-ВА7), подключенных к указанной магистрали, напряжение, по существу, оказывается близким к нулю. Как следствие этого возможно срабатывание так называемой минимальной защиты (по напряжению) на фидерах, подключенных к данной магистрали, а значит, селективность не обеспечивается.

Таким образом, одним из недостатков рассмотренного принципа энергетической селективности с использованием «рефлексного» отключения является невозможность обеспечения на всех ступенях защиты наиболее оптимальных защитных характеристик, а также возможное нарушение селективности защиты за счет срабатывания минимальной защиты.

Следует отметить, что селективность защиты при использовании «рефлексного» отключения может не обеспечиваться и по другим причинам. Так, для обеспечения абсолютной селективности (во всем диапазоне ожидаемых значений токов КЗ) выключатели вышестоящих ступеней селективной защиты должны обязательно иметь номинальный ток больший, чем выключатели нижестоящей ступени защиты. Согласно данным каталога [3] в случае использования на вышестоящей ступени выключателей NC630 (на номинальный ток 630 А) абсолютная селективность обеспечивается только при использовании на нижестоящей ступени защиты выключателей на номинальный ток 250 А и меньше (NS250, NS160, NS125 и NS100). Выключатели NS400 (номинальный ток 400 А) могут селективно работать только с выключателями на токи 160 А и меньше и т.д.

Таким образом, вторым недостатком энергетической селективности с «рефлексным» отключением является невозможность обеспечения абсолютной селективности при использовании на разных ступенях защиты выключателей смежных типоисполнений по номинальному току, тем более выключателей одинакового типоисполнения.

В основу изобретения поставлена задача построения такой системы энергетической селективной защиты разветвленных электрических цепей, в которой за счет обеспечения возможности повторного избирательного включения выключателя (на основании анализа величины энергии дуги отключения) обеспечивается минимальное время отключения токов КЗ на всех ступенях защиты и во всех случаях обеспечивается абсолютная селективность, в том числе и при использовании на разных ступенях защиты выключателей одного типоисполнения.

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 с расцепителями максимального тока с регулируемой уставкой I_y без задержки времени на отключение, а на ступенях с первой по (К-1)-ю установлены селективные выключатели, имеющие расцепители максимального тока, которые в зоне токов короткого замыкания имеют регулируемые уставки по току I_y1 и I_y2, при этом в диапазоне значений токов короткого замыкания от I_y1 до I_y2 время срабатывания расцепителей максимального тока специально задерживается с возможностью обеспечения ряда фиксированных времен задержки срабатывания (t_КЗО=const), а при величинах тока КЗ больше величины уставки тока «отсечки» I_y2 специальная задержка времени срабатывания расцепителя максимального тока отсутствует (I_КЗО=0), при этом в селективных выключателях указанной системы защиты, кроме расцепителей максимального тока, реагирующих на величину тока и воздействующих на механизм свободного расцепления, имеются также расцепители максимальной энергии дуги отключения или максимального давления, обусловленного выделением энергии дуги отключения, которые также воздействуют на механизм свободного расцепления выключателя за счет того, что селективные выключатели системы снабжены быстродействующим приводом, выполненным с возможностью повторного включения им выключателя при срабатывании без выдержки времени только расцепителя максимального тока и невозможностью повторного включения выключателя при одновременном срабатывании обоих расцепителей - расцепителя максимального тока и расцепителя максимальной энергии дуги отключения или давления, при этом уставка максимальной энергии дуги отключения W_y или давления р_y каждого вышестоящего селективного выключателя выбирается в диапазоне величин: от (1,5÷3,0) величины максимальной энергии дуги отключения W_дмс или давления р_мс, выделяемой в данном выключателе при возникновении КЗ на отводящих зажимах нижестоящих выключателей и общем отключении этой короткозамкнутой цепи вышестоящим выключателем и одним из нижестоящих аппаратов, до (0,9÷1,0) величины энергии дуги отключения W_до (давление р_о) при коммутировании данным выключателем тока КЗ, равном уставке тока «отсечки» его расцепителя, то есть (1,5÷3,0)W_дмс≤W_y<(0,9÷1,0) W_до {(1,5÷3,0)р_мс≤р_y≤(0,9÷1,0)р_о}.

