Теория и практика
При проектировании, монтаже и последующей эксплуатации современных систем электроснабжения основной задачей является обеспечение надёжной и безопасной работы сети за счёт соблюдения селективности. Другими словами — согласования рабочих характеристик аппаратов защиты для того, чтобы в случае перегрузки или короткого замыкания (КЗ) срабатывало только устройство, в защищаемой цепи которого возник сверхток. При этом остальная часть электроустановки должна оставаться в рабочем состоянии.
ГОСТ Р 50030.2-2010 выделяет две разновидности селективности.
Первая — полная — когда при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков оборудование со стороны нагрузки (потребителей) осуществляет защиту без срабатывания устройства со стороны питания.
Вторая — частичная — когда при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков оборудование со стороны нагрузки осуществляет защиту без срабатывания аппарата со стороны питания лишь до определённого уровня сверхтока Is (предельный ток селективности).
Избирательность срабатывания устройств защиты достигается путём регулировки и согласования их параметров и уставок. Например, для селективной работы оборудования при перегрузках достаточно, чтобы номинальный ток (In) защитного аппарата со стороны питания был больше In автоматического выключателя (АВ) со стороны нагрузки.
Добиться согласования рабочих характеристик устройств защиты при коротких замыканиях (КЗ) гораздо сложнее. «Чаще всего для обеспечения координации срабатывания защитных аппаратов в зоне КЗ1 специалисты используют токовый метод обеспечения селективности. Он основывается на выборе автоматических выключателей с различными уставками по току, причём более высокие значения должны иметь аппараты защиты на стороне питания. Этот способ наиболее простой, но полная селективность обеспечивается только в конечных распределительных щитах, где расчётные токи КЗ и номиналы выключателей небольшие. Для более сложных распределительных устройств он недостаточен», — рассказывает Алексей Данкин, главный инженер компании «МПО Электромонтаж».
В зоне КЗ помимо токового могут использоваться такие методы обеспечения селективности, как временная, энергетическая и зонная. Ознакомимся с каждым типом координации рабочих характеристик аппаратов защиты в теории и на практике.
Временная селективность
Теория
Данный тип селективности достигается за счёт введения преднамеренной задержки времени срабатывания автоматических выключателей. «Настройка защитных аппаратов осуществляется путём постепенного повышения порогов токов и задержки срабатывания по мере приближения к источнику питания, – поясняет Игорь Мещеряков, менеджер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации. – Уставка срабатывания по времени аппаратов на стороне питания должна быть такая, чтобы не создавать зон пересечения с аппаратами на стороне нагрузки. Нужно убедиться, что выбранные вышестоящие автоматические выключатели с задержкой срабатывания имеют значение кратковременно выдерживаемого тока (Icw), превышающее максимальный ток КЗ, который может протекать в рассматриваемой части установки. Значение Icw нормируется для аппаратов категории применения В по ГОСТ Р 50030.2-20102».
Временная селективность обычно реализуется в электроустановках на уровне вводных устройств и главных распределительных щитов (ГРЩ) между воздушными автоматическими выключателями (относятся к аппаратам категории применения В по ГОСТ), которые оснащены электронными расцепителями с защитой от КЗ, срабатывающей с задержкой.
Анализ селективности проводится путём сравнения времятоковых кривых срабатывания защитных устройств.
Практический пример
Рис. 1. Расположение аппаратов защиты
На стороне питания установлен воздушный АВ Emax E2N на 2000 А. Исходя из параметров электрической сети (сечение кабеля, установленная мощность электроприёмников) для защиты со стороны нагрузки был выбран АВ в литом корпусе Tmax T5N на 630 А. Расположение аппаратов защиты приведено на рис. 1. Проверим, обеспечивается ли селективность между этими устройствами.
В первую очередь нужно построить времятоковые характеристики срабатывания двух аппаратов защиты. Более точно это позволяет выполнить специальное программное обеспечение, разработанное производителем автоматических выключателей. Пример полученных характеристик приведен на рис. 2.
Рис. 2. Временная селективность между автоматическими выключателями АББ Emax E2N и Tmax T5N.
По графикам видно, что в зоне КЗ обеспечивается достаточная временная задержка между вышестоящим (Emax E2) и нижестоящим (Tmax T5) автоматическими выключателями. Следовательно, селективность аппаратов по времени соблюдается, причём предельный ток селективности Is равен кратковременно выдерживаемому току Icw аппарата защиты Emax E2 (для Emax E2N — это 55 кА).
Для корректного обеспечения селективности отдельное внимание следует уделить настройкам расцепителя защиты вышестоящего аппарата:
- при включённой функции защиты от КЗ с мгновенным срабатыванием (I3 = ON) предельный ток селективности определяется как уставка защиты I за вычетом погрешности расцепителя, которая составляет 10%;
- при отключённой функции I (I3 = OFF) предельный ток селективности равен кратковременно выдерживаемому току Icw вышестоящего аппарата защиты.
Энергетическая селективность
Теория
Координация энергетического типа является специфическим способом обеспечения селективности, который основан на токоограничивающих характеристиках автоматического выключателя в литом корпусе. В условиях КЗ такие АВ имеют чрезвычайно высокое быстродействие (время срабатывания порядка нескольких миллисекунд). Поэтому для анализа данного вида селективности невозможно использовать времятоковые характеристики автоматических выключателей, приведённые в каталогах.
