Максимальная токовая защита: советы от специалиста завода ТЕРРА

МТЗ (максимальная токовая защита) — это вид релейной защиты, который широко используется в электрических сетях. Ее действие связано с увеличением силы тока в защищаемой цепи при возникновении короткого замыкания. Ею оснащаются ЛЭП, силовые трансформаторы, кабельные линии и мощные двигатели. И кроме МТЗ, выделяют еще так называемые токовые отсечки.

В статье разберемся подробнее, что это такое. 

Устройство и принцип действия максимальной токовой защиты

Принцип действия МТЗ основан на комбинации использования максимального токового  реле и реле времени. 

Реле максимального тока предназначены для использования в схемах релейной защиты в качестве органа, реагирующего на увеличение тока в контролируемой цепи. Применяются для защиты электрических машин, трансформаторов и линий электропередачи при перегрузках и коротких замыканиях.

Реле времени (например, РЭВ 201) применяется как оборудование предпусковой сигнализации. Его используют на горно-обогатительных предприятиях и других промышленных комбинатах.

Общий принцип работы: если возникает короткое замыкание, ток в сети увеличивается. При превышении уставки срабатывания по току на защищаемой линии сначала срабатывает токовое реле. Оно замыкает контакты реле времени, которое по истечении заданного временного промежутка, в свою очередь, замыкает контакты промежуточного реле, мгновенно подающего сигнал на отключение линии. Выключатель переводится в положение "выключено".

Важно, что:

• При возникновении короткого замыкания отключение происходит не сразу, а с небольшой задержкой – это необходимо для предотвращения ложных срабатываний. Длительность задержки определяется таким образом, чтобы ток КЗ не повредил защищаемую линию. 

• После ликвидации причины, вызвавшей размыкание контактов, реле автоматически переводится в исходное положение.

Отличие от токовой отсечки

Токовая отсечка является разновидностью токовой защиты, обеспечивающей быстрое отключение участка, где произошло КЗ. Она выполняет ту же функцию, что и максимальная токовая защита – отключает линию при КЗ. Но у неё есть важное отличие: в отличие от МТЗ, мгновенная токовая отсечка (ТО) при возникновении КЗ отключает линию практически мгновенно. 

Зону и время действия мгновенной отсечки согласуют с зоной и временем действия токовой отсечки, с выдержкой времени для обеспечения селективности.

Ключевые достоинства мгновенной токовой отсечки – простота и надежность. Она позволяет мгновенно обесточить защищаемую цепь в критической ситуации и применяется, в частности, в бытовых электросетях. В качестве защиты могут применяться плавкие предохранители или автоматические выключатели с электронным расцепителем. 

Однако у этого типа защиты есть серьезный недостаток: она срабатывает даже при незначительном по времени превышении допустимых параметров. Чтобы возобновить подачу электроэнергии, нужно:

• устранить причину отключения;

• включить автомат или заменить предохранитель – для этого потребуется специалист в области электромонтажа.

Эти особенности не имеют существенного значения для бытовой электросети. Однако при защите разветвленных линий электропередач он будет критичным, поэтому токовая отсечка применяется совместно с МТЗ.

Примеры использования защиты

Токовая защита позволяет решать следующие задачи:

• защиту электросетей и кратковременных перегрузок;

• локализацию и обезвреживание межфазных коротких замыканий;

• обесточивание трансформаторов тока при возникновении аварийных ситуаций;

• дополнительную защиту при запуске мощного электрооборудования.

Один из бесспорных плюсов защиты максимальной токовой – эффективность при пуске двигателей. В этом случае особенно важна задержка по времени. 

Дело в том, что на старте происходит существенное увеличение пусковых токов, и защита может отреагировать на это как на аварийную ситуацию. Но принцип работы токовой защиты, как говорилось выше, подразумевает некоторую задержку срабатывания. 

За счет этого защитное устройство игнорирует кратковременное превышение допустимых параметров тока, причиной которого является пуск или самозапуск электродвигателей. Показатели тока приближаются к норме, причины для аварийного отключения исчезают, поэтому ложного срабатывания не происходит.

Выбор тока срабатывания защиты

Надежность и стабильность работы токовой защиты во многом зависят от того, насколько точно настроены параметры тока срабатывания. 

