Противоаварийная автоматика и техника релейной защиты представляют собой отрасль электротехники, в основе которой лежит изучение процессов в электроэнергетических сетях при нарушениях нормальных режимов работы.
Расчеты токов к. з., нахождение распределения токов повреждения в сети являются первыми и главными звеньями в цепи расчетов, определяющих выбор и размещение устройств защиты и противоаварийной автоматики в сетях промышленных предприятий. Метол симметричных составляющих, позволяющий теоретически исследовать и практически рассчитать простые и сложные случаи несимметричных к. з., является основным средством решения практических задач релейной защиты.
Другими не менее важными средствами решения задач релейной защиты являются методы физического моделирования и экспериментальная проверка защит в лабораторных условиях, позволяющие в сравнительно короткое время получить достаточно точные данные для выбора средств защиты и определения параметров срабатывания реле.
Одним из наиболее действенных средств борьбы с развитием аварий в сетях является применение быстродействующей релейной защиты в сочетании с устройствами сетевой противоаварийной автоматики, восстанавливающей питание потребителей путем автоматических переключений в сетях или отключений менее ответственных потребителей с целью сохранения питания других.
Выбор и размещение устройств защиты и автоматики производится для конкретных схем сетей с учетом характера и категорийности потребителей в отношении бесперебойности их питания.
При рассмотрении вопросов защиты все сети промышленных предприятий разделяются на две группы: на сети напряжением выше 1000 В и сети напряжением ниже 1000 В. Здесь рассматриваются некоторые вопросы защиты сетей напряжением ниже 1000 В.
Защита сетей напряжением до 1000 В осуществляется с целью ограничения размеров повреждения электроустановок при возникновении ненормальных режимов работы. В сетях напряжением до 1000 В наиболее распространенными видами ненормальных режимов работы являются к. з. между фазами и однофазные к. з. в сетях с заземленной нейтралью или замыкания на землю одной из фаз при изолированной нейтрали, а также перегрузки, создаваемые потребителями. Эти сети являются наиболее разветвленными, они охватывают почти все без исключения цехи и помещения промышленных предприятий и поэтому количество повреждений в них составляет наибольшую часть от общего количества повреждений в сетях предприятий.
В качестве основных аппаратов для зашиты сетей напряжением до 1000 В применяют предохранители с плавкими вставками и автоматические выключатели. Аппараты защиты по своей отключающей способности, как правило, должны отключать максимальные токи к. з., которые могут возникать при повреждении в защищаемом участке сети. Защита от токов к. з. должна осуществляться с наименьшим временем отключения и с обеспечением, по возможности, требований селективности. При этом защита должна обеспечивать отключение поврежденного участка при к. з. в конце его, т. е. при наименьшем токе к. з. для данного участка сети. Для обеспечения надежной работы защиты в сетях напряжением до 1000 В кратности токов двух- и трехфазных к. з. должны быть не менее определенных значений. Так, в сетях с глухим заземлением нейтрали при замыканиях на корпус (на землю) ток к. з. должен превышать номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или номинальный ток теплового расцепителя автомата не менее чем в 3 раза. При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только мгновенный электромагнитный расцепитель (отсечку по току), ток замыкания на корпус должен во всех режимах превышать по значению уставку тока мгновенного срабатывания с учетом разброса этих уставок для данного типа автомата и с запасом не менее чем на 10%. Такие же кратности токов к. з. должны быть и для междуфазных к. з. в сетях напряжением до 1000 В. Номинальные токи плавких вставок предохранителей и токи срабатывания автоматических выключателей должны быть минимально возможными и выбираться по расчетным токам нагрузки таким образом, чтобы эти аппараты не отключали питание электроприемников при кратковременных перегрузках, например при запуске электродвигателей.
В ряде случаев необходима защита сетей от возможной длительной перегрузки, могущей возникнуть при различных отклонениях технологического процесса от расчетного или при ненормальных режимах работы сети (например, при выводе в ремонт какого-либо элемента и перераспределении нагрузки в сети). Так, например, все сети внутри помещений, выполненные открыто проложенными изолированными проводниками с горючей оболочкой, во всех случаях должны быть защищены от перегрузки с тем, чтобы предотвратить возникновение пожаров в этих помещениях вследствие перегрева проводов и возможного загорания изоляции. Осветительные сети в жилых помещениях, а также в служебнобытовых помещениях промышленных предприятий, в общественных, торговых и пожароопасных помещениях должны быть защищены от перегрузки не только при открытой прокладке, но и при прокладке в трубах, в несгораемых строительных конструкциях и при других способах скрытой прокладки проводников. Во взрывоопасных установках защита от перегрузки обязательна для всех видов сетей.
Для сетей, защищаемых от перегрузки, необходимо проверять выбранные плавкие вставки, уставки токов срабатывания и характеристики расцепителей автоматических выключателей по длительно допустимому току проводников по условию их нагрева.
