Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем

элементов электрических сетей предохранителями и автоматическими выключателями (автоматами)

(время-токовые) характеристики плавких предохранителей типа НПР и НПН

цепи, питающей постоянную (слабо изменяющуюся) нагрузку.
kотс. = 1,1÷1,25 -

коэффициент отстройки (коэффициент
запаса).

Если предохранитель установлен в цепи, питающей переменную нагрузку (типичный пример - электродвигатель), то кроме первого условия используется и второе.

Iвс.ном ≥ Iпер. / kпер.

Iпер. – ток перегрузки. Для электродвигателя – пусковой ток;

kпер.- коэффициент, величина которого зависит от условий пуска:

Если время пуска tпуск ≤ 2÷3 с., пуск – легкий, и kпер.≈ 2,5;

Если tпуск - от 3 до 10 с., пуск – тяжелый, kпер.= 2 ÷ 1,5.

60269-1-98)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ПЛАВКИЕ НИЗКОВОЛЬТНЫЕ

ЧАСТЬ 1

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Номинальный ток плавкой вставки следует выбирать из следующих значений:


2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250 А.

условие – следующее:
Iвс.ном ≥ kотс. Σ Iраб.макс.i
i=1
n

для случая пуска наиболее мощного электродвигателя и режима нормальной работы

всех остальных потребителей, питание которых осуществляется через выбираемый предохранитель:

- для режима самозапуска оставшихся в работе электродвигателей, возникающего после отключения поврежденного потребителя, например – после отключения электродвигателя М1 предохранителем F2:

Iпер. = kодн. Σ Iраб.макс.i + Iпуск.макс.;

i=1

n-1

Iпер. = Σ Iпуск.j .

j=1

m

Задача 1. Ответвление от основной линии защищено предохранителем F2

с номинальным током плавкой вставки IВС.НОМ.F2 = 40 А. Максимальный ток КЗ в точке К1:

IКЗ.МАКС. = 650 А. Исходя из требований селективности определить наименьшее значение номинального тока плавкой вставки предохранителя F1, используемого для защиты основной линии. Погрешность предохранителей по времени отключения ± 50%. Для защиты используются предохранители ПН-2.

Решение. При согласовании защитных характеристик двух последовательно включенных предохранителей следует иметь в виду, что действительное время перегорания плавких вставок (t`F1 и t`F2) отличается от времени, полученной по защитной характеристике (tF1 и tF2). При этом исходят из худшего случая, считая, что предохранитель F1 имеет отрицательную погрешность (ΔtF1 = −0,5tF1), срабатывая с опережением, а предохранитель F2 имеет положительную погрешность (ΔtF2 = +0,5tF2), и срабатывает с запаздыванием. Тогда действительное время отключения КЗ предохранителем F1:

t`F1 = tF1 − ΔtF1 = tF1 − 0,5tF1 = 0,5tF1

t`F2 = tF2 + ΔtF2 = tF2 + 0,5tF2 = 1,5tF2

По защитной характеристике предохранителя с IВС.НОМ.F2 = 40 А , при токе КЗ 650 А, (смотри следующий слайд) находим:

tF2 = 0,02 с.

Условие селективной работы предохранителей:

t`F1 > t`F2

или

0,5tF1 > 1,5tF2 .

Окончательно имеем:

tF1 > 3tF2 .

Тогда

tF1 > 0,06 с.

По защитной характеристике видно, что при токе КЗ 650 А ближайший предохранитель, отвечающий этому условию, имеет ток плавкой вставки IВС.НОМ.F1 = 80 А .

НПН). Максимальный рабочий ток линии IРАБ.МАКС = 25 А.

Кратковременная перегрузка составляет IПЕР. = 72 А и длится 1 сек. Коэффициент надежности kотс. = 1,2 . Определить номинальный ток плавкой вставки. Защитная характеристика предохранителей дана ниже.

Защитные характеристики предохранителя ПН-2 – сплошные линии, предохранителя НПН – штриховые линии.

Задача 1.2. Используя условия задачи 1.1, определить номинальный ток плавкой вставки, если последовательно с предохранителем установлен магнитный пускатель. Минимальный ток КЗ в конце защищаемой линии
IКз.МИН = 300 А.