Именно за счет того, что селективные выключатели системы снабжены быстродействующим приводом, выполненным с возможностью повторного включения им выключателя при срабатывании без выдержки времени только расцепителя максимального тока и невозможностью повторного включения выключателя при одновременном срабатывании обоих расцепителей - расцепителя максимального тока и расцепителя максимальной энергии дуги отключения (давления), при этом уставка максимальной энергии дуги отключения W_y (давления р_y) каждого вышестоящего селективного выключателя выбирается в диапазоне величин от (1,5÷3,0) величины максимальной энергии дуги отключения W_дмс (давления р_мс), выделяемой в данном выключателе при возникновении короткого замыкания на отводящих зажимах нижестоящих выключателей и общем отключении этой короткозамкнутой цепи вышестоящим выключателем и одним из нижестоящих аппаратов, до (0,9÷1,0) величины энергии дуги отключения W_до (давление р_о) при коммутировании данным выключателем тока КЗ, равном уставке тока «отсечки» его расцепителя, то есть (1,5÷3,0)W_дмс≤W_y≤(0,9÷1,0)W_до{(1,5÷3,0)р_мс≤р_y≤(0,9÷1,0)р_о} и обеспечивается минимальное время отключения токов КЗ на всех ступенях защиты и во всех случаях обеспечивается абсолютная селективность, в том числе и при использовании на разных ступенях защиты выключателей одного типоисполнения.

Действительно, величина энергии дуги отключения (давления) является наилучшим критерием оценки места возникновения КЗ в электросистеме, а быстрое повторное включение выключателя на основе анализа места возникновения КЗ по величине энергии дуги отключения обеспечивает бесперебойность питания неповрежденных участков электрической цепи, т.е. обеспечивает селективность защиты.

Рассмотрим подробнее, почему именно величина энергии дуги отключения W_д является наиболее подходящим критерием оценки места возникновения КЗ в разветвленной электросистеме и как лучше использовать этот критерий для реализации энергетической селективной защиты.

С этой целью рассмотрим, как зависят такие параметры процесса отключения, как максимальное значение пропускаемого через аппарат тока i_м, среднее значение напряжения на электрической дуге U_д, время отключения t_o и энергия дуги отключения W_д от величины тока КЗ цепи (I_кз). Указанные зависимости базируются в основном на результатах исследований выключателей серии А3700.

Вполне очевидно, что с увеличением значений ожидаемого тока КЗ величина пропускаемого тока через выключатель i_м также возрастает. Величина же напряжения на дуге U_д, зависящая в основном от числа пластин деионной решетки дугогасительных камер, от величины тока i_м зависит мало. Поэтому значение U_д можно принять одинаковым и для разных значений токов КЗ. Время отключения t_o с увеличением тока КЗ отключаемой цепи снижается.

Что касается величины энергии дуги отключения, которая определяется выражением W_д=∫i(t)×U_д(t)dt, то с учетом противоположного характера изменения параметров i_м и t_o (диапазон интегрирования) достаточно очевидно, что значение W_д с увеличением ожидаемого тока КЗ может оставаться неизменным, как это и имеет место, например, для аппаратов серии А3700Б.

Малая зависимость величины энергии дуги отключения W_д от тока I_кз является одним из преимуществ данного параметра процесса отключения перед другими (i_м и t_o) для использования его в качестве критерия для оценки места возникновения КЗ.

Другим, даже более важным преимуществом параметра W_д с точки зрения анализа места возникновения КЗ является существенная зависимость энергии дуги отключения от числа каскадно соединенных выключателей, участвующих в отключении тока КЗ.

