Токовая отсечка

Токовая отсечка – это вид релейной защиты, который состоит в обесточивании цепи при возникновении на линии короткого замыкания. Поблагодарив Шабада М.А., приступим.

Общие определения

Ещё Эдисон использовал предохранители для защиты своих сетей от короткого замыкания. Некоторые историки считают, что им же были придуманы и первые автоматы. Но авторам не удалось найти тому никаких свидетельств. Что касается релейной защиты, то было обнаружено элементарное незнание многими определений. Так например, в ответах Майл.ру давалось объяснение, вроде бы и не противоречащее истине, но совсем не вносящее ясности в суть проблемы. Человек поинтересовался, чем токовая отсечка отличается от максимальной токовой защиты. Да и определения у них схожие, но разное назначение!

  • Токовой отсечкой принято называть немедленное отключение защищаемого участка цепи при возникновении короткого замыкания.
  • Максимальная токовая защита отличается тем, что охраняет более сложную цепь, иногда разветвлённую. Поэтому она срабатывает с некоторой задержкой – нужно дать возможность системам, стоящим ниже по линии, отключиться раньше. И тогда максимальная токовая защита вообще ничего не предпримет. Если же ситуация накаляется, то через заданный интервал времени обесточена будет вся ветка.

Это легко пояснить на примере квартирного щитка. Допустим, в ванной комнате поставили розетку (не ближе заданного расстояния от источников влаги) и защитили дифференциальным автоматом. В то же время вся квартира защищена от короткого замыкания на входе в щиток. Там может стоять автомат на 63 А, например, если его чувствительность слишком велика (класс А или В), то он может обрезать все помещения раньше, нежели среагирует защита по дифференциала. В этом случае хозяин оставит без света всю семью. Следовательно, на входе в квартиру он должен так организовать токовую защиту, чтобы дать возможность стоящим за ней автоматам сделать своё дело, вырубив лишь одно помещение.

В промышленности мудрецы умудряются так разбить линию питания, что токовая отсечка отвечает только за один свой сегмент. И если короткое замыкание по соседству, то она никак на него не отреагирует. Максимальная токовая защита же является запасным вариантом для локальной аппаратуры. Если не отработает местный автомат, питание все равно будет убрано, но с некоторой задержкой. Это называется дальним резервированием, поскольку приборы максимальной токовой защиты могут находиться далеко от места аварии. В комплексе эти две разновидности предохраняющих систем называются двухступенчатой токовой защитой. Та и другая должны обладать рядом качеств:

  1. Селективность – то есть способность обособленно реагировать лишь на те аварии, на которые нужно. Иногда это качество называют избирательностью.
  2. Чувствительность. Это требование заключается в том, чтобы по возможности продлить действие защитных систем вдоль линии. Что не всегда удаётся выполнить в отношении протяжённых систем. Из-за удалённости датчики могут не уловить момент возникновения аварии.
  3. Быстродействие обеспечивается в том плане, чтобы отключить защищаемый участок в минимальный срок. Учитывая сказанное выше о необходимости дать время нижестоящим ступеням системы выполнить свою работу раньше.
  4. Надёжность трактуется по-другому, как безотказность.

Исполнительная часть

Оба вида мероприятий организуются при помощи максимальных реле, которые в теории защиты делятся на:

  1. Первичные и вторичные.
  2. Прямого и косвенного действия.

Первичным реле прямого действия называется такое, у которого контактор и катушка непосредственно включены в цепь защиты. То есть управляются по току потребления аппаратуры и его же обрывают. Первичные реле прямого действия широко применяются в цепях до 1 кВ. С повышением класса напряжения до 10 кВ часты вторичные реле прямого действия. Это означает, что для снятия величины тока из защищаемой цепи применяется измерительный трансформатор. А контактор включён последовательно с нагрузкой. Этим значительно снижается потребление, и уменьшается вносимая прибором в цепь реактивная мощность.

Читайте также:  Плавкий предохранитель

Вторичные реле косвенного действия используются там, где нерационально пытаться переключить громоздкий контактор через маломощный токовый трансформатор. Иначе говоря, при больших потребляемых токах и высоких классах напряжения дуга гасится с трудом, приходится применять особые меры. Первичная обмотка токового трансформатора может состоять из 1-2 витков, а то и вовсе половинки, а значит, не может дать сильного управляющего сигнала. Приходится применять указательное реле, которое командует исполнительным электромагнитным реле.

Питание катушки контактора обычно осуществляется от дополнительной низковольтной сети или даже аккумуляторной батареи. В этом случае управляющий ток называется оперативным, используется только для приведения в действие схемы защиты.

Максимальные токовые реле могут изготавливаться с встроенной задержкой, либо без неё. В последнем случае без доработки схемы они годятся только для токовой отсечки. Но могут применяться в тандеме с таймером. И тогда становится возможной максимальная токовая защита. Последний случай обеспечивает большую гибкость, потому что изготовители не могут предугадать всех особенностей, и, следовательно, не определят задержку срабатывания верно. Характеристика такой системы называется независимой от тока, потому что работает без учёта его величины при коротком замыкании на линии. Можно сказать, что это аналог электромагнитного звена квартирного защитного автомата.

Максимальные реле тока с замедленным срабатыванием часто конструируются так, что время срабатывания тем меньше, чем больше потечёт в цепи амперов. Следовательно, они обладают зависимой характеристикой. Но современные автоматические выключатели больше всего напоминают комбинированный класс оборудования. А именно, реле с ограниченно зависимой характеристикой. Когда срабатывание выше некоторого порога происходит мгновенно, а ниже его – с запаздыванием. Так например, А. Земсков показывал, что современные автоматы могут целый час работать при перегрузке на 45% прежде, чем питание пропадает.

