РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Брындин А. И. – студент группы 8Э-61, Гизбрехт О. П. – студент группы Э-31, Белицын И. В. – к.п.н., доцент РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Первые эксперименты человека с электричеством и созданием цепей для прохождения тока сопровождались короткими замыканиями и неисправностями, во время которых приобретался опыт и знания, выявлялись закономерности протекающих процессов и вырабатывались правила эксплуатации. На основе анализа допущенных ошибок начали создаваться устройства, предохраняющие оборудование и людей от электрического воздействия. Первыми такими приборами стали плавкие предохранители, которые перегорали при создании критических нагрузок, разрывая цепи электрического тока.

Более сложные защитные конструкции начали массово внедряться после 1891 года, когда в России по проекту Михаила Осиповича Доливо-Доброволь­ского успешно транспортировали 220 кВт электрической энергии на 175 км с КПД в 77% на основе трехфазной системы напряжения, разработанной этим же ученым.

В основу работы защит был положен принцип реле — устройств, которые постоянно отслеживают какой-либо электрический параметр сети, а при достижении им критических величин срабатывают: резко меняют свое первоначальное состояние, коммутируя электрическую схему.

Первые устройства защит выполнялись на основе электромеханических конструкций реле, а специалистов, занимающихся их эксплуатацией, стали называть термином «релейщики», который действует до настоящего времени.

Короткое замыкание (КЗ) – электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Также, коротким замыканием называют состояние, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания.

Основной причиной возникновения коротких замыканий является нарушения изоляции электрооборудования.

Нарушения изоляции вызываются:

• перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями);
• прямыми ударами молнии;
• старением изоляции;
• механическими повреждениями изоляции, проездом под линиями негабаритных механизмов;
• неудовлетворительным уходом за оборудованием;
• набросы посторонних предметов на токоведущие части;
• ошибочные действия персонала.

Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок являются неквалифицированные действия обслуживающего персонала.

При коротком замыкании резко и многократно возрастает сила тока, протекающего в цепи, что, согласно закону Джоуля — Ленца приводит к значительному тепловыделению, и, как следствие, возможно расплавление электрических проводов, с последующим возникновением возгорания и распространением пожара.

Последствия коротких замыканий следующие:

- механические и термические повреждения электрооборудования;

- возгорания в электроустановках;

- снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их;

- выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы и возникновение аварий, включая системные аварии.

Рисунок 1 – Виды коротких замыканий

Рисунок 2 – Изменение тока трехфазного короткого замыкания и его составляющих для случая возникновения максимального значения апериодической составляющей

Короткое замыкание в одном из элементов энергетической системы способно нарушить её функционирование в целом – у других потребителей может снизиться питающее напряжение, что может привести к повреждению устройства; в трёхфазных сетях при коротких замыканиях возникает асимметрия напряжений, нарушающая нормальное электроснабжение. В больших энергосетях короткое замыкание может вызывать тяжёлые системные аварии.

Основные защиты, применяемые в релейной защите:

• токовая защита – ненаправленная или направленная (МТЗ, ТО, МТНЗ);
• защита минимального напряжения (ЗМН);
• газовая защита (ГЗ);
• дифференциальная защита;
• дистанционная защита (ДЗ);
• дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ).
• Виды защит по напряжению:
• защиты минимального напряжения;
• защиты максимального напряжения.
• Виды токовых защит:
• максимальная токовая защита и токовая отсечка;
• дифференциальная защита.

Рассмотрим принцип действия последнего вида защит.

Токовая отсечка – вид релейной защиты, действие которой связано с повышением значения силы тока на защищаемом участке электрической сети.

Устройства данной защиты контролируют величину силы тока на защищаемом участке. В случае увеличения силы тока выше определённого значения защита срабатывает на отключение этого участка.

Значение величины силы тока, при котором срабатывает защита, называется уставка.

Уставку обычно выбирают таким образом, чтобы цепь обесточилась быстрее, чем в ней произойдут какие-либо разрушения. Реализуют токовую отсечку разными способами. Чаще всего для отключения применяют электромагнитные реле тока, в которых под воздействием электромагнитной силы замыкаются контакты, выдавая сигнал на отключение выключателя защищаемого элемента. По тому же принципу действуют различные автоматические выключатели. Температура, повышающаяся за счет электрического тока, является воздействующей величиной для других защитных электрических аппаратов — предохранителей. При достижении определённого значения температуры плавкая вставка в предохранителе разрушается, обрывая электрическую цепь.

Максимальная токовая защита (МТЗ) – вид релейной защиты, действие которой связано с увеличением силы тока в защищаемой цепи при возникновении короткого замыкания на участке данной цепи. Данный вид защиты применяется практически повсеместно и является наиболее распространённым в электрических сетях.

