Защита плавкими предохранителями

 

В сетях напряжением 35 кВ весьма распространены подстанции без выключателей со стороны высшего напряжения. Довольно час­то вместо выключателей устанавливают стреляющие (газогенерирующие) плавкие предохранители, которые являются простейшими устройствами коммутации и защиты, выполняющими функции и выключателя, и релейной защиты. Использование предохранителей в сетях напряжением 110 кВ пока не обосновано.

При наличии предохранителя включение и отключение тока хо­лостого хода трансформатора производится разъединителем, а га­зовая защита действует на сигнал. В системах электроснабжения наибольшее применение получили высоковольтные предохранители типа ПК для защиты трансформаторов с высшим напряжением 6 (10) кВ. Обычно они устанавливаются вместе с выключателями нагрузки типа ВНП. При этом отключение и включение трансфор­матора осуществляют выключателем нагрузки, а предохранители выполняют функции токовой защиты. При внутренних витковых повреждениях токи, проходящие по предохранителю, обычно недо­статочны для его срабатывания. Выключатель нагрузки способен коммутировать такие токи. Поэтому при наличии на трансформа­торе газовой защиты, срабатывающей при витковых замыканиях, ее целесообразно выполнить с действием не на сигнал, а на отклю­чение выключателя нагрузки.

Применение предохранителей значительно удешевляет и упро­щает установку. Однако предохранитель является несовершенным аппаратом. Он несовершенен прежде всего как защитное устройст­во и является причиной неполнофазных режимов. Этим, в частнос­ти, ограничивается мощность защищаемого трансформатора. В се­тях напряжением 10 кВ она не превышает 750 кВА [63]. Для предотвращения срабатывания предохранителя в нормальном ре­жиме и при бросках тока намагничивания трансформатора плав­кую вставку предохранителя выбирают с номинальным током

 

I _вс.ном ≈ (1,5÷2) I _т.ном .                                                                (13.1)                

 

 Однако условие (13.1) не является достаточным для обеспече­ния надежной защиты трансформатора и исключения неселектив­ных действий предохранителя. Выбор плавкой вставки должен производиться также с учетом обеспечения термической стой­кости и допустимой эксплуата­ционной и аварийной перегруз­ки трансформатора; селективного действия предохранителя F с за­щитами линий, отходящих от шин низшего напряжения (защита А1 на рис. 13.1); селективного дей­ствия предохранителя F с защи­тами А2 питающей линии.

Обеспечение термической стой­кости. Согласно ГОСТ 11677—75*, для масляных трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками допустимая длительность прохождения тока при повреждении за трансформатором (с) t _доп < 1500/ k ² (но не более 4 с для трансформаторов до 35 кВ и ниже и не более 3 с для трансформаторов 110 кВ и выше). Здесь k = I ⁽³⁾_{к.вн.mах}/ I _т.ном — отношение максимального тока при внешнем коротком замыкании к но­минальному току трансформатора. Для выполнения этого условия полное время отключения трансформатора t не должно превышать времени t _доп.

Необходимо иметь в виду, что термическая стойкость трансфор­матора, защищаемого предохранителем, может быть не обеспече­на при неполнофазных режимах, возникающих, например, при двухфазных коротких замыканиях за трансформатором.

Обеспечение допустимой аварийной и эксплуатационной пере­грузки. В аварийных режимах допускается перегрузка масляных трансформаторов до 40 % сверх номинального тока общей продолжительностью не более 6 ч в сутки в течение 5 сут [63]. Это усло­вие определяет низший предел выбора номинального тока плавкой вставки, т.е. I _вс.ном > 1,4 I _т.ном. При этом обеспечивается также допустимая эксплуатационная перегрузка трансформаторов.

Обеспечение селективного действия предохранителя с защита­ми, отходящими от шин низшего напряжения линий. В общем слу­чае согласование защитной характеристики предохранителя с защитами отходящих линий приходится выполнять для двух режи­мов: трехфазного короткого замыкания на шинах низшего напря­жения (точка К1 на рис. 13.1, а) и перегрузки. В случае короткого замыкания селективность должна обеспечиваться при максимальном токе I ⁽³⁾ _к.внmах. Учитывая разброс защитной характеристики по току и необходимый запас, ток плавкой вставки, при котором про­изводят согласование, определяют с учетом коэффициента запаса k _зап = 1,3, т. е. I _вс = 1,3 I⁽³⁾ _{к.вн.mах}. При этом токе плавкая вставка должна перегореть за время t _пp > (t _з1 + Δt ₁), где t _з1 — выдержка времени защиты А1 при токе I⁽³⁾ _к.внmах; Δt₁ — ступень селективности, принимаемая равной 0,6—0,7 с.

