Czym jest selektywność zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych

Podczas eksploatacji i projektowania obwodu elektrycznego zawsze zwraca się uwagę na kwestie jego bezpiecznego użytkowania. W tym celu wszystkie urządzenia elektryczne są chronione specjalnymi urządzeniami, które są dobierane i umieszczane ściśle według określonej relacji hierarchicznej.

Na przykład, gdy ładuje się telefon komórkowy, jego przepływ jest kontrolowany przez zabezpieczenie wbudowane w akumulator. Odcina prąd ładowania pod koniec narastania pojemności. Gdy wewnątrz akumulatora wystąpi zwarcie, bezpiecznik zainstalowany w ładowarce przepala się i rozłącza obwód.

Jeśli z jakiegoś powodu tak się nie stanie, to usterka w gniazdku jest kontrolowana przez wyłącznik na panelu mieszkania, a jego działanie jest ubezpieczone przez główną maszynę. Ta sekwencja alternatywnych działań obronnych może być rozważona dalej.

Jej modele determinuje zasada selektywności, zwana też selektywnością, kładąca nacisk na funkcję wyboru lub określenia miejsca uszkodzenia do wyłączenia.

Rodzaje selektywności

Metody selektywności zabezpieczeń elektrycznych powstają podczas tworzenia projektu i są utrzymywane podczas eksploatacji w taki sposób, aby szybko zidentyfikować miejsce wystąpienia usterki w sprzęcie elektrycznym i oddzielić go od obwodu roboczego z najmniejszymi dla niego stratami.

W tym przypadku obszar ochrony dzieli się według selektywności na:

1. absolutny;

2. krewny.

Pierwszy rodzaj ochrony całkowicie kontroluje obszar roboczy i tylko w nim naprawia uszkodzenia. Wbudowane urządzenia elektryczne działają w tym modelu. wyłączniki automatyczne.

Urządzenia zbudowane na zasadzie względnej pełnią więcej funkcji. Wykluczają zwarcia w swojej strefie i sąsiednich, ale gdy nie zadziałały w nich zabezpieczenia typu bezwzględnego.

Dobrze dostrojona ochrona definiuje:

1. lokalizacja i rodzaj uszkodzenia;

2. różnica między trybem nienormalnym, ale dopuszczalnym, a sytuacją, która może spowodować bardzo poważne uszkodzenie wyposażenia instalacji elektrycznej na kontrolowanym obszarze.

Urządzenia skonfigurowane tylko w pierwszej akcji zwykle działają w sieciach niekrytycznych do 1000 woltów. Dla instalacje elektryczne wysokiego napięcia spróbuj zastosować obie zasady. W tym celu ochroną objęte są:

• schematy blokujące;

• precyzyjne urządzenia pomiarowe;

• systemy wymiany informacji;

• specjalne algorytmy logiczne.

Zabezpieczenie przed przetężeniem przekraczającym obciążenie znamionowe z jakiegokolwiek powodu jest zapewnione między dwoma wyłącznikami połączonymi szeregowo.W takim przypadku wyłącznik znajdujący się najbliżej użytkownika z usterką musi wyłączyć awarię poprzez rozwarcie styków, a zdalny musi nadal dostarczać napięcie do swojej sekcji.

W tym przypadku rozważane są dwa rodzaje selektywności:

1. zakończone;

2. częściowy.

Jeżeli zabezpieczenie znajdujące się najbliżej miejsca zwarcia jest w stanie całkowicie wyeliminować zwarcie w całym zakresie nastaw bez wyzwalania wyłącznika zdalnego, to uznaje się je za zakończone.

Częściowa selektywność jest nieodłącznym elementem zabezpieczeń krótkodystansowych skonfigurowanych do działania do pewnej granicznej selektywności Is. Jeśli zostanie przekroczony, uruchamia się zdalny włącznik.

Strefy przeciążeniowe i zwarciowe w zabezpieczeniach selektywnych

Limity prądu określone dla operacji automatyczne wyłączniki bezpieczeństwa, dzielą się na dwie grupy:

1. tryb przeciążenia;

2. obszar zwarcia.

Dla ułatwienia wyjaśnienia ta zasada dotyczy charakterystyki prądowej wyłączników automatycznych.

Przeznaczone są do pracy w strefie przeciążenia prądami znamionowymi do 8 ÷ 10 razy.