Принцип действия МТЗ аналогичен принципу действия токовой отсечки. В случае повышения силы тока в защищаемой сети защита начинает свою работу. Однако, если токовая отсечка действует мгновенно, то максимальная токовая защита даёт сигнал на отключение только по истечении определённого промежутка времени, называемого выдержкой времени. Выдержка времени зависит от того, где располагается защищаемый участок. Наименьшая выдержка времени устанавливается на наиболее удалённом от источника участке. МТЗ соседнего (более близкого к источнику энергии) участка действует с большей выдержкой времени, отличающейся на величину, называемую ступенью селективности. Ступень селективности определяется временем действия защиты. В случае короткого замыкания на участке срабатывает его защита. Если по каким-то причинам защита не сработала, то через определённое время (равное ступени селективности) после начала короткого замыкания сработает МТЗ более близкого к источнику участка и отключит как повреждённый, так и свой участок. По этой причине важно, чтобы ступень селективности была больше времени срабатывания защиты, иначе защита смежного участка отключит как повреждённый, так и рабочий участок до того, как собственная защита повреждённого участка успеет сработать. Однако важно так же сделать ступень селективности достаточно небольшой, чтобы защита успела сработать до того, как ток короткого замыкания нанесёт серьёзный ущерб электрической сети.

Уставку (или величину тока, при которой срабатывает защита) выбирают, исходя из наименьшего значения тока короткого замыкания в защищаемой сети (при разных повреждениях токи короткого замыкания отличаются). Однако при выборе уставки следует так же учитывать характер работы защищаемой сети. Например, при самозапуске электродвигателей после перерыва питания, значение силы тока в сети может быть выше номинального, и защита не должна его отключать.

Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного действия и отсечки с выдержкой времени. В отличие от максимальной токовой защиты селективность действия токовой отсечки достигается не выдержкой времени, а мгновенно. Для этого ток срабатывания отсечки отстраивается не от тока нагрузки, а от тока к. з. при к. з. в конце защищаемой линии.

Селективность действия МТЗ достигается выдержкой времени. Максимальная токовая защита является наиболее простой и дешевой защитой и поэтому широко применяется для защиты генераторов, трансформаторов, электродвигателей и линий электропередачи с односторонним, а в ряде случаев и с двусторонним питанием.

Дифференциальная защиита – один из видов релейной защиты, отличающийся абсолютной селективностью и выполняющийся быстродействующей (без искусственной выдержки времени). Применяется для защиты трансформаторов, автотрансформаторов, генераторов, генераторных блоков, двигателей, воздушных линий электропередачи и сборных шин (ошиновок). Различают продольную и поперечную дифференциальные защиты.

Рисунок 3 – Схема дифференциальной защиты

Принцип действия продольной дифференциальной защиты основан на сравнении токов, протекающих через участки между защищаемым участком линии (или защищаемом аппаратом). Для измерения значения силы тока на концах защищаемого участка используются трансформаторы тока (TA1, TA2). Вторичные цепи этих трансформаторов соединяются с токовым реле (KA) таким образом, чтобы на обмотку реле попадала разница токов от первого и второго трансформаторов.

В нормальном режиме значения величины силы тока вычитаются друг из друга, и в идеальном случае ток в цепи обмотки токового реле будет равен нулю. В случае возникновения короткого замыкания на защищаемом участке, на обмотку токового реле поступит уже не разность, а сумма токов, что заставит реле замкнуть свои контакты, выдав команду на отключение поврежденного участка.

В реальном случае через обмотку токового реле всегда будет протекать ток отличный от нуля, называемый током небаланса.

Следует отметить, что современные микропроцессорные устройства защиты способны учитывать эту разницу самостоятельно, и при их использовании, как правило, вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока соединяют звездой на обоих концах защищаемого участка, указав это в настройках устройства защиты.

Принцип действия поперечной дифференциальной защиты так же заключается в сравнении значений токов, но в отличие от продольной, трансформаторы тока устанавливаются не на разных концах защищаемого участка, а на разных линиях, отходящих от одного источника (например, на параллельных кабелях, отходящих от одного выключателя). Если произошло внешнее короткое замыкание, то данная защита его не почувствует, так как разность значений силы тока, измеряемых на этих линиях, будет практически равна нулю. В случае же короткого замыкания непосредственно на одном из защищаемых кабелей разница токов не будет равняться нулю, что даст основание для срабатывания защиты.

Принцип действия заключается в заблаговременном обнаружении, предсказывании возникновения токов короткого замыкания на линиях. Данная установка позволяет обесточивать линию до возникновения короткого замыкания в сети.

Аппаратная часть установки состоит из следующих элементов: трансформатор тока; осциллограф arduino; цифровая платформа arduino; блок отключения цепи.

При помощи трансформатора тока осуществляется контроль характеристик значений токов в цепи. При помощи цифрового осциллографа производим построение кривой тока, далее производится обработка полученных данных цифровой платформой Arduino, и передача управляющего сигнала на блок отключения цепи.

Рисунок 4 - Блок-схема работы устройства.

Таблица 1 - Характеристики цифровой платформы Arduino

Ниже представлены формулы, по которым будет представлена математическая модель программы.

       (1)

                       (2)

       (3)

               (4)

                                       (5)

       (6)

                               (7)

                                                                               (8)

                                                                               (9)

                                                                                       (10)

                                                                               (11)

                                                                                       (12)

                                                                               (13)

                                                                               (14)

                                                               (15)

                                                               (16)

                                               (17)

Основываясь на показаниях осциллографа, вычислено значение коэффициента мощности и найден тангенс этого угла. Подставляя полученное значение в выражение:

                                                                               (18)

Вычисляем пиковое значение тока короткого замыкания, при котором мы подаем сигнал на отключение.

Данная установка позволит предотвратить коммутацию токов короткого замыкания, за счет своевременного обнаружения и подачи сигнала на отключающее устройство. Все это позволяет выполнить высокая тактовая частота цифровой платформы Arduino, равная 16 МГц.