Задача 2. Сеть промышленного предприятия выполнена по

схеме, приведенной на рисунке. Асинхронные двигатели включены на напряжение 380 В, осветительная нагрузка – на 220 В. Нагрузка осветительной линии Л1 – 5 кВт, а Л2 – 20 кВт. Характеристики электродвигателей приведены в
таблице.

При повреждении в точке К1 ток КЗ IК1 = 450 А, при повреждении в точке К2 IК2 = 600 А.

Расставить в схеме предохранители типа ПН-2 и выбрать для них плавкие вставки. Принять kОТС = 1,2. Пуск двигателей – легкий.

Решение. 1. Расставляем предохранители в схеме и присваиваем им соответствующие обозначения:

2. Определяем номинальный ток плавкой вставки предохранителя F21:

=

10 / (√3∙ 0,38∙0,88∙0,875) = 19,7 А;

а) номинальный ток двигателя Д2:

б) пусковой ток двигателя Д2:

IД2. пуск = 5 ∙IД2. ном = 5 ∙19,7 = 99 А;

IF21. ном ≥ kотсIД2. ном = 1,2 ∙19,7 А = 23,6 А;

в) номинальный ток плавкой вставки выбирается по условиям:

IF21. ном ≥ IД2.пуск / kпер = 99 / 2,5 = 39,6 А.

Исходя из результатов выбираем номинальный ток плавкой вставки I ВС.НОМ.F21 = 40 А .

3. Определяем номинальный ток плавкой вставки предохранителя F22:

IЛ2.раб. макс = Sнагр / (√3∙U) = 20 / (√3∙ 0,38) = 30,5 А;

а) максимальный рабочий ток осветительной нагрузки Л2:

IF22. ном ≥ kотс IЛ2.раб. макс = 1,2 ∙30,5 А = 35,6 А;

б) номинальный ток плавкой вставки:

Принимаем I ВС.НОМ.F22 = 40 А .

4. Определяем номинальный ток плавкой вставки предохранителя F23:

IД3. ном = SД3. ном / (√3∙U∙cosφ∙η) = 14 / (√3∙ 0,38∙0,88∙0,885) = 27,3 А;

IД3. пуск = 5,5 ∙IД3. ном = 5,5 ∙27,3 = 150 А;

IF23. ном ≥ kотсIД3. ном = 1,2 ∙27,3 А = 33 А;

IF23. ном ≥ IД3.пуск / kпер = 150 / 2,5 = 60 А.

Принимаем I ВС.НОМ.F23 = 60 А .

+ 150 = 200,2 А;
i=1
n-1
Определяем номинальный ток плавкой вставки

предохранителя F2:

а) максимальный рабочий ток в линии, питающей РЩ2:

Iраб.макс.F2 = Σ Iраб.макс.i = 19,7 + 30,5 + 27,3 = 77,5 А;

i=1

n

б) ток кратковременной перегрузки в линии, питающей РЩ2:

IF2. ном ≥ kотсIраб.макс.F2 = 1,2 ∙77,5 А = 93 А;

г) номинальный ток плавкой вставки выбирается по наибольшему из трех токов:

IF2. ном ≥ Iпер.1 / kпер = 200,2 / 2,5 = 80 А.

в) ток группового самозапуска при КЗ на осветительной линии и ликвидации повреждения предохранителем F22:

Iпер.2 = Σ Iс/зап.j = 99 + 150 = 249 А;

j=1

m

IF2. ном ≥ Iпер.2 / kпер = 249 / 2,5 = 99,6 А.

Выбираем плавкую вставку с номинальным током I ВС.НОМ.F2 = 100 А .

6. Определяем номинальный ток плавкой вставки предохранителя F12:

IЛ1.раб. макс = Sнагр / (√3∙U) = 5 / (√3∙ 0,38) = 7,65 А;

а) максимальный рабочий ток осветительной нагрузки Л1:

IF12. ном ≥ kотс IЛ1.раб. макс = 1,2 ∙7,65 А = 9,15 А;

б) номинальный ток плавкой вставки:

Принимаем I ВС.НОМ.F12 = 30 А .

