Что такое селективность защиты?

Основные определения

Определение селективности приведено в ГОСТ IEC 60947-1-2014 «Аппаратура распределения и управления низковольтная – Часть 1. Общие правила.»

«Селективность по сверхтокам (2.5.23)

Координация рабочих характеристик двух или нескольких устройств для защиты от сверхтоков с таким расчетом, чтобы в случае возникновения сверхтоков в пределах указанного диапазона срабатывало только устройство, предназначенное для оперирования в данном диапазоне, а прочие не срабатывали”, при этом под сверхтоком понимается ток с более высоким значением, чем номинальный ток, вызванный любой причиной (перегрузка, короткое замыкание и т.д.). Таким образом, существует селективность между двумя последовательными автоматическими выключателями в отношении сверхтока, который протекает через оба выключателя, причем автоматический выключатель со стороны нагрузки размыкается, обеспечивая защиту цепи, а автоматический выключатель со стороны питания остается замкнутым, обеспечивая подачу питания остальной части установки. Определения полной и частичной селективности, с другой стороны, приведено в ГОСТ Р 50030.2-2010 «Аппаратура распределения и управления низковольтная – Часть 2. Автоматические выключатели.»

«Полная селективность (2.17.2)

Селективность по сверхтокам, когда при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки осуществляет защиту без срабатывания второго защитного аппарата.»

«Частичная селективность (2.17.3)

Селективность по сверхтокам, когда при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки осуществляет защиту до определенного уровня сверхтока без срабатывания второго защитного аппарата.”

Можно говорить о полной селективности, когда обеспечивается селективность для любого значения сверхтока, возможного в установке. О полной селективности между двумя автоматическими выключателями говорят, когда обеспечивается селективность до меньшего из значений Icu двух автоматических выключателей, так как максимальный ожидаемый ток короткого замыкания (КЗ) установки в любом случае будет ниже или равным наименьшему значению Icu двух автоматических выключателей.

О частичной селективности говорят, когда обеспечивается селективность только до определенного значения тока Is (предельный ток селективности). Если ток превышает это значение, то селективность между двумя автоматическими выключателями более не может быть обеспечена.

О частичной селективности между двумя автоматическими выключателями говорят, когда обеспечивается селективность до определенного значения Is, которое ниже значений Icu двух автоматических выключателей. Если максимальный ожидаемый ток КЗ установки ниже или равен току селективности Is, говорят о полной селективности.

Пример

Рассматриваются следующие два автоматических выключателя:

• На стороне питания XT4N250 TMA100 (Icu=36 кА);
• На стороне нагрузки S200M C40 (Icu=15 кА).

Из “Таблиц координации аппаратов защиты и управления” видно, что обеспечивается полная селективность (Т) между двумя автоматическими выключателями. Это означает, что обеспечивается селективность до 15 кА, т.е. меньшего из двух значений Icu.

Очевидно, что максимальный ожидаемый ток К3 в месте установки автоматического выключателя S200M C40 будет меньше или равным 15кА.

Теперь рассматриваются следующие два автоматических выключателя:

• На стороне питания XT4N250 TMA80 (Icu=36 кА);
• На стороне нагрузки S200M C40 (Icu=15 кА).

Из «Таблиц координации аппаратов защиты и управления» видно, что селективность между двумя автоматическими выключателями составляет Is=6.5 кА.

Это означает, что если максимальный ожидаемый ток КЗ на стороне нагрузки автоматического выключателя S200M C40 меньше 6.5 кА, то будет обеспечена полная селективность, а если ток КЗ имеет более высокое значение, то будет обеспечиваться частичная селективность, т.е. только для КЗ с током меньше 6.5 кА, тогда как для КЗ с током между 6,5 и 15 кА несрабатывание автоматического выключателя стороны питания не обеспечивается.

