Распределительные электрические сети являются важным звеном в

Общие сведения.
Распределительные электрические сети являются важным звеном в
системе производства, передачи и потребления электроэнергии. Большое
значение для надёжной работы электросетей имеет правильное выполнение и
настройка устройств защиты и в том числе правильный выбор рабочих
параметров срабатывания (рабочих уставок) аппаратуры защиты.
Распределительные сети предназначены для передачи электроэнергии
потребителям и состоят из линий электропередачи, питающих ряд
трансформаторных подстанций, или вводов к электроустановкам потребителей,
а также из трансформаторных подстанций и распределительных пунктов.
Всё электрическое оборудование, из которого комплектуются схемы
распределительных сетей характеризуются определёнными номинальными
данными. К числу этих параметров относятся номинальное напряжение,
частота и номинальный ток или же номинальная мощность.
Под номинальным напряжением электрических аппаратов понимается
напряжение, при котором они предназначены для длительной нормальной
работы.
Под номинальным током электрических аппаратов понимается тот
наибольший, длительно допустимый ток, который при заданной температуре
окружающей среды вызывает нагрев токоведущих частей до температуры, не
превышающей установленные нормы.
Для электрических машин и трансформаторов устанавливаются
определённые значения их стандартных мощностей, выраженных в
киловольтамперах. При этом их номинальный ток, определяющий собой
допустимую температуру нагрева при определенной температуре окружающей
среды, может быть вычислен по формуле:
S ном
,
3U ном
I ном 
где Sном – номинальная мощность в киловольтамперах и Uном – номинальное
напряжение в киловольтах.
Практически все основные расчёты электрических цепей сводятся к
закону Ома. Закон Ома для участка цепи устанавливает связь между током и
напряжением
I=U/R
Где U – напряжение источника питания, I – ток протекающий в цепи, R –
сопротивление участка цепи. Эта формула для расчёта в цепях постоянного
тока. Для расчётов в цепях переменного трёхфазного тока эта формула будет
выглядеть следующим образом:
I=U/3R
1
Ненормальные и аварийные режимы.
Причиной большинства аварий в электроустановках являются короткие
замыкания фаз между собой или на землю. Основными причинами
повреждений являются:
- нарушение изоляции токоведущих частей, вызванное её старением,
неудовлетворительным состоянием, перенапряжением, механическими
повреждениями;
- повреждение проводов и опор линий электропередач, вызванное их
неудовлетворительным состоянием, гололёдом, ураганным ветром и
т.п.;
- ошибки персонала при операциях.
Токи короткого замыкания в электроустановках могут иметь очень
большую величину, измеряющуюся десятками и даже сотнями тысяч ампер.
Эти аварийные токи представляют большую опасность для элементов
электрических систем, так как они вызывают значительный нагрев
токоведущих частей и создают весьма значительные механические усилия. Для
того чтобы электроустановка могла работать надежно, требуется, чтобы все
элементы этой установки обладали необходимым запасом
электродинамической устойчивости в соответствии с предельными величинами
токов короткого замыкания, возможными при авариях в данной
электроустановке.
К ненормальным относятся режимы, связанные с отклонениями от
допустимых значений тока, напряжения и частоты, опасные для оборудования
или устойчивой работы энергосистемы. Наиболее характерные ненормальные
режимы в распределительных сетях 0,4 – 10 кВ:
- перегрузка оборудования;
- неполнофазный режим (для 3 – х фазных потребителей);
- повышенное или пониженное напряжение (повышение напряжения,
связанное с несоответствием положения переключающего устройства
трансформатора, атмосферные перенапряжения, понижение
напряжения в момент короткого замыкания на линии, на удалённых
участках);
- замыкания на землю в сети 6 – 10 кВ.
2
Виды коротких замыканий.
В трёхфазных электрических системах могут возникать различные
аварийные режимы. В системе с незаземлённой нейтралью возможны:
- трёхфазные короткие замыкания (симметричные);
- двухфазные замыкания (несимметричные) в одной точке и через
землю при замыканиях двух фаз в разных точках;
в системе с заземлённой нейтралью могут возникать:
- трёхфазные короткие замыкания (симметричные);
- двухфазные;
- однофазные (на землю);
- двухфазные замыкания с землёй в одной точке и в разных точках.
При КЗ ЭДС источника питания (генератора) замыкается «накоротко»
через относительно малое сопротивление генераторов, трансформаторов и
линий. Поэтому в контуре замкнутой накоротко ЭДС возникает большой ток Iк,
называемый током короткого замыкания.
