Способы и эффективность защиты электрических цепей и потребителей

Для качественного и бесперебойного снабжения потребителей необходимо надежное согласование всех элементов энергосистемы (источника электроэнергии, сети, нагрузки, устройств защиты). Особую роль здесь играют устройства защиты потребителей от возможных аварийных режимов в энергосистеме. Среди известных потребителей можно выделить три характерные наиболее распространенные группы: асинхронные электродвигатели (АД) с короткозамкнутом ротором (более 50% потребителей), осветительные установки и силовые полупроводниковые устройства. Объем остальных потребителей значительно ниже.
Анализ аварийных режимов позволяет выделить следующие типы аварий, часто встречающиеся на практике (на примере потребителя - асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором):
короткое замыкание на зажимах двигателя, либо в его статорной обмотке;
обрыв фазы статорной обмотки двигателя (часто встречается при защите двигателей предохранителями);
заторможение ротора при пуске двигателя (особенно часто встречается при прямом пуске двигателя);
технологические перегрузки, возникающие при набросе нагрузки в процессе функционирования двигателя;
нарушение охлаждения, вызванное поломкой системы принудительной вентиляции двигателя;
понижение сопротивления изоляции, происходящее в результате старения изоляции из-за циклических температурных перегрузок.
Аварийные режимы в цепи асинхронного двигателя могут вызвать либо кратковременное повышение тока в 12-17 раз по сравнению с номинальным (КЗ в цепи), либо длительное протекание тока перегрузки, в 5-7 раз превышающего номинальное значение тока.
Для защиты электрических цепей от КЗ в качестве нагрузки двигателей широко применяются автоматические выключатели максимальный расцепитель тока, реле тока, предохранители. Аварийные режимы, например перегрузка по току, требуют выбора защиты, наиболее эффективной при той или иной аварии. Так при обрыве фазы АД наиболее эффективной является минимальная токовая защита и температурная защита. Менее эффективной - тепловая защита (тепловые реле). При заторможенном роторе весьма эффективны максимальные реле тока и температурная защита. Менее эффективна тепловая защита. При технологической перегрузке лучшие результаты дает температурная защита. Эффективны также тепловые реле. При нарушении охлаждения двигателя только температурная защита может защитить двигатель. Понижение сопротивления изоляции статорной обмотки двигателя может спровоцировать как перегрузку в цепи, так и КЗ. Для защиты при этой аварии применяются специальные устройства контроля уровня изоляции обмотки двигателя.
Основным аварийным режимом в осветительных установках является КЗ. Защита от перегрузки требуется только для осветительных установок, эксплуатируемых внутри помещений и во взрыво- и пожароопасной среде. Наиболее распространенным аппаратом защиты осветительных установок является автоматический выключатель. При включении ламп накаливания появляется кратковременный бросок тока, в 10-20 раз превышающий номинальный ток. Примерно за 0,06 с ток снижается до номинального. Значение броска тока определяется мощностью ламп. При выборе типа защиты ламп накаливания необходимо учитывать особенности их пусковых характеристик.
Широкое распространение силовой полупроводниковой техники требует применения для ее защиты эффективных устройств. Одним из главных недостатков силовых полупроводниковых приборов является их низкая перегрузочная способность по току, что накладывает жесткие условия на аппаратуру защиты (по быстродействию, селективности и надежности срабатывания). В настоящее время для защиты силовых полупроводниковых приборов от короткого замыкания как внешних, так и внутренних применяются: быстродействующие автоматические выключатели, полупроводниковые выключатели, вакуумные выключатели, импульсные дуговые коммутаторы, быстродействующие плавкие предохранители и др. Целесообразность применения той или иной защиты силовых полупроводниковых приборов определяется конкретными условиями их эксплуатации.
Особое место занимает защита электрических цепей. В настоящее время широко используются сети напряжением от 0,4 до 750 кВ. Основными, наиболее опасными и частыми видами повреждений в сетях являются КЗ между фазами и фазой на землю.
Основная масса потребителей работает в сетях напряжением 0,4 кВ, 6 и 10 кВ (в последнее время нашли широкое применение сети напряжением 0,66 кВ). Для питания стационарных силовых потребителей и осветительных установок общего назначения применяются трехфазные четырехпроводные сети напряжением 380/220 В с глухо- заземленной нейтралью. Силовые потребители питаются от источника линейного напряжения, а осветительные приборы - от источника фазного напряжения. Мощные силовые потребители, например, электродвигатели мощностью 160 кВт и выше, питаются напряжением 660 В, 6 и 10 кВ.
Основными аварийными режимами в таких сетях являются: однофазное КЗ (до 60%); трехфазное КЗ (до 10%); двухфазное КЗ на землю (до 20%); двухфазное КЗ (до 10%).
Защита электрических сетей напряжением до 1000 В осуществляется, как правило, аппаратами защиты, а сети напряжением свыше 1000 В имеют релейную защиту.
Самыми распространенными аппаратами защиты сетей являются автоматические выключатели и предохранители. Если требуется иметь защиту с высоким быстродействием, чувствительностью или селективностью, то применяют релейную защиту, выполненную на базе реле и автоматических выключателей.
Электрические сети напряжением до 1000 В внутри помещений должны иметь также защиту от перегрузки, выполненную, как правило, на базе автоматических выключателей с тепловым или комбинированным расцепителями.

Рис. 1. Согласование характеристик зашиты и потребителей: а - асинхронный двигатель; б - преобразователь; 1 - защитная характеристика аппарата защиты; 2 - нагрузочная характеристика потребителей
Основной задачей, стоящей при выборе аппаратуры защиты потребителей и электрических сетей, является согласование защитных характеристик устройств защиты с предельно-допустимыми нагрузками по току и времени различных потребителей и сетей (проводов и кабелей). Для каждого конкретного типа потребителей наиболее полное согласование может быть достигнуто при использовании определенного типа аппаратов защиты.
На рис. 1,а приведены характеристики аппарата защиты / и пусковая характеристика 2 асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Характеристика 1 может быть реализована автоматическим выключателем с максимальным токовым и тепловым расцепителями либо тепловым реле (в зоне тока перегрузки /„ двигателя).
На рис. 1,6 приведены характеристика 1 предохранителя и характеристика 2 силового преобразователя.
Наиболее полное согласование защитных и нагрузочных характеристик достигается, если защитная характеристика аппарата проходит выше и возможно ближе к нагрузочной характеристике потребителя.