W tym obszarze działają głównie wyzwalacze termiczne lub termomagnetyczne. Prądy zwarciowe bardzo rzadko wpadają w tę strefę.

Strefie wystąpienia zwarcia towarzyszą zwykle prądy przekraczające 8 ÷ 10 razy obciążenie znamionowe wyłączników i charakteryzują się poważnym uszkodzeniem obwodu elektrycznego.

Aby je wyłączyć, stosuje się wyzwalacze elektromagnetyczne lub elektroniczne.

Metody tworzenia selektywności

Dla zakresu nadprądowego tworzone są zabezpieczenia działające na zasadzie czasowo-prądowej selektywności.

Strefę zwarcia tworzy się na podstawie:

1. prąd;

2. tymczasowy;

3. energia;

4. selektywność obszarowa.

Selektywność czasowa jest tworzona poprzez wybór różnych opóźnień czasowych dla działania zabezpieczającego. Metodę tę można zastosować nawet do urządzeń z tym samym ustawieniem prądu, ale różnymi taktowaniami, jak pokazano na rysunku.

Np. znajdujące się najbliżej urządzenia zabezpieczenie nr 1 ustawione jest na zadziałanie w przypadku zwarcia z czasem zbliżonym do 0,02 s, a jego działanie zapewnia bardziej oddalone zabezpieczenie nr 2 z nastawą 0,5 s.

Najdalsze zabezpieczenie z czasem wyłączenia do jednej sekundy wspiera działanie poprzednich urządzeń w przypadku ewentualnej awarii.

Selektywność prądowa regulowana do pracy przy przekroczeniu dopuszczalnych obciążeń. Z grubsza tę zasadę można wyjaśnić za pomocą następującego przykładu.

Trzy zabezpieczenia połączone szeregowo monitorują prąd zwarciowy i są skonfigurowane do działania z czasem 0,02 s, ale z różnymi ustawieniami prądu 10, 15 i 20 amperów. Dlatego sprzęt zostanie najpierw odłączony od urządzenia zabezpieczającego nr 1, a nr 2 i nr 3 będą go selektywnie ubezpieczać.

Realizacja selektywności czasowej lub prądowej w najczystszej postaci wymaga zastosowania czułych czujników prądu i czasu lub przekaźników. W takim przypadku powstaje dość złożony obwód elektryczny, który w praktyce zwykle łączy obie rozważane zasady i nie jest stosowany w czystej postaci.

Selektywność zabezpieczenia czasowo-prądowego

Do ochrony instalacji elektrycznych o napięciu do 1000 woltów stosuje się automatyczne przełączniki, które mają połączoną charakterystykę czasowo-prądową.Przeanalizujmy tę zasadę na przykładzie dwóch połączonych szeregowo maszyn znajdujących się na końcach linii po stronie obciążenia i zasilania.

Selektywność czasowa określa, w jaki sposób wyłącznik jest ustawiony na wyzwalanie, gdy znajduje się w pobliżu odbiornika, a nie na końcu generatora.

Lewy wykres przedstawia przypadek najdłuższego czasu zadziałania górnej krzywej zabezpieczenia po stronie obciążenia, a prawy najkrótszy czas zadziałania wyłącznika po stronie zasilania. Pozwala to na dokładniejszą analizę przejawów selektywności zabezpieczeń.

Przełącznik „B” umieszczony bliżej zasilanych urządzeń dzięki zastosowaniu selektywności czasowo-prądowej działa wcześniej i szybciej, a przełącznik „A” podtrzymuje go w przypadku awarii.

Bieżąca selektywność ochrony

W tej metodzie selektywność można kształtować tworząc określoną konfigurację sieci, np. w obwodzie kabla lub napowietrznej linii elektroenergetycznej, która ma opór elektryczny. W tym przypadku wartość prądu zwarciowego między generatorem a odbiorcą zależy od miejsca zwarcia.

Na końcu zasilającym kabla będzie on miał maksymalną wartość powiedzmy 3 kA, a na przeciwległym końcu minimalną wartość powiedzmy 1 kA.

W przypadku zwarcia w pobliżu wyłącznika A, zabezpieczenie końcówki B (I kz1kA) nie powinno zadziałać, wówczas powinno odłączyć napięcie od urządzenia. Dla prawidłowego działania zabezpieczeń konieczne jest uwzględnienie wielkości rzeczywistych prądów przepływających przez wyłączniki w trybie awaryjnym.