Производя согласование защитной характеристики предохрани­теля при перегрузках, необходимо учитывать, что через предохра­нитель кроме тока перегруженной линии проходят токи нагрузки других отходящих от шин линий.

Обеспечение селективного действия предохранителя с защитой питающей линии. Защита питающей линии может выполняться как с зависимой, так и с независимой характеристикой выдержки вре­мени. И в том и в другом случае селективность должна сохранять­ся при изменении тока от значения I _с.з до значения I _к при повре­ждении на выводах высшего напряжения трансформатора (точка К2 на рис. 13.1, а). Характеристика защиты или вообще не зависит от тока, или идет более полого, чем защитная характеристика пре­дохранителя. Поэтому если для согласования принять ток I _к, то с уменьшением тока характеристики предохранителя 1 и защит 2, 3 будут сближаться (рис. 13.1, б) и селективность может не обеспе­чиваться. Очевидно, если достичь селективного действия при токе срабатывания защиты, то с увеличением тока селективность будет обеспечиваться автоматически.

Так как предохранитель и защита имеют разброс по току, то при согласовании обычно принимают I _вс = 0,7 I _с.з. При таком токе плавкая вставка должна, перегореть за время t _пр < t _з2 — Δt ₂, где t _з2 — выдержка времени защиты, соответствующая ее току сраба­тывания; Δt ₂ = 0,5÷0,7 с — ступень селективности, учитывающая время горения дуги и разброс защиты по времени.

Расчеты показывают [28,65, 66, 67], что при выборе предохрани­телей практически невозможно достичь удовлетворения всех ука­занных требований. Предохранитель, установленный со стороны высшего напряжения, не защищает трансформатор от перегрузок. Для этого приходится или использовать предохранитель, установ­ленный на стороне низшего напряжения трансформатора, или пре­дусматривать защиту при наличии со стороны выводов низшего напряжения коммутационного аппарата. О неспособности предо­хранителя защитить трансформатор от перегрузки можно заклю­чить из рассмотрения рис. 13.2, а, на котором построены защитная характеристика стандартного предохранителя типа ПК-10 (кривая 1) и характеристика термической стойкости трансформатора (кри­вая 2). Построение выполнено для I _вс.ном = 2I _{т. ном}. При этом кратность перегрузки трансформатора

 

  k = I _пер / I _т.ном = I _пер / (0,5I _вс.ном).

 

Характеристики пересекаются в точке А, т. е. при k < 8 предо­хранитель не защищает трансформатор. Кроме того, во многих случаях невозможно достичь необходимых селективности и чувст­вительности. Так, например, невозможно согласовать действие стреляющих предохранителей с максимальной токовой защитой питающей линии 35 кВ. Согласование с токовыми отсечками этой линии обеспечивают предохранители с плавкими вставками на но­минальные токи не более I _вс.ном=75 А, что соответствует макси­мальной мощности защищаемого трансформатора, равной 1 MBA. При согласовании предохранителей с защитами отходящих от шин низшего напряжений линий их селективное действие обеспечивает­ся, если мощность защищаемого трансформатора не превышает 2,5 MBА. В связи с этим как исключение приемлемым считается обеспечение селективности между предохранителем и защитой пи­тающей линии при коротком замыкании на стороне высшего на­пряжения трансформатора.

Для предохранителя типа ПСН характерны также частые лож­ные срабатывания из-за неточности и ограниченности возможнос­тей выбора плавких вставок и их механической повреждаемости при установке в патрон. Неточность выбора плавких вставок связа­на с использованием защитных характеристик, построенных в ло­гарифмическом масштабе. Механические повреждения вызваны несовершенством конструкции плавкой вставки.