При КЗ вследствие увеличения тока возрастает падение напряжения в
элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках
сети. Наибольшее снижение напряжения происходит в месте короткого
замыкания и в непосредственной близости от него.
Происходящее в результате КЗ увеличение тока и снижение напряжения
приводят к ряду опасных последствий:
- ток КЗ выделяет в активном сопротивлении цепи, по которой он
проходит в течение времени Т, тепло. В месте повреждения это тепло
и пламя электрической дуги производят большие разрушения, размеры
которого тем больше, чем больше ток КЗ и время Т. Походя по
3
неповреждённому оборудованию и линиям электропередачи, ток КЗ
нагревает их выше допустимого предела, что может вызвать
повреждение изоляции и токоведущих частей.
- Понижение напряжения при КЗ нарушает работу потребителей.
Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные
двигатели. Поэтому при глубоком снижении напряжения момент
вращения двигателя может оказаться меньше момента сопротивления
механизмов, что приводит к их остановке.
Рассмотренные последствия КЗ подтверждают тот факт, что они
являются опасным и тяжелым видом повреждения, требующим быстрого
отключения.
Характеристики аппаратуры защиты.
Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для
автоматического отключения электрических цепей при КЗ или ненормальных
режимах (перегрузках, исчезновении или снижении напряжения), а также для
нечастого включения или отключения токов нагрузки. Отключение
выключателя производится встроенным в выключатель автоматическим
устройством, которое называется максимальным расцепителем тока, или
сокращённо – расцепителем.
Номинальным током I н.в. и напряжением U н.в. выключателя называют
значения тока и напряжения, которые способны выдерживать главные
токоведущие части выключателя в длительном режиме. Номинальный ток
расцепителя I н.расц. может отличаться от номинального тока
выключателя, поскольку в выключатель могут быть встроены
расцепители с меньшим номинальным током.
Предельной коммутационной способностью выключателя (ПКС) называют
максимальное значение тока КЗ, которое выключатель может включить и
отключить оставаясь в исправном состоянии. Одноразовой ПКС называют
наибольшее значение тока, которое выключатель может отключить один раз.
После этого дальнейшая работа выключателя не гарантируется, может
потребоваться его кап.ремонт.
Например для выключателей серии А3100 значение ОПКС принимается
равным значению ПКС с расцепителем, имеющим наибольший номинальный
ток. Так, выключатели А3110 имеют номинальный ток расцепителей от 15 до
100 А, а значение ПКС – от 3,2 до 12 кА. Однако значение ОПКС принимается
равным 12 кА для всех выключателей. Аналогично ОПКС принимается равным
для выключателей А3120 – 23 кА, А3130 – 30 кА, А3140 – 50 кА. При
отключении этих токов может повредиться тепловой элемент или измениться
его уставка, однако отключение безусловно обеспечивается.
Автоматические выключатели могут иметь следующие защитные
характеристики:
- зависимую от тока характеристику времени срабатывания; такие
выключатели имеют только тепловой расцепитель;
4
- независимую от тока характеристику времени срабатывания; такие
выключатели имеют только токовую отсечку, выполненную с
помощью электромагнитного расцепителя, действующего с
выдержкой времени или без выдержки;
- ограниченно зависимую от тока двухступенчатую характеристику
времени срабатывания; в зоне токов перегрузки выключатель
отключается с зависимой от тока выдержкой времени, в зоне токов КЗ
выключатель отключается токовой отсечкой с независимой от тока
выдержкой времени; выключатель имеет тепловой и
электромагнитный расцепитель.
Уставка электромагнитного расцепителя задаётся заводом и является
стандартной величиной кратной номинальному току автомата – 10 Iном,
12 Iном, 14 Iном.
5
Структура условного обозначения
Автоматические выключатели серии А3700:
Сокращённое условное обозначение А37ХХХ. Расшифровка в порядке
написания:
А – автоматический выключатель;
37 – номер разработки;
Х – модификация и величина выключателя: 1 – первая, 2 – вторая, 3 –
третья, 4 – четвёртая, 9 – модифицированные 3 и 4 величины;
Х – исполнение по виду защиты и числу полюсов: 1 или 2 – с
электромагнитными расцепителями, 3 или 4 - с электромагнитными и
полупроводниковыми расцепителями, 5 или 6 - с электромагнитными и
тепловыми расцепителями, 7 или 8 – без максимальных расцепителей,
нечётные цифры – двухполюсные, чётные – трёхполюсные;
Х – дополнительная характеристика исполнения: Б –
токоограничивающие, С – селективные, Ф – в фенопластовом корпусе, Н –
нетокоограничивающие.
