Система автоматической защиты - устройство предназначенное для своевременного отключения энергетической установки или отдельных ее устройств при достижении каким-либо контролируемым параметром предельно допустимой величины, способной вызвать аварийную ситуацию.
Цель данного доклада заключается в использование систем автоматической защиты в электрических цепях.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• Выяснить какие устройства входят в систему автоматической защиты
• Узнать какие на сегодняшняя время существуют современные устройства системы автоматической защиты
Методом исследования в данном докладе послужит теоретический анализ источников и литературы. Для решения вышеуказанных задач были изучены специальные источники и литература в данном исследований.
Системы автоматической защиты(САЗ), предназначенные для защиты машин и механизмов, а также человека, участвующего в производственном процессе, могут строиться по двум основным направлениям. Во-первых, эти системы должны обеспечивать бесперебойную и надежную работу всех машин, механизмов и другого используемого в производственном процессе оборудования. При возникновении возможных отклонений от нормального режима работы система защиты должна через устройства сигнализации оповещать обслуживающий персонал об этих изменениях для принятия соответствующих мер по их устранению.
Во-вторых, системы автоматической защиты должны быть направлены на обеспечение безопасности выполнения работ при несоблюдении или нарушении рабочим персоналом правил техники безопасности. В этих случаях система автоматики обязана либо полностью останавливать весь производственный процесс, либо тот его участок, где произошло это нарушение.
Для выполнения всего перечисленного необходимо постоянно контролировать все основные технологические параметры производственного процесса. Поэтому структура систем автоматической защиты аналогична рассмотренным ранее измерительным системам, т.е. САК, и в её состав (рис.1) также входят датчик с измерительной схемой и усилителем, но выходной сигнал х3 с него поступает на исполнительный элемент ИЭ. С помощью исполнительного элемента сигналом хвых осуществляется либо включение необходимой сигнализации о чрезмерном превышении контролируемого параметра, либо производственный процесс полностью останавливается (или его отдельный участок), как правило, с помощью отключения системы электроснабжения к объекту автоматизации.
Рис.1 Структурная схема системы автоматической защиты
В качестве исполнительных элементов в системах защиты могут использоваться, прежде всего, различные конечные выключатели и ограничители, многие виды реле и электромагнитов, некоторые модификации маломощных электродвигателей и, наконец, современные разработки полупроводниковых устройств, с помощью которых осуществляется остановка производственного процесса и обеспечивается требуемая безопасность проведения тех или иных работ.
В соответствии с этим системы автоматической защиты подразделяются на две основные группы:
• Системы, обеспечивающие предотвращение аварий машин, механизмов и устройств, используемых при проведении строительных и других работ.
• Системы, обеспечивающие безопасность человека и предотвращающие нежелательные последствия нарушений правил техники безопасности при проведении этих работ, в случае возникновения экстренных ситуаций.
Например, в аппаратуре управления электроприводом широко используются для защиты электродвигателей при их пуске и от перегрузок специальные тепловые токовые реле. С другой стороны, для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током применяются соответствующие схемы включения работающего электрооборудования, позволяющие полностью отключать его от систем электроснабжения.
Следует заметить, что на рис.1 представлена структура системы автоматической защиты с использованием в качестве измерительной системы небалансную систему прямого измерения, что, конечно не исключает применения для этих целей более сложных балансных измерительных систем, но это зависит от конкретных целей и условий
Реле
Реле - это электрический выключатель, который разъединяет или соединяет цепь при создании определенных условий. Различаются реле по конструкционным особенностям и по типу поступающего сигнала. Электрические устройства наиболее востребованы и широко применяются во всех отраслях промышленности и обслуживающей сферы
ПРИМЕНЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Реле - это электромагнитное переключающее устройство, регулирующее работу управляемых объектов при поступлении необходимого значения сигнала. Электрическая цепь, которую регулируют при помощи реле, называют управляемой, а цепь, по которой идет сигнал к устройству называется управляющей.
Реле выступает, своего рода, усилителем сигнала, т.е. при помощи небольшой подачи электричества на это устройство, замыкается более мощная цепь. Различают реле, работающие от постоянного тока и переменного. Устройство переменного тока срабатывает при прохождении входного сигнала определенной частоты. Реле постоянного тока могут приходить в рабочее состояние при одностороннем протекании тока (поляризованные), и при движении электричества в двух направлениях (нейтральные).
УСТРОЙСТВО РЕЛЕ
Наиболее простая схема устройства реле состоит из якоря, магнитов и соединяющих элементов. При подачи тока на электромагнит, он замыкает якорь с контактом, в результате чего цепь замыкается. Когда ток становится меньше определенной величины, якорь под действием давящей силы пружины возвращается в первоначальное положение и цепь размыкается. На ряду с основными элементами, в состав реле могут входить резисторы для более точной работы устройства и конденсаторы, обеспечивающие защиту от искрения и скачков напряжения.
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕЛЕ
Электромагнитное реле включается под действием электрического тока, поступающего на обмотку. На рисунке изображен принцип работы клапанного реле. Когда достигается нужная величина силы тока, в системе возникает электромагнитная сила, которая притягивает якорь (3) к поверхности ярма(1), при чем пружина (2) под действием электромагнитного поля прогибается. Вместе с якорем движется контакт (4) и давит на контакт внешней цепи (5), который при достижении определенной силы соприкасается с другим проводником (6).