«Взаимодействие и поведение двух последовательно установленных токоограничивающих автоматических выключателей в значительной степени зависит как от значения возникающего тока, так и от типоразмера АВ. Поэтому значения предельного тока селективности не могут быть определены конечным пользователем. Специально для решения этой проблемы производители предоставляют так называемые таблицы энергетической селективности и программы расчёта, в которых указаны значения предельного тока селективности Is при КЗ между различными комбинациями АВ, — разъясняет Игорь Мещеряков. — Необходимый объём технических данных, программных средств и устройств для реализации селективности любого уровня сложности может предоставить только производитель автоматических выключателей с широким ассортиментом продукции и значительными ресурсами для проведения испытаний. Ведь во многом для составления таблиц энергетической селективности необходимо именно проведение испытаний, в ходе которых проверяется срабатывание различных автоматических выключателей при КЗ».
Энергетическая селективность является основой для построения координации в распределительных щитах, вводных распределительных устройствах (ВРУ) и ГРЩ с номинальными токами от 16 А до 1600 А.
Практический пример
На стороне питания установлен токоограничивающий автоматический выключатель АББ Tmax T5N с электронным расцепителем на 400 А. Исходя из параметров электрической сети для стороны нагрузки был подобран аппарат АББ Tmax XT4N.
Расположение аппаратов приведено на рис. 1.
Руководствуясь времятоковыми характеристиками автоматических выключателей, приведенными на рис. 3, можно сделать ошибочный вывод, что Is = 6 кА (токовая селективность). В то же время, исходя из таблицы, имеющейся в брошюре АББ «Таблицы координации», которую предоставляет производитель (см. рис. 4), видно, что данная пара выключателей имеет Is = 50 кА. Следовательно, времятоковые характеристики не являются достаточным критерием для определения предельного тока энергетической селективности.
Как видно из примера, энергетический вид селективности позволяет получить значительно большие значения предельных токов селективности, чем токовая без завышения уставок защиты от КЗ.
Рис. 3. Времятоковые характеристики автоматических выключателей АББ Tmax XT4 и Tmax T5.
Рис. 4. Таблица координации энергетической селективности автоматических выключателей АББ Tmax XT4 и Tmax T5.
Важно заметить, что для реализации энергетической селективности настройки вышестоящего выключателя должны удовлетворять следующим требованиям:
- если аппарат имеет термомагнитный расцепитель TMA, то настройка защиты от КЗ должна быть установлена на максимум (10хIn);
- если аппарат имеет электронный расцепитель, то защита I должна быть отключена (I3 = OFF);
- характеристики срабатывания выключателей не должны иметь пересечений.
Зонная селективность
Теория
Зонный тип селективности осуществляется между двумя аппаратами, объединёнными специальным информационным кабелем. Данный тип селективности основан на взаимодействии автоматических выключателей между собой посредством этого кабеля. Автоматические выключатели одного уровня объединяются в так называемые «зоны». Если любой из выключателей данной зоны обнаруживает неисправность, он посылает сигнал блокировки вышестоящему устройству защиты. Последний в свою очередь начинает отсчёт дополнительной выдержки времени. Если за это время расположенный ниже аппарат не в состоянии произвести отключение, то коммутацию производит выключатель, расположенный выше. Если выключатель из любой зоны обнаруживает КЗ и не получает сигнала блокировки, то он будет срабатывать без дополнительной задержки по времени в соответствии со стандартными настройками.
Пример топологии зон показан на рисунке 5.
Рис. 5. Топология построения зон и подключения аппаратов для зонной селективности.
Зонная селективность может быть реализована между воздушными автоматическими выключателями и АВ в литом корпусе, оснащёнными сложными распецителями на базе микропроцессоров с технологией цифровой обработки сигналов.
Практический пример
Рассмотрим реализацию зонной селективности между двумя автоматическими выключателями АББ в литом корпусе серий Tmax T4L с электронным расцепителем PR223EF. Для обеспечения зонной селективности между двумя (или более) выключателями, оснащёнными расцепителями PR223EF, необходимо реализовать подключение через последовательное соединение (шина IL).
Исходя из технических данных, предоставляемых производителем, можно определить предельный ток селективности. Для данного примера эта величина может достигать 100 кА.
Какой бы способ координации защитных аппаратов ни обеспечивался, при проектировании электрических сетей крупных предприятий обязательно составляются так называемые карты селективности. В них указываются все уставки срабатывания всех аппаратов защиты, начиная от выключателей, установленных в подстанции, и заканчивая устройствами в распределительных щитах. Облегчить процесс подбора и координации оборудования, а также составления таких карт помогает современное программное обеспечение (ПО). Например, ПО АББ Curves позволяет составить схему, построить времятоковые характеристики автоматических выключателей, проверить координацию аппаратов, а также построить карты селективности с учётом необходимых настроек расцепителей. Последнимнужноуделять особое внимание, так как без грамотных настроек даже правильно подобранные автоматические выключатели могут в результате оказаться нескоординированными между собой.
Проектирование современной селективной установки на предприятии — задача сложная и трудоёмкая, подходить к выполнению которой нужно ответственно: малейшая ошибка грозит авариями, влекущими за собой тяжёлые последствия для оборудования и персонала. Именно поэтому селективность должна обеспечиваться различными способами и на разных уровнях, тем более что современные аппараты защиты помогают реализовать различные принципы координации.
1. Под зоной короткого замыкания понимают диапазон значений тока и, следовательно, соответствующую часть кривых срабатывания автоматического выключателя, которые в 8-10 раз выше номинального тока.
2. Категорию применения выключателя следует определять с учётом того, предназначается ли он или нет для обеспечения селективности благодаря намеренной выдержке времени относительно других выключателей, последовательно присоединённых со стороны нагрузки в условиях короткого замыкания.