Автоматические выключатели трехфазные АЕ20
AE 20, AE 20M - серия автоматических выключателей, предназначенных
для эксплуатации в электрических цепях напряжением до 660 В переменного
тока частотой 50 - 60 Гц, до 380 В частотой 400 Гц.
Структура условного обозначения:
АЕ20 ХХХ-ХХХ-ХХХЗХ:
АЕ - выключатель автоматический;
20 - номер разработки;
Х - величина выключателя в зависимости от номинального тока:
2 - 16 А;
4 - 63 А;
5 - 100 А;
6 - 160 А;
Х - число полюсов в комбинации с максимальными расцепителями тока:
3 - трехполюсные с электромагнитными максимальными расцепителями
тока;
4 - однополюсные с электромагнитными и тепловыми максимальными
расцепителями тока;
6 - трехполюсные с электромагнитными и тепловыми максимальными
расцепителями тока;
Х - наличие буквы М - для выключателей модернизированных на
номинальный ток 63 и 100 А;
6
Х - наличие свободных контактов:
1 - без свободных контактов;
2 - один замыкающий свободный контакт;
3 - один размыкающий свободный контакт;
4 - один замыкающий и один размыкающий свободный контакты;
Х - дополнительные расцепители:
0 - без дополнительных расцепителей;
2 - независимый расцепитель;
Х - температурная компенсация и регулировка номинального тока
теплового расцепителя:
Р - регулировка номинального тока тепловых расцепителей и
температурная компенсация;
Н - регулировка номинального тока тепловых расцепителей без
температурной компенсации;
Б - без регулировки номинального тока тепловых расцепителей и
температурной компенсации для пунктов распределительных (с
уменьшенными габаритными размерами);
O - без регулировки номинального тока тепловых расцепителей и
температурной компенсации;
ХХ - степень защиты:
00 - IP00;
20 - IP20;
54 - IP54 (для выключателей серии АЕ20М);
ХЗ - климатическое исполнение (У, Т и категория размещения по ГОСТ
15150-69);
Х - класс износостойкости (А - первый; Б - второй ).
7
Выбор аппаратуры защиты.
Выбор по условиям нормального режима. Выключатель выбирается
исходя из следующих условий:
- соответствия номинального напряжения выключателя Uн.в.
номинальному напряжению сети Uср.н.
U н.в.  U ср.н.
(1)
- соответствия номинальному току электродвигателя Iн.дв. (для
индивидуальных выключателей электродвигателей)
I н. расц.  Iн.дв.
(2)
- соответствия максимальному рабочему току I раб.макс. группы
электроприёмников в длительном режиме
I н. расц.  I раб, м акс
(3)
- выполнение условия чувствительности при выборе уставок
автоматического выключателя.
Выбор уставок автоматических выключателей электродвигателей.
Токовая отсечка. ТО выключателя отстраивают от пускового тока
электродвигателя. Несрабатывание отсечки при пуске электродвигателя
обеспечивается выбором тока срабатывания по выражению:
I с.о  1,05k з k а k р I пуск.дв  k н I пуск.дв
(4), где
kн – коэффициент надёжности отстройки отсечки от пускового тока
электродвигателя; 1,05 – коэффициент, учитывающий, что в нормальном
режиме напряжение может быть на 5 % выше номинального напряжения
электродвигателя; kз – коэффициент запаса; kа – коэффициент наличия
апериодической составляющей в пусковом токе; kр – коэффициент разброса
тока срабатывания отсечки относительно уставки.для приближённых расчётов
принимают значения пускового тока электродвигателя равным каталожному, а
коэффициентов по таблице.
Таблица 1
Автоматический
выключатель
А3110, АП-50,
А3700, ВА, АЕ 20
А3120, А3130,
А3140
Расцепитель
электромагнитный
8
Кз
Ка
Кр
Кн
1,1
1,4
1,3
2,1
1,1
1,4
1,15
1,9
Коэффициент чувствительности отсечки при КЗ на выводах
электродвигателя должен быть:
К
( 2)
ч
( 2)
( 3)
I kR
0,86 I kR


 1,1Кр ,
I с .о
I с .о
К
(1)
ч
(1)
I kR

 1,1Кр ,
I с .о
(5)
(6)
где I(2)kR и I(1)kR – соответственно минимальный ток двухфазного и однофазного
КЗ на выводах электродвигателя; 1,1, - коэффициент запаса; Кр – коэффициент
разброса срабатывания отсечки по току.