При отключении тока КЗ двумя аппаратами значительно увеличивается возмущающее воздействие на цепь напряжения на дуге, возникающее одновременно в обоих аппаратах. Как следствие этого заметно изменяются и параметры процесса отключения цепи двумя аппаратами:

- увеличивается эффективность токоограничения, а значит, снижается величина пропускаемого тока (i_м2<i_м1);

- снижается величина запасенной в цепи электромагнитной энергии W_L2=L×i² _м2/2, которая должна выделиться в дуге отключения (L×i² _м2/2<L×i² _м1/2);

- снижается суммарная величина энергии отключения цепи двумя аппаратами (W_д2) в сравнении с энергией отключения той же цепи одним аппаратом (W_д1), т.е. W_д2<W_д1.

Если бы даже суммарная энергия отключения при каскадном отключении W_д2 оставалась бы такой же, как и при самостоятельном отключении этой же цепи одним аппаратом, то в каждом из каскадно соединенных аппаратов энергия отключения снизилась бы в два раза. Но так как суммарная энергия отключения получается меньше (W_д2<W_д1), то энергия дуги отключения в каждом из двух каскадно соединенных аппаратов должна быть более чем в два раза меньше, чем при самостоятельном отключении этой цепи одним аппаратом.

Как показывают исследования, величина энергии отключения при каскадном отключении может снижаться в три и даже в четыре раза. Например, при каскадном отключении токов КЗ выключателями серии А3700Б на номинальный ток 630 А величина энергии отключения снижается более чем в три раза.

В то же время величина максимального пропускаемого тока i_м при каскадном отключении двумя выключателями одного типоисполнения снижается всего на 10÷20%. Следует отметить, что при каскадном отключении тока КЗ двумя выключателями разного типоисполнения (на верхней ступени стоит выключатель на больший номинальный ток I_н, а нижней ступени стоит выключатель на меньший Iн) снижение пропускаемого тока i_м будет еще меньше, в то же время снижение величины энергии дуги W_д в вышестоящем аппарате будет существенно больше (большую часть нагрузки при отключении возьмет на себя нижестоящий выключатель). Так, например, при каскадном отключении выключателями серии А3700Б на номинальные токи 630 А и 160 А энергия дуги отключения W_д в вышестоящем выключателе (630 А) снижается почти на два порядка

Из вышеизложенного следует, что величина энергии дуги отключения W_д является наиболее оптимальным параметром процесса отключения, по которому можно судить о месте возникновения К3 : произошло оно на отводящих зажимах данного аппарата или на зажимах нижестоящего. Действительно, величина энергии дуги отключения W_д в вышестоящем выключателе мало зависит от величины тока КЗ защищаемой им цепи, но зато существенно зависит от того, участвует в отключении КЗ нижестоящий выключатель или нет.

Таким образом, энергия дуги отключения W_д действительно является наилучшим критерием оценки места возникновения КЗ в разветвленной электросистеме, а быстрое повторное включение вышестоящего выключателя по результатам анализа величины энергии дуги отключения действительно обеспечивает бесперебойность питания неповрежденных участков указанной электросистемы.

В предлагаемой системе селективной защиты указанный анализ величины энергии дуги отключения осуществляется с помощью соответствующего расцепителя.

Сущность изобретения представлена на фиг.1-6.

На фиг.1 приведена схема разветвленной цепи, в которой реализована предлагаемая логическая энергетическая селективная защита от токов КЗ.

На фиг.2 приведена структурная схема селективного выключателя с расцепителями тока и энергии отключения и с быстродействующим приводом для АПВ.