Виды и типы

Современные производители предлагают самые разные виды и типы УЗО. Два самых популярных типа агрегатов по своему внутреннему исполнению на рынке электротоваров – это электромеханические (не зависят от силы тока) и электронные (зависят). Также выделяют селективные и противопожарные устройства.

Электромеханическое

Электромеханические УЗО широко популярны в использовании и применяются в электрических цепях переменного тока. Чем это вызвано? Тем, что при обнаружении утечки такое устройство сработает, предотвратив печальные последствия даже при самом мизерном напряжении.

Такой тип УЗО во многих странах считается эталоном качества и тем, которое обязательно к повсеместному использованию. Немудрено, ведь такое УЗО будет работоспособным даже при отсутствии нуля в сети и может спасти чью-то жизнь.

Электронное

Такие УЗО легко найти на любом строительном рынке. Разница их от электромеханических в наличии внутри платы с усилителем, для работы которой необходимо питание.

Однако у таких УЗО, как уже было сказано, есть огромный недостаток – не факт, что они сработают при утечке тока (все зависит от напряжения в сети). Если отгорел ноль, а фаза осталась, то риск поражения током никуда не девается.

Селективное

Главное отличие селективного УЗО от «собратьев» — наличие в схеме функции выдержки времени отключения цепи, которой питается нагрузка, т.е. селективности. Зачастую этот параметр не превышает 40 мс. Из этого мы делаем вывод, что селективные приборы не годятся для защиты от поражения при непосредственном прикосновении.

Ещё одной особенностью селективных агрегатов является хорошая устойчивость по реакции на скачки тока и напряжения (вероятность ложных срабатываний почти нулевая).

Противопожарное

Как следует из названия, такие УЗО используются в системах электроснабжения квартир и домов для предотвращения возгораний. Однако защитить человека они не в состоянии так как ток утечки, на который они рассчитаны равен 100 или 300 мА.

Обычно эти агрегаты устанавливаются в щитах учета или в этажных распределительных щитах. Их основная задача:

• защита вводного кабеля;
• защиты линий потребителей, в которых дифференциальная защита не установлена;
• как дополнительная ступень защиты (если стоящий ниже него аппарат вдруг не сработал).

Количество полюсов

Так как УЗО работает на сравнении токов, которые проникают сквозь дифференциальный орган, то численность полюсов у агрегата совпадает с числом токоведущих проводников. В некоторых случаях УЗО дозволено использовать с 4-мя полюсами для работы в двух- или трехпроводной сети.

При этом не забудьте оставить в запасе свободные полюса фаз. Агрегат будет благополучно делать свое дело не полностью, а частично, что, в общем-то, невыгодно с финансовой точки зрения, но возможно.

Watch this video on YouTube

Watch this video on YouTube

Разновидность селективности

Селективность защиты подразделяется на абсолютную или относительную в зависимости от того, какие участки отключаются. Для первого случая надежней всего срабатывают предохранители на поврежденном участке цепи. Во втором отключаются выше расположенные автоматы, если защита ниже не отработала по разным причинам.

Полная и частичная защита

При такой защищённости цепи подразумевается последовательное подключение аппаратов. В случае возникновения сверхтока сработает тот автомат, который ближе всего к месту повреждения.

Разновидности УЗО

Важно! Частичная избирательная защита отличается от полной селективности тем, что срабатывает лишь до установленного значения сверхтока

Токовый тип селективности

Выстраивая в убывающем порядке величины токов от источника к нагрузке, обеспечивают работу токовой избирательности. Главной мерой здесь является предельное значение токовой метки. Например, начиная от источника питания или ввода, автоматические выключатели устанавливают в последовательности: 25 А, 16 А, 10 А. Все автоматы могут иметь одинаковое время на срабатывание.

Обратите внимание! Между автоматами должно быть высокое сопротивление цепи, тогда они будут иметь эффективную избирательность. Повышают сопротивление путём увеличения протяжённости линии, включения участков с проводом меньшего диаметра или вставкой трансформаторной обмотки

Временной и времятоковый вариант

Что значит селективная защита по времени? Особенностью такого построения схемы релейной защиты является привязка ко времени срабатывания каждого защитного элемента.

