Функции защиты и требования к ней

ЗАЩИТА

При эксплуатации СЭЭС возможны случаи возникновения повреждений и анормальных режимов работы, последствиями которых могут быть аварии, затрагивающие всю систему или ее отдельные части. Для предотвращения возникновения и развития аварий в СЭЭС предусматриваются отдельные аппараты, устройства или системы взаимосвязанных устройств защиты, осуществляющие:

- отключение элементов СЭЭС в случае нарушений нормального режима эксплуатации или повреждений, представляющих непосредственную опасность для отдельных видов электрооборудования или для всей СЭЭС;

- сигнализацию о возникновении нарушений нормального режима работы или повреждений, не представляющих такой опасности.

Система защиты занимает важное место в комплексе систем автоматизации СЭЭС. В то время как системы контроля, управления и диагностики эффективны при медленно возникающих отказах, система защиты выполняет функции обеспечения безопасности эксплуатации и работоспособности электрооборудования в условиях внезапных отказов, которые могут привести к тяжелым последствиям, например при коротких замыканиях. Роль защиты все более возрастает по мере усложнения ЭЭС, повышения их мощности.

Объектом защиты являются как СЭЭС в целом, так и отдельные виды электрооборудования: генераторные агрегаты, трансформаторы, электромашинные и статические преобразователи, ГРЩ и РЩ, кабельные трассы, электроприводы с аппаратурой управления, нагреватели, светильники и т.д. Указанные виды электрооборудования совместно с элементами связи и подключения образуют защищаемые участки СЭЭС.

В общем виде функции защиты можно представить следующим образом:

1. Защита должна:

§ выявить повреждение или анормальный режим работы;

§ определить место повреждения;

§ произвести необходимые отключения или обеспечить сигнализацию.

2. Защита не должна срабатывать:

§ при нормальных режимах, «похожих» на аварийные (при синхронизации, пуске двигателей и т.д.);

§ при повреждениях элементов СЭЭС, защищаемых другими аппаратами защиты.

Эффективность функционирования защиты обеспечивается при условии, что она удовлетворяет ряду требований, основными из которых являются:

§ полнота защищенности;

§ избирательность;

§ быстродействие;

§ чувствительность;

§ надежность;

§ устойчивость к электродинамическому и термическому действию токов.

Полнота защищенности определяется степенью охвата средствами защиты элементов ЭЭС. Для выполнения этого требования целесообразно установить границы защищаемых участков и на каждом участке определить необходимый состав средств защиты.

В СЭЭС такими типовыми участками являются (рис. 12.1):

§ источники с фидерами питания (участок I);

§ секции ГРЩ (участок II);

§ кабельные перемычки (участок III);

§ РЩ с фидерами питания (участок IV);

§ потребители с фидерами питания (участок V).

Рис. 12.1. Общая структура защиты СЭЭС

Разделение СЭЭС на типовые защищаемые участки – важный принцип построения защиты, позволяющий выбрать типовые системы защиты на каждом из участков и рационально организовать связи между защитами отдельных участков.

Избирательность (селективность) защиты – это свойство защиты отключать только поврежденные элементы или участки сети. Избирательность позволяет сохранить максимально возможную работоспособность ЭЭС, уменьшить до минимума резерв источников электроэнергии, повысить надежность питания потребителей.

Селективность можно обеспечить:

1. Настройкой защиты смежных участков сети на разный ток срабатывания (избирательность по току). Этот способ нашел ограниченное применение из-за сложности настройки защиты, во многом связанной с многоуровневой системой распределения электроэнергии и многообразием схем генерирования и потребления в разных режимах эксплуатации судна.

2. Настройкой защиты смежных участков сети на разное время срабатывания (введением ступеней выдержек времени). Этот способ нашел широкое применение. В основе его лежит принцип – обеспечения бесперебойности питания. В соответствии с этим принципом генераторные автоматы имеют самую большую выдержку времени, далее следуют выдержки для секционных автоматических выключателей, автоматических выключателей перемычек и наименьшую выдержку имеют автоматические выключатели фидеров к ВРЩ. Отечественные автоматические выключатели имеют следующий набор выдержек: 1 с, 0,63 с, 0,38 с, 0,18 с. Зарубежные фирмы (Schneider) – 0,4 с, 0,3 с, 0, 2 с, 0,1 с. Обычно ограничиваются двумя уровнями выдержек. Такая реализация селективности накладывает определенные требования на системы прямого фазового компаундирования: токовый канал должен обеспечивать значение установившегося тока короткого замыкания не ниже 2…2,5 I _н – уставки срабатывания генераторных автоматических выключателей. На рис. 12.2 показана токо – временная характеристика селективного автоматического выключателя.