На фиг.3 приведена структурная схема селективного выключателя с расцепителями тока и давления и с быстродействующим приводом для АПВ

На фиг.4 приведена трехступенчатая система защиты с диаграммами изменения во времени тока i_м и энергии дуги отключения W_д, иллюстрирующими работу логической энергетической селективной защиты при возникновении КЗ на последней третьей ступени системы защиты. Показано также положение расцепителей тока и энергии дуги отключения, а также состояние контактных систем выключателей как в процессе отключения КЗ, так и после отключения и восстановления питания неповрежденных участков электрической цепи.

На фиг.5 приведена трехступенчатая система защиты с диаграммами изменения во времени тока i_м и энергии дуги отключения W_д, иллюстрирующими работу логической энергетической селективной защиты при возникновении КЗ на второй ступени системы защиты.

Показано также положение расцепителей тока и энергии дуги отключения, а также состояние контактных систем выключателей как в процессе отключения КЗ, так и после отключения и восстановления питания неповрежденных участков электрической цепи.

На фиг.6 приведена трехступенчатая система защиты с диаграммами изменения во времени тока i_м и энергии дуги отключения W_д, иллюстрирующими работу логической энергетической селективной защиты при возникновении КЗ на первой ступени системы защиты. Показано также положение расцепителей тока и энергии дуги отключения, а также состояние контактных систем выключателей как в процессе отключения КЗ, так и после отключения и восстановления питания неповрежденных участков электрической цепи.

Заявляемая система логической энергетической селективной защиты (фиг.1) включает источник тока 1 (трансформатор), селективный выключатель первой ступени защиты 2, который имеет контактную систему 3, быстродействующий привод 4, а также расцепители максимального тока 5, энергии дуги отключения или давления 6.

К нижним зажимам указанного выключателя 2 подключены магистральные кабели 7, которые питают несколько групповых селективных выключателей 8 второй ступени защиты.

Каждый групповой селективный выключатель второй ступени защиты 8, как и выключатель первой ступени, имеет контактную систему 9 и быстродействующий привод 10. Каждый выключатель второй ступени 8 имеет также расцепители максимального тока 11, энергии дуги отключения или давления 12.

К нижним зажимам выключателей второй ступени 8 подключены головные кабели 13, которые, в свою очередь, питают несколько фидерных выключателей 14 третьей ступени защиты.

Фидерные выключатели 14 имеют контактную систему 15 и только расцепитель максимального тока 16. Фидерные выключатели 14 питают кабельные линии 17, к которым подключаются различные типы потребителей.

Расцепители максимального тока выключателей всех трех ступеней системы защиты реагируют на величину максимального пропускаемого через выключатель тока i_м.

Если указанная величина i_м оказывается больше величины уставки I_y1 селективных выключателей второй и первой ступеней и больше уставки I_y выключателя третьей ступени, то последний срабатывает без выдержки времени, а в селективных выключателях второй и первой ступеней начинается отсчет времени задержки. Тем самым обеспечивается временная селективность защиты.

Если величина i_м оказывается больше величины уставки I_y2 выключателей (К-1) ступеней и уставки I_y выключателя К ступени защиты, происходит быстрое (без выдержки времени) расцепление механизмов свободного расцепления выключателей всех трех ступеней и расхождение их контактов. На контактах всех аппаратов появляется электрическая дуга и выделяется энергия отключения.

Расцепители максимальной энергии отключения селективных выключателей первой и второй ступеней системы защиты реагируют на величину энергии выделяющейся в дуге отключения W_д. Если величина указанной энергии отключения W_д, определяемая как W_д=∫i(t)×U_д(t)dt, становится больше величины уставки W_y, то под воздействием расцепителя максимальной энергии отключения происходит расцепление механизма свободного расцепления выключателя. В этом случае начало расхождения контактов выключателя происходит под действием электродинамических сил, вызванных протеканием через выключатель тока КЗ, а срабатывание механизма свободного расцепления приводит к удержанию контактов в разомкнутом состоянии после прекращения протекания тока через выключатель.

Аналогично функционированию расцепителя максимальной энергии работает и расцепитель максимального давления.