Данные по токам КЗ в зависимости от мощности трансформатора, типа
провода и длины участка представлены на диаграммах.
Защита от перегрузки. Ток срабатывания защиты от перегрузки
определяется из условия возврата защиты после окончания пуска или
самозапуска электродвигателя:
I с .п. 
Кн
I н.дв ,
Кв
(7)
где Кн – коэффициент надёжности, учитывающий некоторый запас по току,
неточности настройки и разброс срабатывания защиты; Кв – коэффициент
возврата защиты. Защита от перегрузки считается эффективной, если:
Iс.п.=(1,2 – 1,4)Iн.дв (8). Для выключателей с комбинированным (тепловым и
электромагнитным) расцепителем условие (7) обеспечивается автоматически
при выборе номинального тока расцепителя по условию (2).
Если для отключения однофазных КЗ используется защита от перегрузки,
то проверяется её чувствительность. Значение коэффициента чувствительности
при однофазном КЗ должно быть:
для невзрывоопасной среды и выключателей с регулируемой
характеристикой
К(1)ч=I(1)kR/Iс.п.3; (9)
для невзрывоопасной среды и выключателей с нерегулируемой
характеристикой
К(1)ч=I(1)kR/Iс.п.3; (10)
для взрывоопасной среды
К(1)ч=I(1)kR/Iс.п.6; (11)
Пример.
Шины 0,4 кВ питаются от трансформатора мощностью 100 кВА. К шинам
через автомат серии АЕ 20 проводом А – 50 длиной 100 метров подключён
электродвигатель мощностью 10 кВт, с номинальным током 14 А и пусковым
87 А. Определить ток срабатывания отсечки автомата и уточнить его тип.
Решение.
По формуле (4) имеем Iс.о=2,1*14=29,4 А, принимаем автомат АЕ 2036 с
номинальным током 25 А и уставкой отсечки 300 А. По таблицам токов КЗ
находим ток однофазного КЗ для трансформатора данной мощности и марки
9
провода с указанной длиной I(1)kR=531,59 А. Нормируемый коэффициент
чувствительности отсечки по формуле (6) Кч= 1,1*Кр=1,1*1,3=1,43,
фактический коэффициент чувствительности К(1)ч=531,59/300=1,77 –
достаточен.
Выбор уставок автоматических выключателей питания сборок и щитов.
Выбор тока срабатывания отсечки. Выполняется по приводимым ниже
условиям, из которых принимается наибольшее полученное значение:
1. несрабатывание при максимальном рабочем токе Iраб.макс с учётом его
увеличения в Ксзп раз при самозапуске электродвигателей:
Iс.оКнКсзпIраб.макс
(12)
При отсутствии самозапуска электродвигателей или для нагрузки без
пусковых токов Ксзп=1 и ток срабатывания:
Iс.о.КнIраб.макс,
(13)
где Кн принимается для выключателей А3700, ВА, А3110, АП 50, АЕ 20
равным 1,5, а для А3120, А3130, А3140 – 1,35.
2. Несрабатывание при полной нагрузке щита и пуске наиболее мощного
двигателя:
I с .о
 n 1

 К н   I раб. макс  I пуск. макс  , (14)
 1

где Кн принимается для выключателей А3700, ВА, А3110, АП 50, АЕ 20
n 1
равным 1,5, а для А3120, А3130, А3140 – 1,35;
I
1
раб. м аксi
- сумма
максимальных рабочих токов электроприёмников, кроме двигателя с
наибольшим пусковым током Iпуск.макс.
Чувствительность отсечек при КЗ проверяют по выражениям (5), (6), в
которых I(2)kR и I(1)kR – соответственно минимальный ток двух и однофазного КЗ
на защищаемом щите.
Защита о перегрузки. Уставки и чувствительность рассчитываются так
же, как для электродвигателей, однако вместо Iн.дв учитывается Iраб.макс. для
защиты вводов от трансформаторов принимают Iраб.макс.=(1,0 – 1,4) Iн.т (15). с
учётом допустимой перегрузки трансформатора. Если защита от перегрузки
используется для отключения однофазных КЗ, то необходимо проверить её
чувствительность по выражениям (9), (10), (11).
.
Пример.
Шины 0,4 кВ питаются от трансформатора мощностью 160 кВА. К шинам
через автомат серии АЕ 20 проводом А – 50 длиной 300 метров подключён
электродвигатель мощностью 10 кВт, с номинальным током 14 А и пусковым
87 А, а также два электроприёмника с максимальными рабочими токами 20 А и
15 А. Определить ток срабатывания отсечки автомата и уточнить его тип.
