Система захисту розгалужених трифазних електричних кіл від струмів віддалених коротких замикань

1. Система захисту розгалужених трифазних електричних кіл від струмів віддалених коротких замикань, яка містить апарат захисту з датчиками струму і з напівпровідниковим розчеплювачем, що має пристрій для порівняння струму, що протікає через апарат, з величиною струмової уставки по струму короткого замикання Isd і виконаний з можливістю установки нижнього рівня уставок Isd у межах (1,5-3) від робочого струму апарата Іr, підключену до відвідних затискачів апарата захисту довгу магістральну електричну лінію, до якої по всій її довжині приєднані фідерні лінії з різними видами навантажень, у тому числі і з електродвигунами, при цьому величина струму короткого замикання наприкінці магістральної лінії Ікз дорівнює або менша за значення пускового струму електродвигуна Іпд, приєднаного до магістральної лінії на її початку або в середині, але більша або дорівнює значенню струму уставки Isd - (Іпд³Ікз³Isd), яка відрізняється тим, що C2 2 (11) 1 3 81981 4 навантаженнями яких є електродвигуни достатньої знижується пожежонебезпека і вартість кіл, що потужності (крупорушки, насоси тощо). захищаються. У зв'язку з тим, що повітряні лінії, в основному, Ця задача вирішується в системі захисту виконуються сталевими проводами (з великим розгалужених трифазних електричних кіл від питомим опором) і мають велику довжину, струмів віддалених коротких, яка містить апарат значення струму КЗ наприкінці такої лінії виходять захисту з датчиками струму і з напівпровідниковим порівняно невеликими. У результаті в зазначених расцеплювачем, що має пристрій для порівняння системах захисту величина струму КЗ наприкінці струму, що протікає через апарат з величиною довгої лінії (Ікз) найчастіше виявляється близькою струмової уставки по струму короткого замикання до значення робочого струму захисного апарата Isd і виконаним з можливістю установки нижнього (Ік ). рівня уставок Isd у межах (1,5¸3) від робочого Тому для надійного захисту кіл від струмів струму апарата Іr, підключену до відвідних віддалених КЗ значення відповідних струмових затискачів апарата захисту, що захищає довгу уставок розчеплювачів (Isd) вибирають досить магістральну електричну лінію, до якої по всій її невеликими, що дорівнюють (1,5¸3)Іr. Однак, якщо довжині приєднані фідерні лінії з різними видами на початку магістральної лінії підключений фідер з навантажень, у тому числі і з електродвигунами, досить потужним електродвигуном, величина його при цьому величина струму короткого замикання пускового струму (І пд) на початку процесу запуску наприкінці магістральної лінії Ікз дорівнює або виявляється більшою за значення струмової менша за значення пускового струму уставки розчеплювача (Isd). електродвигуна Іпд, приєднаного до магістральної У випадку, якщо розгалужене електричне коло лінії на її початку або в середині, але більша або має систему резервування, то в момент дорівнює значенню струму уставки Isd- (Іпд³Ікз³Isd), переключення в колі виникають ще більші, ніж Іпд, за рахунок того, що розчеплювач апарата захисту струми одночасного самозапуску всіх додатково містить вузол контролю суми квадратів електродвигунів І пд. струмів усіх трьох фаз {Si2(t)} і порівняння Таким чином, у розглянути х системах захисту співвідношення максимального значення розгалужених електричних кіл з довгими лініями зазначеної суми квадратів струмів {Smaxi2(t)} до для забезпечення надійності захисту таких кіл від його мінімального значення {Smini2(t)} у перший струмів віддалених КЗ приходиться реалізовувати період виникнення струму, більшого за уставку Isd, наступні технічні рішення: а також логічний вузол, який при умові, якщо 1. Збільшува ти переріз проводів довгої лінії зазначене співвідношення, виражене коефіцієнтом для того, щоб підвищити струм КЗ наприкінці цієї Кs={Smaxi2(t)}/{S mini2(t)} дорівнює або більше 1,4 лінії. (Кs³1,4), автоматично збільшує значення струму 2. Збільшувати витримку терміну уставки Isd до значення Isd1, що дорівнює (1,1¸4,5) спрацьовування апарата захисту (селективного величини пускового струму І пд електродвигуна вимикача) до максимально можливого значення Isd­{Is d1=(1,1¸1,5)Іпд}. (0,4¸0,5)с, для того, щоб величина пускового Саме за рахунок того, що розчеплювач струму чи струм у самозапуску за цей час устигла апарата захисту додатково містить вузол досить знизитися. Таким способом виробляється контролю суми квадратів струмів усіх трьох фаз визначене «відбудування» захисту від пускових {Si2(t)} і порівняння співвідношення максимального струмів і стр умів самозапуску електродвигунів. значення зазначеної суми квадратів струмів Зазначені технічні рішення, що {Smaxi2(t)} до його мінімального значення {Smini2(t)} у використовуються в системах захисту перший період виникнення струму, більшого за розгалужених електричних кіл з довгими лініям не уставку Is d, а також логічний вузол, який при умові, є оптимальними як з економічної, так і з технічної якщо зазначене співвідношення, виражене точок зору. коефіцієнтом Кs={Smaxi2(t)}/{Smi ni2(t)} дорівнює або Дійсно, збільшення перерізу проводів більше 1,4 (Кs³1,4), автоматично збільшує підвищує вартість лінії, а зі збільшенням витримки значення струму уставки Isd до значення Isd1, що терміну при відключенні знижується термічна дорівнює (1,1¸1,5) величини пускового струму Іпд стійкість лінії, особливо при виникненні КЗ на електродвигуна Isd­{Isd1=(1,1¸1,5)Іпд}, початку лінії, що знижує показник пожаробезпеки забезпечується як надійність захисту довгої лінії електричних кіл, що захи щаються. від віддалених КЗ, так і можливість нормального В основу винаходу поставлена задача запуску електродвигунів. побудови такої системи захисту розгалужених У випадку, якщо в електричному колі, що трифазних електричних кіл від струмів віддалених захищається, можливе виникнення як пускових КЗ, у якій шляхом аналізу миттєвих значень струмів, так і струмів самозапуску, розчеплювач струму у всіх фазах кола, а саме суми квадратів апарата захисту додатково містить вузол пам'яті, зазначених ви ще миттєви х значень струмів у трьох що контролює наявність або відсутність у фазах, забезпечується швидке (протягом одного попередні 20¸40мс моменту виникнення в колі періоду стр уму) розпізнавання випадків струму, що дорівнює величині уставки Isd, стр уму виникнення в колі пускових струмів або струмів «передісторії» Іп, а також логічний вузол, що у самозапуску електродвигунів, в результаті чого випадку, якщо значення коефіцієнта підвищується надійність захисту довги х кіл від Кs={Smaxi2(t)}/{S mіni2(t)} дорівнює або більше 1,4 віддалених КЗ і забезпечується можливість (Кs³1,4), а значення струму «передісторії» Іп нормального запуску електродвигунів, а також дорівнює нулю, автоматично збільшує значення 5 81981 6 струму уставки Isd до значення Isd2, що дорівнює З урахуванням зазначених вище міркувань, реалізація системи захисту від віддалених КЗ (1,1¸1,5) величини струму самозапуску Ιсз усіх підключених до кола електродвигунів шляхом безпосереднього виміру значення кута зсуву j між напругою і струмом, або величини cos Isd­{Is d2=(1,1¸1,5)Ιсз}. Дійсно, як показує аналіз особливостей j має недоліки, що не дозволяють залежності суми квадратів значень струмів трьох використовува ти таке технічне рішення для систем фаз у функції часу - {Smaxi2(t)} (основні результати захисту, у яких в якості апаратів захисту такого аналізу будуть наведені нижче), саме використані малогабаритні вимикачі в значення співвідношення максимального і пластмасових корпусах. Тим більше, якщо мінімального значення зазначеної залежності електронні розчеплювачі таких вимикачів мають Smaxi2(t) дозволяє розпізнати випадки пуску інтегральні уставки для реалізації швидкодіючого електродвигуна або одночасного самозапуску «інтегрального» селективного захисту [2]. В декількох електродвигунів від випадку виникнення останньому випадку керуючий сигнал на віддаленого КЗ і вибрати необхідну для кожного з спрацьовування розчеплювача повинен зазначених випадків струмову уста вку (Isd1 або вироблятися протягом першого періоду струму (до Isd2). 