На фиг.2 приведена структурная схема селективного выключателя для реализации энергетической селективности с расцепителями энергии дуги отключения W_д.

Выключатель имеет контактную систему 18, датчик тока 19 и механизм свободного расцепления 20. Для дистанционного управления и реализации быстрого АПВ выключатель имеет быстродействующий привод 21. Выключатель имеет также узел энергии отключения 22, в котором входной сигнал напряжения на дуге U_д(t) с контактной системы 18 и входной сигнал i(t) с датчика тока 19 преобразуются в выходной сигнал энергии дуги отключения W_д(t). Выключатель имеет два узла сравнения 23 и 25 для сравнения текущих значений пропускаемого тока i и энергии отключения W_д с соответствующими у ставками I_y2 и W_y. Для установки и сохранения указанных уставок в выключателе имеются узлы памяти 24 и 26 соответственно.

В узле сравнения 23 происходит сравнение величины пропускаемого тока i_м с величиной уставки I_y2, занесенной в узел памяти 24.

В узле сравнения 25 происходит сопоставление величины энергии отключения W_д с величиной энергетической уставки W_y, занесенной в узел памяти 26.

В случае, если величина пропускаемого тока i_м превышает значение уставки I_y2, узел сравнения 23 вырабатывает управляющий сигнал, который одновременно поступает на два логических узла - на узел 28 («И» - «И») и на узел 29 («Или» - «Или»).

Логический узел 28 («И» - «И») вырабатывает управляющий сигнал при наличии одновременно обоих входных сигналов как с с узла сравнения 23, так и с узла альтернативного процесса 27. Узел альтернативного процесса 27 выдает управляющий сигнал с узла сравнения 25 на логический узел 28 только в том случае, если величина энергии дуги отключения W_д не превышает значение уставки W_y. Это значит, что логический узел 28 («И» - «И») вырабатывает управляющий сигнал только в том случае, если есть превышение значения уставки I_y2 пропускаемым током i_м, но при этом величина энергии отключения W_д не превышает значения уставки W_y. Управляющий сигнал с выхода узла 28 через узел усиления 30 и узел формирования времени задержки 32 поступает на быстродействующий привод 21, с помощью которого осуществляется режим АПВ. Узел задержки включения 32 обеспечивает повторное включение выключателя только после завершения им первого отключения цепи.

Логический узел 29 («Или» - «Или») вырабатывает управляющий сигнал при наличии одного из входных сигналов с узлов сравнения 23 или 25, то есть если величина тока i_м или энергии дуги отключения W_д превышает значение соответствующей уставки (I_y2 или W_y). Управляющий сигнал с логического узла 29 поступает через узел усиления 31 на механизм свободного расцепления 20 выключателя, вызывая его срабатывание.

В случае использования для реализации энергетической селективности расцепителей давления структура селективного выключателя имеет вид, приведенный на фиг.3.

Алгоритм работы селективного выключателя с расцепителем давления p фактически ничем не отличается от алгоритма работы рассмотренного выше выключателя с расцепителем энергии отключения W_д. Отличие заключается лишь в том, что на узел сравнения 33 поступает сигнал, пропорциональный не значению W_д, а значению максимального давления в корпусе р_м, которое фиксируется соответствующим датчиком давления (он не показан) и сравнивается с уставкой р_y, величина которой занесена в соответствующий узел памяти 34.

Расцепитель давления может быть выполнен в виде механического узла и с возможностью непосредственного его воздействия на механизм свободного расцепления выключателя. В этом случае расцепитель максимального тока может быть выполнен в виде обычного электромагнитного расцепителя, при этом логический узел («И» -«И») также должен быть механическим. Это значит, что при одновременном срабатывании обоих расцепителей повторное включение выключателя будет заблокировано.

Вся система логической энергетической селективной защиты работает следующим образом.