Принцип работы выключателей

Автоматические выключатели обладают одинаковыми токовыми параметрами, но имеют разную выдержку времени при срабатывании. Время срабатывания увеличивается по мере удаления от нагрузки. К примеру, самый ближний рассчитан на срабатывание после 0,2 сек. В случае его отказа через 0,5 сек. должен сработать второй. Работа третьего автоматического выключателя рассчитана через 1 сек. в случае несрабатывания первых двух.

К сведению! Очень сложной считается времятоковая избирательность. Чтобы её организовать, необходимо выбирать приборы групп A, B, C, D. У группы А наивысшая защита (применяется в электроцепях). Каждая из этих групп имеет индивидуальную реакцию на величину электрического тока и временную задержку.

Зонная схема защиты

Зонный способ сложный и недешевый, поэтому применяют его в основном в промышленности. Как только пороговые показатели тока достигают максимума, в центр контроля поступают данные, и выбранный автомат срабатывает. Электрическая сеть с таким видом избирательности включает специальные электронные расцепители.

Вам это будет интересно Основы электроники для начинающих

Автоматический выключатель 5SL

Когда обнаруживается нарушение, от выключателя, расположенного ниже, поступает сигнал к устройству, находящемуся выше. Первый автомат должен отреагировать в течение секунды. Если он не среагировал, срабатывает второй.

Сравнивая этот вид селективности с временной избирательностью, можно увидеть, что время срабатывания в этом случае намного ниже, иногда составляет сотни миллисекунд.

Обратите внимание! При зонной схеме защиты снижается как процент интервенции в систему, так и процент ее повреждения. Уменьшаются тепловые и динамические влияния на части установки, возрастает число уровней селективности

Схемы подключения УЗО в однофазной сети

Промышленность выпускает устройства защитного отключения, предназначенные для работы в однофазной или трехфазной сети. Однофазные аппараты имеют 2 полюса, трехфазные — 4. В отличие от автоматических выключателей, к отключающим устройствам кроме фазных проводов обязательно подключаются нулевые проводники. Клеммы, к которым присоединяются нулевые жилы, обозначаются латинской буквой N.

Для защиты людей от поражения электрическим током чаще всего используют УЗО, реагирующие на токи утечки 30 мА. В сырых помещениях, подвалах, детских комнатах применяют аппараты, настроенные на 10 мА. Отключающие устройства, предназначенные для предотвращения пожаров, имеют порог срабатывания 100 мА и выше.

Кроме порога срабатывания защитное устройство характеризуется номинальной коммутационной способностью. Под этим термином подразумевают максимальный ток, который отключающий аппарат может выдерживать неограниченное количество времени.

Watch this video on YouTube

Важным условием надежного функционирования защиты от токов утечки является заземление металлических корпусов электрических аппаратов. Заземление TN может выполняться отдельным проводом или через заземляющий контакт сетевой розетки.

На практике применяют два способа включения устройств защитного отключения в электрическую цепь:

• схема подключения УЗО с индивидуальной защитой;
• схема групповой защиты потребителей.

Первый способ включения чаще всего используют для защиты мощных потребителей электроэнергии. Его можно применить для электрических плит, стиральных машин, кондиционеров, электрических отопительных котлов или водонагревателей.

Индивидуальная защита предусматривает одновременное подключение УЗО и автомата, схема представляет собой последовательное соединение двух защитных аппаратов. Их можно разместить в отдельном боксе в непосредственной близости от электроприемника. Выбор отключающего устройства осуществляется по номинальному и дифференциальному току. Будет лучше, если номинальная отключающая способность защитного аппарата окажется на ступень больше номинала автоматического выключателя.