10
Решение.
По формуле (14) проверяем условие несрабатывания отсечки
Iс.о=Кн*(20+15+87)=1,5*122=183 А, принимаем автомат АЕ 2046 с
номинальным током 63 А и уставкой отсечки 756 А. По таблицам токов КЗ
находим ток однофазного КЗ для трансформатора данной мощности и марки
провода с указанной длиной I(1)kR=337,57 А. Нормируемый коэффициент
чувствительности отсечки по формуле (6) Кч= 1,1*Кр=1,1*1,3=1,43,
фактический коэффициент чувствительности К(1)ч=337,57/756=0,44 –
недостаточен. В этом случае замена автомата на меньший номинальный ток
невозможна по условиям тока нагрузки, поэтому потребуется выполнить
секционирование (деление) ВЛ – 0,4 кВ установкой дополнительного автомата,
с характеристиками удовлетворяющими условиям чувствительности на одной
из опор участка ВЛ – 0,4 кВ. ток короткого замыкания на шинах 0,4 кВ КТП
составляет по таблице 1416,84 А. Фактический коэффициент чувствительности
при КЗ на шинах 0,4 кВ будет: К(1)ч=1416,84/756=1,87 – достаточен.
11
ПАМЯТКА
По упрощённому выбору характеристик автоматических выключателей в
сети 0,4 кВ.
Токи короткого замыкания в электроустановках могут иметь очень
большую величину, измеряющуюся десятками тысяч ампер. Эти аварийные
токи представляют большую опасность для элементов электрических систем,
так как они вызывают значительный нагрев токоведущих частей и создают
весьма значительные механические усилия.
При выборе аппаратуры защиты необходимо учитывать ожидаемые
значения токов короткого замыкания, от которых могут возникнуть
механические и термические повреждения в электроустановках.
РАСЧЁТ
Выбор характеристик электромагнитного расцепителя.
1) По таблице определяем ток однофазного замыкания на шинах 0,4 кВ
данной КТП – I(1)ш.
2) По формуле Iср. отс.  I(1)ш./1,43, где 1,43 – коэффициент
чувствительности для токовой отсечки, определяем ток срабатывания
электромагнитного расцепителя.
3) Автомат выбирается с токовой отсечкой по величине меньшей или
равной полученной в п. 2.
Выбор характеристик теплового расцепителя.
1) С помощью прибора Щ 41160 определить ток I(1)kз в петле «фаза –
ноль» на самой удалённой перекидке данной ВЛ – 0,4 кВ.
2) Определить максимальную (зимнюю) нагрузку на данной ВЛ – 0,4 кВ
– I раб.макс.
3) По формуле Iср.тепл. = I(1)kз /2, где 2 – коэффициент чувствительности для
тепловой защиты, определить ток срабатывания теплового
расцепителя.
4) Автомат выбирается исходя из условия: Iном  Iср.тепл.
Примечание:
Если выбранный номинальный ток автомата не удовлетворяет условию:
Iном  Iраб.макс., то требуется выполнить секционирование (деление) этой
ВЛ с установкой дополнительного автомата на опоре ВЛ – 0,4 кВ.
5) По формуле Iс.о  Кн * Iраб.макс, где Iс.о – ток срабатывания
электромагнитного расцепителя; Кн – коэффициент надёжности, его
принятое значение 1,5; Iраб.макс – максимальная зимняя нагрузка, А
находим ток срабатывания электромагнитного расцепителя.
12
6) По формуле
(1)
I kR
 1,43
I с .о
, где I(1)kR - ток однофазного замыкания в петле
«фаза – ноль»; Iс.о – ток срабатывания электромагнитного расцепителя
определяем выполняется ли условие чувствительности для отсечки. Для
отсечки достаточным является выполнение данного условия при КЗ на
шинах, значение которого выбирается из таблицы токов КЗ в петле «фаза –
ноль».
7) С помощью прибора определить ток короткого замыкания в петле «фаза –
ноль».
8) По условию I н. расц.  I раб, м акс выбираем номинальный ток
теплового расцепителя, принимая во внимание, что номинальный ток
теплового расцепителя равен номинальному току автомата.
9) По формуле
(1)
I kR
3
I с.п
,где I(1)kR - ток однофазного замыкания в петле
«фаза – ноль»; Iс.п – номинальный ток теплового расцепителя определяем
выполняется ли условие чувствительности для отсечки. При невыполнении
данного условия принимаем меры по установке дополнительной защиты на
нечувствительном участке.
13