SД1. ном / (√3∙U∙cosφ∙η) = 20 / (√3∙ 0,38∙0,88∙0,89) =

39 А;

IД1. пуск = 5 ∙IД1. ном = 5 ∙ 39 = 195 А;

IF11. ном ≥ kотсIД1. ном = 1,2 ∙ 39 = 46,8 А;

IF11. ном ≥ IД1.пуск / kпер = 195 / 2,5 = 78 А.

Принимаем I ВС.НОМ.F11 = 80 А .

Iпер.11 = kодн. Σ Iраб.макс.i + Iпуск.макс.= 1∙(77,5 + 7,65) + 195 = 280,15 А;

i=1

n-1

8. Определяем номинальный ток плавкой вставки
предохранителя F1:

а) максимальный рабочий ток в линии, питающей РЩ1 и РЩ2:

Iраб.макс.F1 = Σ Iраб.макс.i = 77,5 + 7,65 + 39 = 124,15 А;

i=1

n

б) ток кратковременной перегрузки в линии:

IF1. ном ≥ kотсIраб.макс.F1 = 1,2 ∙124,15 А = 149 А;

IF1. ном ≥ Iпер.11 / kпер = 280,15 / 2,5 = 113 А.

в) ток группового самозапуска при КЗ на осветительной линии Л1 и ликвидации повреждения предохранителем F12:

Iпер.21 = Σ Iс/зап.j = 195 + 249 + 30,5 = 474,5 А;

j=1

m

IF1. ном ≥ Iпер.21 / kпер = 474,5 / 2,5 = 189,8 А.

г) номинальный ток плавкой вставки выбирается по наибольшему из трех токов:

Выбираем I ВС.НОМ.F1 = 200 А .

что:
а) время перегорания плавкой вставки предохранителя F2

при максимальном токе КЗ в точке К1 должно превышать не менее чем в три раза время перегорания плавкой вставки того из предохранителей (F21, F22, F23), ток плавкой вставки которого – наибольший.

В данном случае это предохранитель F23 с током плавкой вставки 60 А. При токе КЗ 450 А (точка К1) эта вставка перегорит за время 0,12 с., а плавкая вставка предохранителя F2 - за 1,2 с. Т.е. селективность предохранителя F2 по отношению к F21, F22, F23 обеспечивается.

kЧ.F2 = IК1 / IВС.НОМ.F2 = 450 / 100 = 4,5.

Проверка по чувствительности:
Для F2:

Для предохранителей, установленных на отходящих от РЩ2 линиях, условие чувствительности тем более выполняется, т.к. токи плавких вставок предохранителей F21, F22, F23 - менее 100 А.

б) время перегорания плавкой вставки предохранителя F1 при максимальном токе КЗ в точке К2 должно превышать не менее чем в три раза время перегорания плавкой вставки того из предохранителей (F11, F12, F2), ток плавкой вставки которого – наибольший. В данном случае это F2, с током плавкой вставки 100 А.

за время 0,23 с., а плавкая вставка предохранителя F1 -

за 72 с. Т.е. селективность предохранителя F1 по отношению к F2, F11, F12 обеспечивается.

kЧ.F1 = IК2 / IВС.НОМ.F1 = 600 / 200 = 3.

Проверка по чувствительности:
Для F1:


Коэффициент чувствительности – на пределе.

Отметим, что если бы в п.8 можно было отказаться от учета условия (в), достаточным был бы ток плавкой вставки предохранителя F1 в 150 А.

Тогда, при КЗ в точке К2, такая плавкая вставка перегорела бы за 15 с (селективность по отношению к 0,23 с соблюдается).

По чувствительности показатели были бы следующими:

kЧ.F1 = IК2 / I`ВС.НОМ.F1 = 600 / 150 = 4.

Но отказ от учета условия (в) должен быть соответствующим образом обоснован.

промышленного предприятия выполнена по схеме, приведенной на рисунке. Асинхронные двигатели

включены на напряжение 380 В, осветительная нагрузка – на 220 В. Характеристики электродвигателей и осветительной нагрузки приведены в таблицах.