Пусть в трехступенчатой системе защиты (фиг.4) КЗ произошло на отводящих зажимах выключателя 48 последней 3-й ступени защиты, считая от источника тока 35. Через выключатели 36, 42 и 48 начинает протекать ток КЗ, величина которого достаточно велика, чтобы ограниченный выключателем 48 ток был больше уставок «отсечки» выключателей 36 и 42 (I_y2(I) и I_y2(II)) соответственно. В этом случае сработают расцепители максимального тока 50, 45 и 39 всех трех выключателей - 48, 42 и 36 соответственно, а их контактные системы 49, 43 и 37 разомкнутся и на их контактах возникнет электрическая дуга отключения.

Так как в процессе отключения тока КЗ участвуют сразу все три указанных выше выключателя, общая энергия отключения тока КЗ будет сравнительно невелика и наибольшее значение общей энергии дуги отключения выделится в выключателе 48 (W_д(III)>W_д(II)>W_д(I)). При этом величины энергий дуги отключения в выключателях 42 и 36 будут меньше величины их энергетических уставок (W_д(II)<W_y(II) и W_д(I)<W_y(I)). Поэтому в соответствии с алгоритмом работы селективного выключателя, после отключения выключателей 42 и 36 их логические узлы («И» - «И») выработают управляющий сигнал на быстродействующие приводы 44 и 38 соответственно, и оба выключателя повторно включатся (будет реализован режим АПВ).

Тем самым будет обеспечена селективность работы выключателей 36, 42 и 48 при выполнении ими защитных функций по отключению тока КЗ: будет отключена только кабельная линия 51, но в то же время будет обеспечена бесперебойность питания потребителей, подключенных к линиям 41 и 47. При этом, если время повторного включения указанных выключателей будет малым (до 50 мс), то селективность работы будет обеспечиваться и при наличии в электросистеме минимальной защиты по напряжению.

Теперь рассмотрим случай, когда КЗ произошло на отводящих зажимах выключателя 42, установленного на второй ступени защиты (фиг.5). Через выключатели 42 и 36 начинает протекать ток КЗ, под действием которого разомкнутся контактные системы 43 и 37 выключателей 42 и 36. На контактах выключателя 42 второй ступени, а затем с определенной задержкой времени, и на контактах выключателя 36 первой ступени защиты возникнут электрические дуги отключения и в них начнет выделяться энергия отключения (W_д(II) и W_д(I) соответственно). При этом в выключателе 42 второй ступени защиты выделяется большая часть общей энергии отключения. Поэтому величина энергии отключения в выключателе 42 (W_д(II)), как это показано на фиг.5, оказывается больше величины уставки W_y(II), в то время как в выключателе 36 величина энергии отключения W_д(I) оказывается меньше величины соответствующей уставки W_y(I). Таким образом, в выключателе 36 срабатывает только расцепитель максимального тока 39, а в выключателе 42 срабатывают оба расцепителя - максимального тока 45 и энергии отключения 46.

В соответствии с алгоритмом работы селективного выключателя, после отключения выключателя 36 его логический узел («И» - «И») вырабатывает управляющий сигнал на быстродействующий привод 38, в результате чего происходит повторное включение этого аппарата (реализуется режим АПВ). В выключателе 42 срабатывают оба расцепителя - максимального тока 45 и энергии дуги отключения 46, поэтому управляющего сигнала его логический узел («Или» - «Или») не вырабатывает. А это значит, что после отключения выключателя 42 его последующего быстрого повторного включения не произойдет. Тем самым будет обеспечена селективность работы выключателей 36 и 42 при выполнении ими защитных функций отключения тока КЗ: выключатель 42 отключит поврежденный участок электросистемы (линию 47), а выключатель 36 останется включенным и будет обеспечивать питание неповрежденных участков электросистемы (линию 41).