Реле должно обесточивать цепь в аварийной ситуации. Но при этом важно, чтобы на него не влияли параметры тока нагрузки, а также кратковременные всплески, вызванные, например, пуском двигателей. Увеличение тока нагрузки из-за самозапуска электродвигателей оценивают коэффициентом самозапуска (kсзп), показывающим, во сколько раз возрастает ток (Ip max). 

Ток срабатывания максимальной токовой защиты, т.е. минимальный ток в фазах линии, при котором защита срабатывает, выбирается больше максимального рабочего тока защищаемой линии, с учетом необходимости возврата защиты после отключения участка, где произошло КЗ.

Для отстройки МТЗ по максимальному рабочему току нагрузки (Iнmax) необходимо выполнить два условия:

где 

• Iв – ток возврата МТЗ (реле максимального тока); 

• k отс – коэффициент отстройки, учитывающий возможную погрешность в определении значения тока Iв (для реле РТ-40, РТ-80 и статистических реле kотс принимается равным 1,1 … 1,2);

• Iнmax - максимальный рабочий ток нагрузки

• kсзп - коэффициент самозапуска, учитывающий увеличение тока нагрузки из-за самозапуска электродвигателей;

• Ip max - максимальный ток нагрузки линии после отключения КЗ

С учетом того, что отношение Iв/ Iс.з (ток самозапуска электродвигателя) представляет собой коэффициент возврата kв, первое условие можно записать в виде: 

где

• Ip max - максимальный ток нагрузки линии после отключения КЗ;

• Iс.з - ток самозапуска электродвигателя. 

• kв=Iв/ Iс.з - коэффициент возврата - отношение значения величины отпускания (возврата) к значению величины срабатывания реле при самозапуске электродвигателя.

При преобладании двигательной нагрузки kсзп принимают равным 3 … 6, а при малой двигательной нагрузке – 1,5 … 2,0.

Ток срабатывания реле Iср. определяется, с учетом коэффициента трансформации трансформаторов тока kтт и схемы включения реле: 

где kсх – коэффициент схемы, равный отношению тока, проходящего в токовом реле защиты при симметричном режиме работы линии, к вторичному току ТТ защиты.

Чем выше коэффициент возврата, тем более чувствительной будет защита. Важно, чтобы она была эффективной, но при этом не вызывала частые неоправданные отключения.

Виды МТЗ

Есть несколько видов максимальной токовой защиты. Выбор между ними определяется условиями, которые необходимо создать для бесперебойной работы электрооборудования.

1. МТЗ с независимой от тока выдержкой времени. Вне зависимости от перегрузки, выдержка времени не меняется. При определении установки периода, достаточного для активации реле, учитывают ступени селективности.

2. МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени. В этом случае длительность выдержки зависит от величины тока и нескольких других параметров, причем зависимость не является линейной. При расчете обычно ориентируются на принцип «чем больше сила тока, тем быстрее производится отключение». МТЗ этого типа обеспечивает гибкое реагирование на аварийные ситуации и используется в цепях, где возможны опасные перегрузки.

3. МТЗ с ограниченно зависимой от тока выдержкой времени. Такая защита предполагает две ступени защиты – зависимую и независимую. Она эффективно реагирует как на малое превышение, так и на большой критический ток.

4. МТЗ с блокировкой минимального напряжения. Этот вид защиты оптимален, если нужно предотвратить отключение при пусковых токах. Уставка задается на падение напряжения, реле не будет реагировать на кратковременные резкие скачки тока в сети.

Примеры схем максимальной токовой защиты

Рассмотрим три самые популярные схемы максимальной токовой защиты. 

1. Двухфазная схема МТЗ с одним реле

Основное достоинство – экономичность. Недостатками являются:

• низкая надежность – МТЗ не будет работать, если единственное реле выйдет из строя;

• меньшая чувствительность, по сравнению с системами, в которых используются два реле.

2. Двухфазная схема МТЗ с двумя реле

Обеспечивает защиту от всех межфазных КЗ на линии. Основной минус, в сравнении с трехфазной схемой – более низкая чувствительность. 

3. Трехфазная схема МТЗ

Наиболее надежное решение. Реагируют на однофазные и межфазные КЗ, могут использоваться в сетях с глухозаземленной нейтралью.

МТЗ – не единственный вид защиты электрических цепей. Бесперебойная работа электросетей обеспечивается за счет использования комплексной защиты, в состав которой также могут входить автоматическая частотная разгрузка, дифференциально-фазная защита и другие решения.