20мс). Фізична суть розпізнання випадків виникнення Таким чином, для реалізації системи захисту пускових струмів і струмів віддалених КЗ полягає в від віддалених КЗ на базі малогабаритних тому, що значення індуктивності кола, а, отже, і вимикачів, які до того ж забезпечують швидкодіючий селективний захист електричних значення cos j, для зазначених вище випадків, кіл, визначення значення індуктивності кола істотно відрізняються один від одного. Так, у повинне вироблятися на підставі аналізу тільки випадку запуску електродвигунів величина cos j струмів, що протікають через апарат (без напруг), кола знаходиться в межах 0,2¸0,3, а у випадку КЗ при цьому зазначений аналіз повинен на кабельних і повітряних лініях значення cos j здійснюватись досить швидко протягом знаходяться, як правило, у діапазоні 0,65¸0,8, де напівперіоду зміни струму (струм у КЗ чи пускового менша величина cos j (0,65) належить до струму). повітряних ліній зі сталевими проводами. Таке швидке визначення cos j кола, що Таким чином, за допомогою виміру величини захищається, за допомогою тільки датчиків струму cos j кола (чи кута зсуву між струмом і напругою в може бути зроблене на підставі аналізу кожній фазі) дійсно можна зробити розпізнання параметрів перехідного процесу стр умів у фазах. випадків запуску двигунів і КЗ на лінії. Однак Як відомо, поточне миттєве значення струму реалізація такого технічного рішення стосовно до (що фіксується датчиком струму) у розглянутій електронних розчеплювачів вимикачів утруднена, фазі з урухуванням аперіодичної складової струму а в ряді випадків, просто неможлива в силу КЗ, визначається наступним виразом: наступних причин. - По-перше, це причини конструктивного та економічного характеру. Дійсно, на вхід розчеплювача, крім сигналів від датчиків струму в кожній фазі, при даному те хнічному рішенні слід додатково подавати і всі три фазні напруги, а в самих розчеплювачах мати відповідні канали виміру й обробки таких додаткових вхідних параметрів. Усе це приводить до значного збільшення габаритів розчеплювачів, їхньої вартості, що найчастіше неприйнятно для найбільш масових малогабаритних вимикачів у пластмасових корпусах. - По-друге, це причини технічного і функціонального характеру. Відомо, що через наявність перехідного процесу в перший момент після виникнення пускового чи аварійного струмів, протягом декількох періодів зміни струму існує аперіодична складова струму електричного кола. Наявність такої аперіодичної складової струму приводить до істотної похибки при визначенні величини cos j, якщо таке визначення здійснюється досить швидко - наприклад, у перший період струму. Тому розглянуте технічне рішення може бути використано тільки в тому випадку, якщо не потрібно швидкодії захисту і тому значення величини cos j можна визначати після згасання аперіодичної складової струму, а саме, через (2-3) періоди після виникнення кидка струму в колі. і=Im[sin(wt+y-j)-sin(y-j)e-t/T] (1) де Іm=Ö2 Іеф - амплітудне значення симетричної складової; Іеф - ефективне значення симетричної складової; j - кут зсуву фаз, на який періодична складова струму відстає від фазної ЕДС; j=arcctgw/r; y - кут ЕДС у фазі, що відповідає початку процесу (КЗ чи запуску); Τ - постійна часу електричного кола T=L/r=tgj/w. З виразу (1) за допомогою миттєвого значення струму в одній фазі і неможливо визначити величину cos j тому, що в правій частині виразу дві невідомі величини - величина кута j, яку шукають, і випадкова величина - кут виникнення пускового струму чи стр уму КЗ - y. Однак, якщо розглядати суму квадратів миттєвих значень струмів усіх трьох фаз S{і2(t)}, то такий аналіз, як це буде наведено нижче, дозволяє визначити величину cos j. Значення суми квадратів струмів у функції часу S {і2(t)}, у загальному виді, може бути зображене так: S{i2(t)}=i2л(t)+i2c(t)+i2 п(t) (2) де іл(t), іc(t) та іп(t) - відомі функції зміни струму в часі в лівій, середній і правій фазах кола. Вираз для S{і2(t)} можна записати в такий спосіб: 7 S{i2(t)}=3/2*І2 