Выбор предохранителей и их плавких вставок производится по трем условиям на основании технических условий и каталогов.
Условие 1. Номинальные токи предохранителя и плавкой вставки не должны быть меньше расчетного тока цепи.
Рис. 3-17. Типовые время-токовые характеристики плавких вставок предохранителей НПН и НПР
Условие 2. Во избежание чрезмерного перегрева плавких вставок, окисления их поверхности, быстрого старения и, как следствие, необоснованных отключений не следует во время пуска двигателей или во время пиков технологической нагрузки нагружать их током I н, большим чем 50% тока I, способного расплавить их за время этой перегрузки (t, с).
Типовые время-токовые характеристики плавких вставок распространенных предохранителей приведены на рис. 3-17.
Обычно при небольшой частоте пусков двигателей принимается I в= I п/2,5, что соответствует условиям работы большинства металлообрабатывающих станков. При большой частоте пусков или при длительности разгона двигателей более 2 с (например, для двигателей подъемных кранов или двигателей, соединенных с механизмами, имеющими большой момент инерции ротора двигателя) принимается: 
Условие 3. Выбор плавких вставок по условию селективности следует производить, пользуясь типовыми время-токовыми характеристиками t=f(I) предохранителей с учетом возможного разброса реальных характеристик по данным завода-изготовителя.
При защите сетей предохранителями типов НПН и НПР с типовыми характеристиками, приведенными на рис. 3-17, селективность действия защиты будет выполняться, если между номинальным током плавкой вставки, защищающей головной участок сети Iг, и номинальным током плавкой вставки на ответвлении к потребителю (рис. 3-18) выдерживаются определенные соотношения. Например, при небольших токах перегрузки плавкой вставки (около 180—250%) селективность будет выдерживаться, если IГ больше I0 хотя бы на одну ступень стандартной шкалы номинальных токов плавких вставок.
При к. з. селективность защиты предохранителями типа НПН будет обеспечиваться, если выдерживаются следующие соотношения:
Здесь IК — ток к. з. ответвлений, А; Iг — номинальный ток плавкой вставки головного участка сети, А; I0 — номинальный ток плавкой вставки на ответвлении, А (рис. 3-18).
Таблица 3-4
Номинальные токи последовательно включенных плавких вставок предохранителей ПН2, обеспечивающих надежную селективность
Соотношения между номинальными токами плавких вставок Iг и I0 для предохранителей типа ПН2 (рис, 3-18), обеспечивающие надежную селективность, приведены в табл. 3-4.
Плавкие вставки предохранителей калибруются таким образом, что при нижнем значении испытательного тока они не плавятся, а при верхнем значении плавятся при приложении этого тока в течение 1 ч (табл. 3-5).
Таблица 3-5
Предохранители характеризуются также предельным током отключения. Под предельным током отключения при данном напряжении понимается наибольшее действующее значение периодической составляющей тока к. з. в любой фазе в первый период протекания тока.
Наибольшая отключающая способность предохранителей ПН2 приведена в табл. 3-6.
Таблица 3-6
Предохранители НПН2-60 с номинальным током 60 А имеют наибольший отключающий ток 10 кА.
Резьбовые предохранители серии ПРС с плавкими вставками до 100 А имеют наибольший отключающий ток до 60 кА.
Предохранители типов НПН и НПР проявляют свойства токоограничения, заключающиеся в том, что при больших кратностях токов к. з. по отношению к номинальному ток, проходящий через предохранитель, отключается перегорающей вставкой раньше, чем его значение может достигнуть предельного тока к. з. в данной точке сети.
Рис. 3-19, Характеристика плавления быстродействующих предохранителей серии ПБ.
Для защиты установок с полупроводниковыми вентилями, а также и для других целей, когда требуется большое быстродействие защиты, Рижским физико-энергетическим институтом разработаны специальные быстродействующие предохранители серии ПБ. Эти предохранители выпускаются на номинальное напряжение 380 В и токи 100, 160, 250, 400 и 630 А. Предельный ток, отключаемый предохранителями серии ПБ, составляет 150 кА при переменном токе или 100 кА при постоянном. Они калиброваны так, что не должны отключать ток 1,5 I н в течение 2 ч при
и вертикальном расположении, если собственное превышение температуры внешних проводников при номинальном токе без предохранителей лежит в интервале 20—30°С. Время плавления при токе 2,3—2,5 I н и при упомянутых выше условиях должно быть не более 10 мин. Типовая время-токовая характеристика предохранителей серии ПБ приведена на рис. 3-19.
Надежная работа предохранителей с калиброванными плавкими вставками и высокая предельная отключающая способность позволяют применять их для защиты сетей в большинстве случаев без ограничений.