При групповой защите к УЗО подключают группу автоматов, питающих разные нагрузки. В этом случае выключатели подключают к выходу устройства защиты от токов утечки. Подключение УЗО по групповой схеме уменьшает затраты и экономит место в распределительных щитах.

В однофазной сети подключение одного УЗО для нескольких потребителей требует расчета номинального тока защитного аппарата. Его нагрузочная способность должна быть равна или превышать сумму номиналов подключенных автоматических выключателей. Выбор порога срабатывания дифференциальной защиты определяется ее назначением и категорией опасности помещений. Защитный аппарат может подключаться в щитке на лестничной клетке или в распределительном щитке внутри квартиры.

Схема подключения УЗО и автоматов в квартире, индивидуальная или групповая, должна соответствовать требованиям ПУЭ (Правил устройства электроустановок). Правила однозначно предписывают заземлять электроустановки, защищаемые УЗО. Несоблюдение этого условия является грубым нарушением и может привести к негативным последствиям.

Принцип селективности для выбора выключателей

При проведении электрики в доме необходимо учитывать тот факт, что ток может причинить большой вред. Во избежание неприятных последствий устанавливают предохранители или автоматические выключатели. Принцип селективности позволяет надёжно использовать электрическую сеть благодаря правильному выбору автоматов.

Для абсолютно любой схемы выявляется определённая система защиты, которая разделяют проводку на определённые участки, именуемые электрическими цепями. Поломка может возникнуть внутри приёмника, генератора или же проводов. Каждая неисправность требует особенного технического решения, благодаря которому можно быстро и эффективно найти и исправить повреждение.

Принцип селективности призван определять правила установки и совместимости защит. Он обеспечивает:

• безопасность электрики и людей;
• автоматическое выявление зоны поломки и её устранение;
• снабжение электрическим током все участки, расположенные рядом с повреждённым;
• поддержание качества электроэнергии.

Обобщая все вышесказанное, можно отметить, что избирательность защитных устройств, в том числе и автоматических выключателей, необходимо всегда учитывать при установке электрической проводки для безопасного и наиболее надёжного использования.

Различие между зависимыми и независимой характеристикой защит

Важно понимать преимущества и недостатки зависимых кривых перед независимыми. Для этого отобразим эти характеристики при одинаковых расчетных условиях

Такой график приведен на Рис. 6 (кривая LONG удалена)

Рис. 8. Зависимые и независимая характеристики при одинаковых уставках

У всех защит на Рис. 8 одинаковый ток срабатывания Iс.з. = 100 А. Стоит отметить, что независимая защита будет пускаться при таком токе, а зависимые нет потому, что 100 А — это асимптота для этих кривых (время отключения равно бесконечности). Обычно значение пуска таких защиты лежит в пределах (1,1,..1,3)*Iс.з. и определяется изготовителем реле.

Как видно при токе согласования (300 А) все защиты имеют одинаковое время срабатывания (5 с). При токах менее 300 А независимая характеристика имеет меньшие времена отключения, а при токе более 300 А – большие, чем у зависимых. Таким образом, зависимые кривые медленнее отключают малые токи КЗ.

Это означает, что зависимые характеристики защит следует применять с осторожностью и всегда оценивать допустимость их использования на том или ином присоединении. Для примера рассмотрим защиту силового трансформатора ТМГ-1000/10/0,4 кВ в нескольких вариантах:

Для примера рассмотрим защиту силового трансформатора ТМГ-1000/10/0,4 кВ в нескольких вариантах:

1. Независимая характеристика — красная линия

2. Нормально инверсная (INV) — фиолетовая

3. Экстремально инверсная (EXT) — голубая

Рис. 9. Применение зависимых кривых для защиты трансформатора

На токе согласования защит (960 А) все характеристики дают одинаковый результат, а правее этой точки зависимые характеристики отключают КЗ быстрее (как и описано в учебниках), но посмотрите на картину в целом:

• При минимальном дуговом токе на низшей стороне трансформатора (280 А приведенных) время отключения кривой INV составляет примерно 4 с, что достаточно много, а кривой EXT —  20 с, что вообще недопустимо
• Применяя токовую отсечку (см. вторую ступень красной кривой) совместно с независимой характеристикой МТЗ можно получить результат даже лучше, чем с зависимыми кривыми в части отключения больших токов КЗ. При этом токовая отсечка трансформаторов оказывается практически всегда эффективна, что позволяет применять ее по умолчанию

Очевидно, что в данном случае зависимые кривые лучше не использовать. Даже, если вы обеспечите селективность, например, с нижестоящими предохранителями 0,4 кВ, то оставите без защиты сам трансформатор.

Это, кстати, на заметку тем, кто любит защищать трансформаторы предохранителями 6-10 кВ (они также имеют зависимую характеристику, близкую к кривой EXT). Такая защита — по большей части фикция и может спасти только от КЗ в начале зоны (обмотка ВН трансформатора). Подробнее об этой проблеме написано здесь

Обычно зависимые характеристики могут давать преимущества в сети с большим количеством уровней распределения, особенно, если вышестоящая защита также выполнена с применением зависимой кривой (например, реле РТ-80), и в большей части для защит линий, где разница в минимальном и максимальном токах КЗ невелика. Примеры рассмотрим позднее.

В следующей статье мы разберемся с тем, как построить любую зависимую кривую, причем сделаем это двумя разными способами.

Главные функции

Ключевые задачи селективной защиты — обеспечение бесперебойного функционирования электросистемы и недопустимость сгорания механизмов при появлении угроз. Единственным условием для корректной работы такого типа защиты считают согласованность защитных агрегатов между собой.

Как только возникает аварийная ситуация, испорченный участок при помощи селективной защиты мгновенно определяется и отключается. При этом исправные места продолжают работу, а отключенные никак им в этом не мешают. Селективность существенно снижает нагрузку на электрические установки.

Базовый принцип обустройства такого типа защиты кроется в оборудовании автоматов с номинальным током, который меньше, чем у прибора на вводе. В сумме они могут превышать номинал группового автомата, но по отдельности – никогда. К примеру, при установке вводного устройства на 50 А следующий аппарат не должен обладать номиналом выше 40 А. Первым всегда сработает агрегат, находящийся максимально близко к месту ЧП.

Таким образом, к основным функциям селективной защиты можно отнести:

• обеспечение безопасности электрических приборов и работников;
• быстрое выявление и отключение той зоны электросистемы, где случилась поломка (при этом рабочие зоны не прекращают функционирование);
• снижение негативных последствий для рабочих частей электромеханизмов;
• снижение нагрузки на составные механизмы, предотвращение поломок в неисправной зоне;
• гарантия непрерывного рабочего процесса и постоянного электроснабжения высокого уровня.
• поддержка оптимальной работы той или иной установки.

Селективность по току

Этот вид селективной защиты устанавливается в каждой электрической цепи в её начале. Если в электрической сети, состоящей из этих цепей, происходит короткое замыкание, ток увеличивается соответственно её импедансу. При этом индуктивность ограничивает скорость нарастания тока и существует некоторая минимальная величина его. Эта величина и является порогом срабатывания защиты.

При этом защитные устройства могут сработать и при несколько меньших значениях силы тока, если это необходимо. Но величина тока срабатывания должна находиться в диапазоне значений силы тока, которое будет больше чем при коротком замыкании за пределами области покрытия защиты. Пример токовой защиты цепи с трансформатором, подключенным между кабельными линиями электропередачи, показан на изображении ниже:

Преимуществом избирательности по току является возможность реагирования только на повреждения внутри защищаемой области и в привязке к потребителю, исключая аварии вне защищаемой области. Отличается быстротой срабатывания, небольшой стоимостью и схемотехнической простотой. В этом её преимущество. Недостатком является сложность настройки избирательности последовательно установленных устройств защиты при их расположении в соседних областях из-за похожести параметров процессов, определяемых аварийными ситуациями.