м·{1-2е-t/T·cos(wt)+e-2t/T} 81981 8 розчеплювачем 7. До відвідних затисків вимикача 6 підключена довга повітряна (або кабельна) лінія 8, до якої по всій її довжині, аж до кінця довгої лінії З урахуванням, що Іе ф=І m/Ö2, вираз для 9, підключені відвідні фідерні лінії 10, 11 і 14. S{i2(t)} прийме вигляд: Фідерна лінія 11 містить фідерний вимикач 12 (ВА2) і підключений до його відвідних затискачів (4) S{i2(t)}=3І2е ф·{1-2е-t/T·cos(wt)+e-2t/T} електродвигун 13. Фідерна лінія 14 містить фідерний вимикач 15 (ВА3) і підключений до його Як випливає з виразу (4), миттєве значення відвідних затискачів електродвигун 16. суми квадратів струмів усі х трьох фаз уже не Крім основного джерела 1, система захисту залежить від випадкової величини - початкової має і резервне джерело струму 17 і роз'єднувач 18 фази виникнення пускового струму чи струму КЗ. для підключення резервного джерела до Величина суми квадратів струмів при заданому розподільного шинопроводу 3. значенні струму Іеф залежить тільки від Система захисту працює в такий спосіб. електромагнітної постійної електричного кола Τ Нехай у системі захисту, що має живлення від (чи від величини cos j). 2 основного джерела струму 1 (Фіг.4) відбулося Розглянута особливість залежності S{i (t)} і включення вимикача 6 і на лінію 8 подана напруга покладена в основу побудови системи захисту від джерела струму. При цьому усі фідерні лінії 10 розгалужених електричних кіл від струмів i 11 до лінії 8 залишаються не підключеними (їхні віддалених КЗ із відстроюванням від пускових фідерні вимикачі відключені). струмів і струмів самозапуску потужних Положення комутаційної апаратури, що електродвигунів шля хом аналізу миттєвих значень відповідає зазначеному вище стан у системи струму в колі. захисту, показано на лівій стороні Фіг.4. Нехай у Суть винаходу наведена на Фіг.1-8. момент включення вимикача 6 (або через деякий На Фіг.1 наведена принципова схема системи час після його включення), виникло КЗ наприкінці захисту розгалуженого електричного кола від довгої лінії 8 (точка 9). При цьому величина струму струмів віддалених КЗ при наявності в ній віддаленого КЗ (Ікз) дорівнює значенню струму потужних електродвигунів. уставки Isd розчеплювача 7 магістрального На Фіг.2 наведені залежності суми квадратів вимикача 6. Через те, що при віддаленому КЗ на струму всі х трьох фаз у функції часу S{i 2(t)} для лінії значення cos j дорівнює 0,7, характер зміни різних значень cos j. суми квадратів струмів усіх фаз S{i2(t)} буде мати На Фіг.3 наведена залежність коефіцієнта 2 2 характер, показаний на Фіг.4, а значення Ks=Smax{i (t)}/S min{i (t)} у функції величини cos j. коефіцієнта Ks, що характеризує співвідношення На Фіг.4 показана система захисту кіл і максимального значення суми квадратів струмів характер зміни суми квадратів струмів усіх трьох Smax{i2(t)} до мінімального значення Smin{i2(t), буде фаз S{i2(t)}, що протікають у системі при дорівнювати 1,2. Через те, що значення виникненні КЗ наприкінці магістральної лінії. коефіцієнта Ks виявляється менше 1,4, На Фіг.5 показана система захисту і характер автоматичного збільшення значення струму зміни суми квадратів струмів усіх фаз S{i2(t)}, що уставки зі значення Isd до Isd1 не відбувається, а це протікають у системі при пуску потужного двигуна значить, що під дією розчеплювача 7 вимикач 6 на початку магістральної лінії. відключить електричне коло. Комутаційне На Фіг.6 наведений алгоритм реалізації положення апаратів системи захисту після мікропроцесорним розчеплювачем вимикача виникнення віддаленого КЗ (і його відключення) функції «відстроювання» від пускового струму наведено в правій частині Фіг.4. шляхом автоматичного збільшення уставки Isd до Нехай у системі захисту (Фіг.5) вимикач 6 величини Isd1 на основі аналізу значення 2 2 включений і на лінію 8 подана напруга від джерела коефіцієнта Ks=Smax{i (t)}/S min{i (t)}. струму. При цьому усі фідерні лінії 10 і 11 На Фіг.7 показана система захисту і характер 2 залишаються не підключеними до лінії 8 - їхні зміни суми квадратів струмів