Если КЗ произошло на отводящих зажимах выключателя 36 первой ступени защиты (фиг.6), то энергия дуги отключения W_д(I) будет больше уставки W_y(I). В этом случае срабатывают оба расцепителя выключателя 36 - расцепитель максимального тока 39 и расцепитель максимальной энергии 40. В соответствии с алгоритмом работы селективного выключателя 36 с энергетической селективностью выключатель быстро (без выдержки времени) отключится и повторно уже не включится.

Вся система логической энергетической селективной защиты работает точно также и при наиболее неблагоприятном для реализации селективности случае, когда на всех ступенях защиты установлены выключатели одного типоисполнения по номинальному току, но имеющие разные значения рабочих токов, а соответственно и разные уставки расцепителей по току отсечки {I_y2(I)>I_y2(II)>I_y(III)}.

Таким образом, по сравнению с прототипом - системой защиты с энергетической селективностью, в котором используется «рефлексное» отключение токов КЗ, заявляемая логическая энергетическая селективная защита обеспечивает минимально возможное время отключения тока КЗ на всех ступенях защиты, включая и первую ступень, и во всех случаях обеспечивается абсолютная селективность, в том числе и при использовании на разных ступенях защиты выключателей одного типоисполнения по номинальному току. При этом существенно 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 A3700», Технические условия ТУ У. 3, 11 - 14060141-095-98.

3 - Обзорный каталог «Шнейдер Электрик», 2000.

4 - Каталог фирмы «Merlin Gerin» (Электронная версия на CD). (См. Техническое руководство «Экодиал», с.86).

Система логической энергетической селективной защиты разветвленных электрических цепей с числом ступеней защиты К, начиная отсчет от источника тока, в которой на последней К-й ступени установлены выключатели с расцепителями максимального тока с регулируемой уставкой по току I_y без задержки времени на отключение, а на ступенях с первой по (К-1)-ю установлены селективные выключатели, имеющие расцепители максимального тока, которые в зоне токов короткого замыкания (КЗ) имеют регулируемые уставки по току I_y1 и I_y2, при этом в диапазоне значений токов короткого замыкания от I_y1 до I_y2 время срабатывания расцепителей максимального тока специально задерживается с возможностью обеспечения ряда фиксированных времен задержки срабатывания (t_КЗО=сопз1), а при величинах тока КЗ больше величины уставки тока "отсечки" I_y2 специальная задержка времени срабатывания расцепителя максимального тока отсутствует (t_КЗО=0), при этом в выключателях указанной системы защиты, кроме расцепителей максимального тока, реагирующих на величину тока и воздействующих на механизм свободного расцепления, имеются также расцепители максимальной энергии дуги отключения или максимального давления, обусловленного выделением энергии дуги, отключения, которые также воздействуют на механизм расцепления выключателя, отличающаяся тем, что селективные выключатели системы снабжены быстродействующим приводом, выполненным с возможностью повторного включения им выключателя при срабатывании без выдержки времени только расцепителя максимального тока и невозможностью повторного включения выключателя при одновременном срабатывании обоих расцепителей - расцепителя максимального тока и расцепителя максимальной энергии дуги отключения или давления, при этом уставка максимальной энергии дуги отключения W_y или давления p_y каждого вышестоящего селективного выключателя выбирается в диапазоне величин от (1,5÷3,0) величины максимальной энергии дуги отключения W_дмс или давления р_мс, выделяемой в данном выключателе при возникновении короткого замыкания на отводящих зажимах нижестоящих выключателей и совместном отключении этой короткозамкнутой цепи вышестоящим селективным выключателем и одним из нижестоящих аппаратов, до (0,9÷1,0) величины энергии дуги отключения W_до или давления р_о при коммутировании данным выключателем тока КЗ, равного уставке тока "отсечки" его расцепителя, т.e. (1,5÷3,0)W_дмс≤W_y≤(0,9÷1,0)W_до или {(1,5÷3,0)р_мс≤p_y≤(0,9÷1,0)р_о}.