Защита с зависимой характеристикой часто используется в цепях с классом напряжения 20 кВ. Они особенно хорошо сочетаются с предохранителями. Которые тоже на коротком отрезке имеют зависимую характеристику. Высоковольтные линии, как правило, имеют независимую защиту. Если нужна задержка, то рекомендуется применять реле времени (таймер). Токовая же отсечка строится таким образом, чтобы не отрабатывать КЗ далее по линии. Если брать пример с квартирным щитком, то это может обеспечиваться включением последовательно двух автоматов:

  1. 63 А на вводе в щиток.
  2. 16 А на розетки.

Очевидно, более чувствительным является автомат с меньшим номиналом. Он и сработает раньше. Хотя пример и не отличается большой наглядностью, но даёт представление о том, как обеспечивается селективность систем токовой отсечки. Одновременно вносится постулат о невозможности в этом случае защитить всю линию сразу.

Токовая отсечка: схемы включения реле

При реализации схемы рассматривают все виды коротких замыканий. Иногда не удаётся распознать такие ситуации по величине тока, и тогда в ход идут реле обратной и нулевой последовательности. Стандартные используемые схемы токовой отсечки выглядят следующим образом:

  1. Неполная звезда. Охватывает посредством двух или трёх реле лишь две фазы сети. Часто применяется в цепях 35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (где малы токи утечки на грунт).
  2. Полная звезда. Все фазы охватываются двумя, тремя или четырьмя реле. Часто применяется в сетях 110 кВ с глухозаземлённой нейтралью и большим перекосом по фазам (велики токи, идущие на грунт).
  3. Треугольник. Система из двух или трёх реле, измеряющих линейные напряжения. Чаще всего встречается в цепях защиты трансформаторов звезда-треугольник.
  4. Двухфазная схема с одним реле на практике встречается очень редко. В просторечье её называют восьмёркой, а в старой литературе – неполным треугольником. Защищает двигатели небольшой мощности.
Читайте также:  Закон Ома для участка цепи

Рассмотрим для примера, как работает неполная звезда (см. рис.), у которой трансформаторы тока включены в две линии – А и С. Вот возможным случаи поведения системы:

  1. Короткое замыкание по всем фазам приводит к тому, что в обратном проводе (РТ3) тока нет, а в других ветвях его значение велико. Что и вызывает срабатывание.
  2. При межфазном замыкании А и С происходит в точности то же самое, о чем сказано выше.
  3. Прочие виды коротких замыкания вызывают перекос фаз, и от этого появляется ток в обратном проводе. Он оценивается реле РТ3, которое даёт команду на разрыв сети питания.

Недостатком неполной звезды является то, что она принципиально не может отследить замыкание на землю фазы В. В результате чего такая защита неприемлема для цепей с большими токами утечки на землю. В системах токовой отсечки частыми гостями являются промежуточные реле с мощными контакторами. Когда нужно быстро выключить питание, требуются особенные качества. Большинство максимальных токовых реле не может справиться с оперативным отключением цепи.

Отличие полной звезды в том, что можно проследить любые короткие замыкания, не только межфазные, но и утечки на грунт. Общий провод здесь называется не обратным, а нулевым, поскольку содержит реле, улавливающие токи нейтрали и заземлителя основной линии. При прочих видах коротких замыканий нагрузка здесь невелика. Полная звезда применяется на линии с классом напряжений 110 кВ и глухозаземлённой нейтралью, потому что:

  1. В цепях от 3 до 35 кВ токи утечки на землю невелики, и нет смысла обрывать питание полностью. Используется неполная звезда.
  2. Для сетей 110 кВ и выше часто вместо максимальной токовой применяется дистанционная защита. Есть ещё две причины:
  • При изолированной нейтрали в линии 110 кВ трансформаторы тока обычно служат и для организации дифференциальной защиты. В результате вторичные их обмотки соединены треугольником (а не звездой).
  • Ещё одной причиной неприменимости является то, что однофазные замыкания на землю не должны вызывать отключение линии. Это не считается аварией, и работа продолжается с выездом на место происшествия ремонтной бригады.

При включении треугольником все перечисленные выше доводы «против» недействительны. Поэтому данная схема особенно часто применяется для сетей с классом напряжения выше 35 кВ. Треугольник хорош тем, что не имеет нейтрали, поэтому большие токи коротких замыканий на землю не проходят преобразованными в цепь защиты, а замыкаются по его периметру. Это важно при высоком напряжении. Ещё одним преимуществом является увеличение на 15% чувствительности к двухфазным замыканиям.

Наконец, при однорелейной защите измерению подвергаются только две фазы. Благодаря этому отслеживаются следующие типы неисправностей:

  1. Любое межфазное короткое замыкание. Однако чувствительность по этим видам аварий отличается примерно в два раза. В зависимости от того, какие именно фазы замкнулись.
  2. Короткое замыкание на землю измеренных фаз (две из трёх).
  3. Короткое замыкание по всем трём фазам.

Невозможно отследить уход на грунт третьей линии, где нет измерителя. Кроме того, чувствительность примерно в 1,7 раз ниже, нежели в любой из приведённых выше схем токовой отсечки. Такой защитой обычно не снабжают трансформатор, вторичные обмотки которого объединены в треугольник, потому что блокируется определение одного из видов двухфазного короткого замыкания. Единственным достоинством по факту является экономичность, потому что используется одно-единственное реле. Однорелейная схема токовой отсечки время от времени служит для защиты двигателей класса напряжений в районе 1 кВ и выше, но мощностью не более 2 МВт.