Należy rozumieć, że dla zapewnienia pełnej selektywności tą metodą konieczna jest duża rezystancja między dwoma przełącznikami, która może powstać w wyniku:

• rozbudowana linia energetyczna;

• umiejscowienie uzwojenia transformatora;

• włączenie do przerwy kabla o zmniejszonym przekroju lub w inny sposób.

Dlatego przy tej metodzie selektywność jest często częściowa.

Selektywność czasowa zabezpieczenia

Ta metoda selektywności zwykle uzupełnia poprzednią metodę, biorąc pod uwagę czasy:

• określenie przez ochronę miejsca i początek rozwoju uskoku;

• wyzwalacz przy wyłączaniu.

Tworzenie algorytmu działania zabezpieczającego odbywa się ze względu na stopniową zbieżność nastaw prądu i czasu, w jakim prądy zwarciowe przemieszczają się do źródła zasilania.

Selektywność czasową mogą zapewnić maszyny o tych samych prądach znamionowych, jeśli mają one możliwość dostosowania opóźnienia odpowiedzi.

Dzięki tej metodzie zabezpieczenia przełącznika B awaria zostaje wyłączona, a przełącznik A — sterują całym procesem i są gotowe do pracy. Jeżeli w czasie przeznaczonym na zadziałanie zabezpieczeń B zwarcie nie zostanie usunięte, usterka zostanie usunięta przez zadziałanie zabezpieczeń po stronie A.

Selektywność energetyczna zabezpieczeń

Metoda opiera się na zastosowaniu specjalnych nowych typów wyłączników, wykonanych w obudowie formowanej i zdolnych do zadziałania tak szybko, jak to możliwe, gdy prądy zwarciowe nie zdążyły nawet osiągnąć swoich maksymalnych wartości.

Automaty szybkości tego rodzaju działają przez kilka milisekund, podczas gdy przejściowe składowe aperiodyczne są nadal aktywne.W takich warunkach, ze względu na dużą dynamikę przepływu obciążeń, trudno jest skoordynować rzeczywiste charakterystyki czasowo-prądowe zabezpieczeń.

Użytkownik końcowy ma niewielki lub żaden ślad po charakterystyce selektywności energetycznej. Dostarcza je producent w postaci wykresów, programów obliczeniowych, tabel.

Metoda ta musi uwzględniać specyficzne warunki pracy wyzwalaczy termomagnetycznych i elektronicznych po stronie zasilania.

Strefowa selektywność obrony

Ten rodzaj selektywności jest rodzajem charakterystyki czasowej. Do jego działania wykorzystywane są z każdej strony urządzenia do pomiaru prądu, pomiędzy którymi stale wymieniane są informacje i porównywane są wektory prądu.

Selektywność strefową można kształtować na dwa sposoby:

1. Sygnały z obu końców monitorowanego obszaru są przesyłane do urządzenia monitorującego zabezpieczenia logiczne w tym samym czasie. Porównuje wartości prądów wejściowych i określa wyłącznik do otwarcia;

2. informacja o przeszacowanych wartościach wektorów prądów po obu stronach przychodzi w postaci sygnału blokującego do części logicznej zabezpieczenia na wyższym poziomie hierarchii po stronie zasilania. Jeśli pod spodem występuje sygnał blokujący, przełącznik downstream jest wyłączony. Gdy dolny zakaz wyłączenia nie zostanie odebrany, napięcie zostanie usunięte z górnego zabezpieczenia.

Dzięki tym metodom wyłączenie jest znacznie szybsze niż w przypadku selektywności czasowej. Gwarantuje to mniejsze uszkodzenia urządzeń elektrycznych, mniejsze obciążenia dynamiczne i termiczne w systemie.

Jednak metoda strefowania selektywności wymaga stworzenia dodatkowych złożonych układów technicznych do pomiarów, logiki i wymiany informacji, co zwiększa koszt sprzętu.Z tych powodów te techniki blokowania wysokiej częstotliwości są stosowane w liniach przesyłowych i stacjach wysokiego napięcia które przesyłają w sposób ciągły duże przepływy mocy.

W tym celu stosuje się szybkie wyłączniki powietrzne, olejowe lub SF6 zdolne do przełączania dużych obciążeń prądowych.