Рис. 12.2. Токо–временные характеристики селективных автоматических выключателей

3. «Логической селективностью», которая обеспечивается блоками контроля и управления автоматами. Принцип логической селективности заключается в том, что срабатывание вышестоящего автоматического выключателя происходит только, если ток достигает значения уставки и отсутствует срабатывание нижестоящих автоматических выключателей. В противном случае, отключаемый нижестоящий АВ подает сигнал вышестоящему и он не отключается. Для реализации этого принципа автоматические выключатели соединяются между собой контрольными проводами. Такие автоматические выключатели выпускает фирма Merlin Gerin. Рис. 12.3 иллюстрирует этот способ селективности.

Рис. 12.3. Реализация логической селективности; БКУ – блок контроля и управления

Быстродействие в наибольшей степени характеризует эффективность защиты. Однако требования к быстродействию защиты для разных видов повреждений существенно различаются.

Относительно редкий, но самый опасный вид повреждения – короткое замыкание (КЗ). Поскольку в месте КЗ выделяется большая энергия, возможны возгорания, пожары и разрушения электрооборудования. Особую опасность короткие замыкания представляют в ГРЩ, где токи КЗ достигают весьма больших значений. В случае КЗ t_сраб < t_доп..к. Выбор значений времени срабатывания защиты (t_сраб) и допустимого времени существования короткого замыкания (t_доп.к) определяется следующими факторами:

§ t_доп.к – пожароопасность и опасность для обслуживающего персонала; разрушающее действие дуги на электрооборудование; нарушение устойчивости работы ЭЭС и ухудшение качества электроэнергии.

§ t_сраб связано с обеспечением селективности, надежностью, массогабаритными показателями и стоимостью аппаратуры и т.д.

Важной характеристикой быстродействия защиты является зависимость времени срабатывания защиты от тока (время–токовая характеристика). При КЗ время срабатывания не должно зависеть от тока. Поэтому идеальная характеристика защиты от КЗ (рис. 12.4) должна состоять из двух перпендикулярных прямых, точка пересечения которых определяет t_сраб при токе уставки I_уст.

Рис. 12.4. Идеальная время-токовая характеристика защиты от токов КЗ

Значительно более вероятным, но менее опасным является режим перегрузки, возникающей по различным причинам. Последствием длительной перегрузки, как правило, является выход электрооборудования из строя. В ряде случаев перегрузка может перейти в КЗ. Для более полного использования перегрузочной способности электрооборудования защита от перегрузки должна срабатывать с выдержкой времени, зависящей от величины перегрузки (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Время-токовая характеристика защиты от перегрузки

Под чувствительностью понимается свойство защиты выявлять повреждение или анормальный режим и быть отстроенной от ложных срабатываний в нормальных режимах. Чувствительность обеспечивается выбором уставки. Применительно к защите от КЗ это можно выразить следующим образом:

I_{раб max} < I_уст < I_{к min}

где I_{раб max} - максимальное значение тока в режимах пуска или переключения нагрузки, синхронизации или других режимах, характерных для защищаемого участка СЭЭС; I_{к min} – минимальное значение тока в выбранной расчетной точке КЗ (при замыкании через электрическую дугу).

Чем больше разница между I_{раб max} и I_{к min}, тем проще обеспечить необходимую чувствительность защиты и выбрать уставку, тем выше помехоустойчивость защиты. Однако выполнение этого условия существенно затрудняют токоограничивающее действие дуги и большие значения I_{раб max} при переходных процессах.

Надежность защиты обычно оценивают двумя показателями: вероятностью срабатывания защиты при возникновении повреждения или анормального режима на защищаемом участке ЭЭС и вероятностью отсутствия ложных срабатываний в нормальных режимах и при повреждениях, возникающих вне зоны защиты.

Весьма существенно повышает надежность систем защиты так называемое прямое и смежное резервирование. Прямое резервирование состоит в том, что защиту участка, имеющую высокие показатели быстродействия и чувствительности, но довольно сложную, резервируют более простой и надежной, хотя и менее эффективной защитой. Например, при использовании сложной дифференциальной защиты секций ГРЩ в качестве резервной применяют максимальную токовую защиту, встроенную в автоматический выключатель.

Смежное резервирование состоит в том, что защитами участков, расположенных ближе к источнику, должны резервироваться защиты смежных, более удаленных от источников участков. Так, при отказе выключателя фидера питания отдельного двигателя должен срабатывать выключатель распределительного щита, от которого получает питание двигатель. Смежное резервирование является обязательным в судовых системах защиты.

Одним из основных требований, предъявляемым к аппаратам и устройствам защиты, через которые могут протекать токи короткого замыкания, является устойчивость к электродинамическому и термическому действию токов КЗ. Автоматические выключатели (АВ) и предохранители, кроме того, должны быть способны отключать предельные токи КЗ.

Помимо указанных выше основных требований, к аппаратам и устройствам защиты предъявляются также дополнительные требования, относящиеся к их массогабаритным показателям, условиям эксплуатации и т.д.

Самостоятельная работа

Задание №9, тема 12

Устройства защиты

Дата добавления: 2014-01-20