Селективность — защита

Селективность защиты не нарушается при внешних коротких замыканиях независимо от состояния фиксации элементов за шинами.
 

Селективность защиты обеспечивает отключение минимального числа потребителей при повреждении какого-либо участка. Для обеспечения селективности защиты ближайшие к потребителю выключатели должны иметь наименьшую и по мере приближения к источнику питания — возрастающую выдержку времени при отключении. Разность значений времени отключения двух последовательно расположенных выключателей между источником питания и потребителем называется ступенью селективности.
 

Селективность защиты в электрических сетях — избирательность при автоматическом отключении участков сети. Например, при коротком замыкании в сети участок сети с коротким замыканием должен отключиться аппаратом, расположенным перед этим участком, а не аппаратом, расположенным ближе в источнику питания, так как последний может включать и другие участки сети.
 

Селективность защиты с отсечкой трансформатора, имеющей время 0 5 сек, обеспечивается.
 

Селективность защиты плавкими предохранителями в разомкнутых сетях, как было показано выше ( см. § 2.4), достигается или путем соответствующего выбора номинальных токов плавких вставок последовательно установленных предохранителей, или путем соответствующего выбора площадей поперечного сечения плавких вставок.
 

Селективность защиты питающих линий и подстанции обеспечивается всегда, так как предохранители перегорают практически мгновенно.
 

Для селективности защиты трансформаторов предохранители выбираются по номинальной силе тока плавкой вставки, исходя из следующих соображений: а) предохранители на стороне низшего напряжения должны защищать трансформатор от перегрузок и от коротких замыканий в сети низкого напряжения. Главный предохранитель на стороне низшего напряжения выбирают по номинальному току трансформатора. При наличии на стороне низшего напряжения нескольких ответвлений для защиты от перегрузок устанавливаются на ответвлениях предохранители, выбираемые по току ответвления; глаиный предохранитель является в этом случае защитой от коротких замыканий на оборке и резервной защитой по отношению к предохранителям ответвлений; б) предохранители на стороне высшего напряжения предназначаются для защиты от повреждений внутри трансформатора и от коротких замыканий на стороне высшего напряжения. Эти предохранители выбирают на 2 — 3-здратный ток для трансформаторов мощностью до 180 ква и на 1 5 — 2-кратный ток для трансформаторов мощностью до 320 ква.
 

Обеспечение селективности защиты различных участков сети вызывает необходимость — определенной последовательности срабатывания реле, установленных в различных ее участках.
 

Чтобы обеспечить селективность защиты при возможных отклонениях параметров вставок, допущенных при их изготовлении, а также при различных условиях работы предохранителя ( в зависимости от места его установки), необходимо подбирать соответственно величины номинальных токов плавких вставок предохранителей на двух смежных участках линии.
 

Чтобы обеспечить селективность защиты, токи плавких вставок предохранителей или расцепителей автоматов, установленных в одной цепи, должны по возможности отличаться не менее чем на две ступени.
 

Чтобы обеспечить селективность защиты при возможных отклонениях параметров вставок, допущенных при их изготовлении, а также при различных условиях работы предохранителя ( в зависимости от места его установки), необходимо подбирать соответственно номинальные токи плавких вставок предохранителей на двух смежных участках линии.
 

Быстродействие и селективность защиты являются требованиями противоположного характера, и во многих случаях достижение одного из них идет в ущерб другому. В конкретных условиях при выборе рационального технического решения приходится находить компромиссное решение

При выборе типа защиты целесообразно учитывать степень важности защищаемого объекта. Более совершенная и дорогостоящая защита оправдывает себя при мощных преобразовательных установках, не допускающих даже кратковременного перерыва электропитания.
 

В противном случае селективность защиты при внешних коротких замыканиях нарушается. Для второй ступени защиты расчет параметров производится аналогично.