Токи КЗ:
при повреждении в точке К1 IК1 = 1000 А, при повреждении в точке К2 IК2 = 500 А,
при повреждении в точке К3 IК3 = 600 А.

Расставить в схеме предохранители типа ПН-2 или НПН и выбрать для них плавкие вставки. Принять kОТС = 1,2. Условия пуска двигателей даны в таблице. Защитную характеристику предохранителя взять из задачи 1.1 либо из следующего слайда.

предохранителей в цепях электродвигателей, если эти двигатели включаются в работу

контакторами (или магнитными пускателями), установленными последовательно с предохранителями.

Задачи для самостоятельного решения

Защитные характеристики предохранителя ПН-2 – сплошные линии, предохранителя НПН – штриховые линии.

запатентован еще в 1923 году его изобретателем – немецкой компанией

АВВ.

Iраб.макс.
kЧ= (IКЗ.МИН / Iуст.2 ) ≥ 1,4
тепловой расцепитель:
Iуст.2

≥ (1,5÷1,8) Iперегр.

электромагнитный расцепитель:

Проверка автомата (электромагнитного расцепителя)
по чувствительности:

в нормальном режиме и селективное действие при перегрузках и КЗ

Задача 3. На рисунке 1 показан участок электрической сети промышленного предприятия. В схеме используются автоматы А-3000. Определить номинальные токи их расцепителей, при которых обеспечивается длительная надежная работа сети в нормальном режиме и селективное действие при перегрузках и коротких замыканиях.

Погрешность автоматов по величине тока мгновенного срабатывания составляет ± 15%. Данные для расчета приведены в таблице. Характеристики автомата представлены на рисунке 2.

Рисунок 1

Рисунок 2

Д1
IД1. ном = SД1. ном / (√3∙U∙cosφ∙η) = 10 /

(√3∙ 0,38∙0,88∙0,875) = 19,7 А;

в) номинальный ток расцепителя должен удовлетворять условию:

IД1. пуск = 5 ∙IД1. ном = 5 ∙ 19,7 = 98,5 А;

б) пусковой ток двигателя Д1

Iрасц. ном. ≥ IД1. ном.

Поэтому выбираем автомат А-3120 с номинальным током расцепителя

Iрасц. ном. = 20 А.

г) проверяем невозможность ложного отключения автомата при
пуске двигателя Д1. Из защитной характеристики выбранного
автомата (выделенная цветом характеристика) следует, что мгновенный расцепитель срабатывает при токе 430 А. С учетом погрешности ( - 15%) минимально возможный ток срабатывания мгновенного расцепителя:

Iотс = (1 – 0,15) ∙ 430 = 366 А;

Пусковой ток двигателя – 98,5 А; Автомат может быть отключен тепловым расцепителем, если ток такой величины будет протекать более 4 сек. (см. рисунок), но за это время двигатель при пуске успеет набрать обороты, его пусковой ток снизится и отключения не произойдет.

нагрузки:
IЛ раб. макс = Sнагр / (√3∙U) = 25 /

(√3∙ 0,38) = 38 А;

Выбираем автомат А-3120 с номинальным током расцепителя

Iрасц. ном. = 40 А.

3. Выбор автомата QF4:
а) номинальный ток двигателя Д2

IД2. ном = SД2. ном / (√3∙U∙cosφ∙η) = 14 / (√3∙ 0,38∙0,88∙0,885) = 24,6 А;

в) выбираем автомат А-3120 с номинальным током расцепителя :

IД2. пуск = 5,5 ∙IД2. ном = 5,5 ∙ 24,6 = 135 А;

б) пусковой ток двигателя Д2

Iрасц. ном. = 30 А.

г) проверяем невозможность ложного отключения автомата при
пуске двигателя Д2:

Iотс = (1 – 0,15) ∙ 430 = 366 А;

Пусковой ток двигателя Д2 – 135 А; Автомат может быть отключен тепловым расцепителем, если ток такой величины будет протекать более 10 сек (см. рисунок), но этого времени вполне достаточно для разгона двигателя. Поэтому автомат отключится не сможет.

линии:
Iраб.макс = 19,7 + 38 + 24,6 = 82,3 А;

в) выбираем автомат А-3120 с номинальным током расцепителя :

б) пусковой режим магистрали – при пуске двигателя Д2:

Iрасц. ном. = 100 А.