Для опытных конструкций плавких вставок предохранителя ПСН-35 на основе метода выравнивания и способа средних (см. § 5.3) получена эмпирическая система неравенств, позволяю­щая выбрать площадь сечения плавкой вставки s_вс (мм²) без ис­пользования защитных характеристик [19]:

			13.2

s_вс > 0,00478 I _вс1 t ^0,5_з1 – 0,384;

s_вс < 0,00303 I _вс2 t ^0,5_з2 – 0,384.

 

Здесь I _вс1 и I _вс2 — токи (А), при которых согласуют соответ­ственно время перегорания предохранителя с временем действия t _з1 защиты линий низшего напряжения и время перегорания предохранителя с временем действия t _з2 защиты питающей линии.

Система неравенств (13.2) получена с учетом возможного раз­броса характеристик ±10 % по току и ±25 % по времени при усло­вии, что I _{в.с ном} = 2I _т.ном. Она справедлива при сечении вставок более 0,48 мм² и времени до 3 с.

Аналогичные неравенства можно получить для любых плавких вставок на основе их защитных характеристик.

Отметим, что предложенный метод только упрощает выбор плавких вставок. Здесь, как и при непосредственном использовании защитных характеристик, не удается получить удовлетворения всех указанных выше требований, так как к плавкой вставке предохранителя предъявляются противоречивые требования. Действительно, для согласования с защитами питающей линии сечения и номи­нальный ток плавкой вставки следует уменьшать, а для согласования с защитами присоединений, отходящих от шин низшего напряжения, увеличивать. При нали­чии на присоединениях устройств АПВ возможность согласования уменьшается, так как приходится учитывать повторные включения на неустранившееся корот­кое замыкание. Это в свою очередь требует дальнейшего увеличения сечения и номинального тока плавкой вставки. Следует, однако, сказать, что до сих пор плавкие вставки выбирают без учета АПВ. Это безусловно может приводить к нарушению их селективности. Ниже предлагается одна из возможных методик учета АПВ при выборе плавких вставок.

На рис. 13.2, б показан характер изменения действующего значения тока в плавкой вставке I _к без учета тока нагрузки при многократном неуспешном АПВ. Из рисунка следует, что плавкая вставка работает в повторно-кратковре­менном режиме. Для этого режима можно найти эквивалентный ток I _э, который, проходя по плавкой вставке в течение времени t _к + t _п , вызовет тот же ее на­грев υ₁, что и действительный ток I _к в течение времени t _к.

Здесь t _к = t _з1 + t _о.в, t _п ⁼ t _АПВ1 + t _в.в.

Известно, что установившееся превышение температуры υ_у = I ². Поэтому

 

I² _к (1 - ) = I² _э (1 - )

или

I _э = I _к

 

При известном значении постоянной времени нагрева плавкой вставки Т можно определить I _э и далее для соответствующего t _э = п(t _к + t _п ) выбрать по защитным характеристикам номинальный ток плавкой вставки. Коэффициент п = k _АПВ + 1, где k _АПВ — кратность АПВ.

Влияние АПВ на выбор номинального тока плавкой вставки можно учесть иначе. Для этого необходимо найти суммарное время t _Σ = t _к + t _дп, в течение которого ток I _к нагреет плавкую вставку так же как и в повторно-кратковремен­ном режиме при неуспешном многократном АПВ. Такой же нагрев вызывает ток I _э за время n (t _к + t _п) (рис.13.2, в). Поэтому

 

I² _э (1 - ) = I² _к (1 - ).

Используя полученное выше соотношение между I _к и I _э и производя преобразования, окончательно получим

 

T _ДП = Т ln

Дополнительное время t _дп при прочих равных условиях увеличивается с увели­чением кратности АПВ и может в зависимости от соотношения t _к и t _п достигать или даже превышать t _к. Так, например, при t _к=0,2 с, t _п=0,8 с, Т = 3 с до­полнительное время t _дп = 0,15 с при n = 2 и t _дп = 0,27 с при n = 3. Для определения t _дп , необходимо знать значение постоянной времени нагрева плавкой вставки Т. Поэтому, наряду с другими характеристиками предохранителей и плавких вставок заводом-изготовителем должны быть указаны и значения по­стоянной времени нагрева Т для каждой плавкой вставки.