усіх фаз S{i (t)}, що фідерні вимикачі знаходяться в положенні протікають у системі при самозапуску декількох «відключено». електродвигунів після переключення електричного Положення комутаційної апаратури, що кола на резервне живлення. відповідає зазначеному вище стан у системи На Фіг.8 наведений алгоритм реалізації захисту, наведено на лівій стороні Фіг.5. Нехай мікропроцесорним розчеплювачем вимикача тепер включається фідерний вимикач 12 і функції «відстроювання» від струмів самозапуску починається процес пуску електродвигуна 13. При шляхом автоматичного збільшення уставки Isd до цьому значення пускового струму Іпд у початковий величини Isd2 на основі аналізу значення момент виявляється більшим за значення струму коефіцієнта Ks=Smax{i2(t)}/S mіn{i2(t)} із урахуванням уставки Isd розчеплювача 7 вимикача 6. струму передісторії Іпр. Через те, що при пуску електродвигуна Система захисту, що заявляється, (Фіг.1) значення cos j кола дорівнює 0,3, характер зміни містить у собі основне джерело струму 1 (силовий суми квадратів струмів усіх фаз S{i2(t)} буде мати трансформатор), роз'єднувач 2, за допомогою характер, показаний на Фіг.5, а значення якого живлення від трансформатора 1 подається коефіцієнта Ks, що характеризує співвідношення на розподільний шинопровід 3, відвідні максимального значення суми квадратів струмів магістральні шинопроводи 4 і 5. До магістрального Smax{i2(t)} до мінімального значення Smin{i2(t)}, буде шинопроводу 5 підключений магістральний дорівнювати 2,7. Через те, що значення вимикач 6 (ВА1) з мікропроцесорним (3) 9 81981 10 коефіцієнта Ks виявляється більше 1,4, являється складною при використанні в відбувається автоматичне збільшення струму розчеплювачах мікропроцесорної елементної уставки від значення Isd до величини Isd1. У зв'язку бази. з тим, що значення струмової уставки Isd1 більше З ура хуванням викладеного вище на Фіг.6 за величину пускового струму І пд, вимикач 6 не наведений відповідний алгоритм реалізації відключиться, запуск електродвигуна 13 мікропроцесорним розчеплювачем вимикача відбудеться успішно і буде забезпечена функції захисту електричних кіл від віддалених КЗ безперебійність живлення усіх фідерів. шляхом «відстроювання» від пускових струмів Комутаційне положення магістрального і електродвигунів, заснований на аналізі значень Ks. фідерного вимикачів системи захисту в процесі Алгоритм роботи мікропроцесорного запуску електродвигуна і після його запуску розчеплювача передбачає виконання наступних показано в правій частині Фіг.5. операцій і їх послідовність: У розглянутих ви ще випадках роботи системи 1. Ковзне, з витисненням попередніх значень, захисту при виникнення КЗ наприкінці лінії (точка запам'ятовування струмів «передісторії» (іпрл ; іпрс 9) або пуску електродвигуна 13, підключеного на та іпрп) за попередній період (поз.1); початку лінії, усі фідерні лінії 10 залишалися не 2. Ковзне, з витисненням попередніх значень, підключеними до лінії 8. Це значить, що через визначення діючих значень фазного струму (Іф ) у вимикач 6 не протікав струм передісторії Іпр, тобто кожнім з полюсів вимикача - л, с та п (поз.2); струм, обумовлений навантаженнями інших 3. Визначення струму перевищення Dі і фідерів 10. квадратів S(Di2) у трьох полюсах вимикача (поз.3); При протіканні через вимикач 6 струму 4. Визначення поточного значення коефіцієнта передісторії Іпр, значення коефіцієнта Ks, будуть Ks (поз.4); відрізнятися від тих, які були зазначені вище, для 5. Перевірка граничної умови наявності в колі випадку без урахування струму передісторії трифазного струму - визначення діючого значення (Ks=1,2 і 2,7). При цьому можливі випадки, коли струму перевищення DІф у кожній з фаз і розходження у величині Ks при запуску порівняння їх із середнім значенням струмів усіх електродвигуна і віддаленному КЗ буде не таким трьох фаз (поз.5); значним, а отже, селекція зазначених випадків 6. Порівняння поточного значення Ks із буде менш надійною. установленим значенням його уставки Ksd1 і за Для правильного аналізу і наступного умови Ks