г) проверяем невозможность ложного отключения автомата QF1 при пусковом для магистрали режиме:

Iотс. мин = (1 – 0,15) ∙ 800 = 680 А >> 192,7 А;

При токе 192,7 А автомат QF1 может быть отключен тепловым расцепителем, если ток такой величины будет протекать более пяти минут (см. рисунок), но при штатном пуске двигателя Д2 это невозможно.

Iпер = 19,7 + 38 + 135 = 192,7 А;

Выбранные автоматы должны обеспечивать селективность отключения при перегрузках и коротких замыканиях.
При перегрузках селективность соблюдается, т.к. защитная характеристика QF1 на всем диапазоне перегрузок располагается выше защитных характеристик автоматов QF2, QF3 и QF4

возможно:
- ток мгновенного расцепителя автомата QF1

при отрицательной погрешности его срабатывания:

IQF1отс. мин = (1 – 0,15) ∙ 800 = 680 А;

- ток мгновенных расцепителей автоматов QF2, QF3, QF4 при положительной погрешности срабатывания:

IQF2отс. макс = (1 + 0,15) ∙ 430 = 494,5 А;

IQF4отс. макс = (1 + 0,15) ∙ 430 = 494,5 А;

IQF3отс. макс = (1 + 0,15) ∙ 600 = 690 А;

Если бы ток короткого замыкания был менее 680 А, селективность обеспечивалась бы.
Но в данном случае ток короткого замыкания – 700 А, поэтому для обеспечения селективности в режиме короткого замыкания следует выбрать автомат QF1 с
Для этого автомата ток расцепителя мгновенного срабатывания с учетом погрешности:

Iрасц. ном. = 120 А.

IQF1отс. мин = (1 – 0,15) ∙ 860 = 730 А;

схеме электрической сети промышленного предприятия предполагается установить автоматы А-3000 (рисунок

1). Выбрать уставки тока срабатывания максимальных расцепителей.

Погрешность автоматов по величине тока мгновенного срабатывания составляет ± 10%. Коэффициент перегрузки
kП = 2,5; коэффициент надежности kН = 1,25. Данные для расчета приведены в таблице. Характеристики автомата представлены на рисунке 2.

Рисунок 1

Рисунок 2

Задача 4. На рисунке 1 представлен участок

силовой сети промышленного предприятия. Двигатели защищаются автоматами А-3000, а питающая линия – предохранителями ПН-2. Определить номинальные токи расцепителей автоматов Iрасц.ном. и номинальный ток плавкой вставки Iвст.ном.. Погрешность в токе срабатывания предохранителей принять ± 50%, погрешность автоматов - ± 15%. Коэффициент перегрузки kП = 2,5; коэффициент надежности kН = 1,2. Данные для расчета представлены в таблице. Защитные характеристики – на рисунках 2 и 3

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

75 А.
Выбираем автомат А-3120 с номинальным током расцепителя
Iрасц. ном.

= 80 А.

2. Выбор автомата QF2:

Iрасц. ном. ≥ IД2. ном. = 100 А.

Выбираем автомат А-3120 с номинальным током расцепителя

Iрасц. ном. = 100 А.

Из защитных характеристик следует, что выбранные автоматы не будут отключаться в режимах пуска.

3. Выбор предохранителя F1:

Iпер.F1 = kодн. Σ Iраб.макс.i + Iпуск.макс.= 1∙(75) + 600 = 675 А;

i=1

n-1

а) максимальный рабочий ток защищаемой линии:

Iраб.макс.F1 = Σ Iраб.макс.i = 75 + 100 = 175 А;

i=1

n

б) ток кратковременной перегрузки в линии:

IF1. ном ≥ kотсIраб.макс.F1 = 1,2 ∙175 А = 210 А;

в) номинальный ток плавкой вставки выбирается по наибольшему из токов:

IF1. ном ≥ Iпер.F1 / kпер = 675 / 2,5 = 270 А.

.
Из защитных характеристик следует, что селективность обеспечивается как при

перегрузках, так и при коротком замыкании.