После замыкания цепи срабатывает управляемый элемент (7), который производит определенное действие. Исходное положение может быть разомкнутым, как в данном примере, так и замкнутым. В последнем случае управляемый элемент выключается, при достижении определенного значения поступающего тока.
Когда силы тока становится недостаточно, чтобы удерживать якорь в нижнем положении, когда контакты 5 и 6 соприкасаются, пружина отводит якорь и размыкает цепь. Управляющее устройство перестает снабжаться электричеством и прекращает свою работу.
Большинство электромагнитных реле снабжаются не одной парой контактов, как в приведенном примере, а несколькими. В этом случае можно управлять одновременно многочисленными электрическими цепями.
Назначение
Реле широко применяются во многих областях и сферах. Эти устройства имеют сложную классификацию, попробуем для наглядности их поделить на несколько групп:
1. В области применения делятся:
• Управление электрических систем
• Защита систем
• Автоматизация систем
2. В зависимости от принципа действия делятся:
• Электромагнитные
• Магнитолектические
• Тепловые
• Индукционные
• Полупроводниковые
3. От вида поступающего параметра, реле делятся на:
• Тока
• Напряжения
• Частоты
• Мощности
4. По принципу воздействия на управляющую часть
• Контактные
• Бесконтактные
Требования к реле
1. Реле должно иметь большое число контактов при небольших размерах и весе;
2. Обладать высокой чувствительностью;
3. Иметь высокую надежность;
4. Большую коммутируемую мощность;
5. Малое время срабатывания и отпускания якоря;
6. Большой срок службы;
7. Большую износоустойчивость и ремонтопригодность;
8. Прочную конструкцию, обеспечивающую достаточную вибро- и удароустойчивость;
9. Надежно и стабильно работать при значительных колебаниях параметров окружающей среды;
10. Иметь малую стоимость.
Автоматический выключатель
Автоматические выключатели (выключатели, автоматы) являются коммутационными электрическими аппаратами, предназначенными для проведения тока цепи в нормальных режимах и для автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов (токов короткого замыкания, токов перегрузки, снижения или исчезновения напряжения, изменения направления тока, возникновения магнитного поля мощных генераторов в аварийных условиях и др.), а также для нечастой коммутации номинальных токов (6-30 раз в сутки).
Благодаря простоте, удобству, безопасности обслуживания и надежности защиты от токов короткого замыкания эти аппараты широко применяются в электрических установках малой и большой мощности.
Автоматические выключатели относятся к коммутационным аппаратам ручного управления, однако многие типы имеют электромагнитный или электродвигательный привод, что дает возможность управлять ими на расстоянии
Принцип действия
Выключаются автоматы обычно вручную (приводом или дистанционно), а при нарушении нормального режима эксплуатации (появление сверхтоков или снижение напряжения) - автоматически. При этом каждый автомат снабжается расщепителем максимального, а в некоторых типах расцепителем минимального напряжения.
По выполняемым функциям защиты автоматические выключатели делятся на автоматы: максимального тока, понижения напряжения и обратной мощности.
Автоматы максимального тока служат для автоматического размыкания электрической цепи при возникновении в ней токов короткого замыкания и перегрузок сверх установленного предела. Заменяя собой, рубильник и плавкий предохранитель, они обеспечивают более надежную и избирательную защиту при нештатных режимах.
Если условия среды отличны от нормальных (влажность воздуха выше 85% и в нем содержатся примеси вредных паров), то автоматические выключатели следует помещать в ящики и шкафы пылевлагонепроницаемого и химостойкого исполнения.
Классификация
Автоматические выключатели подразделяются на:
• Установочные автоматические выключатели имеют защитный изоляционный (пластмассовый) корпус и могут устанавливаться в общедоступных местах;
• Универсальные - не имеют такого корпуса и предназначены для установки в распределительных устройствах;
• Быстродействующие (собственное время срабатывания не превышает 5 мс);
• Небыстродействующие (от 10 до 100 мс);
Быстродействие обеспечивается самим принципом действия (поляризованный электромагнитный или индукционно-динамический принципы и др.), а также условиями для быстрого гашения электрической дуги. Подобный принцип используется в токоограничивающих автоматах;
• Селективные, имеющие регулируемое время срабатывания в зоне токов короткого замыкания;
• Автоматы обратного тока, срабатывающие только при изменении направления тока в защищаемой цепи;
• Поляризованные автоматы отключают цепь только при нарастании тока в прямом направлении, неполяризованные - при любом направлении тока.
Конструкция
Особенности конструкции и принцип действия автомата определяются его назначением и сферой применения.
Включение и выключение автомата может производиться вручную, электродвигательным или электромагнитным приводом.
Ручной привод применяется при номинальных токах до 1000 А и обеспечивает гарантируемую предельную коммутационную способность вне зависимости от скорости движения включающей рукоятки (оператор должен производить операцию включения решительно: начав -- доводить до конца).
Электромагнитный и электродвигательный приводы питаются от источников напряжения. Схема управления привода должна иметь защиту от повторного включения на короткозамкнутую цепь, при этом процесс включения автомата на предельные токи короткого замыкания должен прекратиться при напряжении питания 85 - 110% от номинального.
При перегрузках и токах короткого замыкания отключение выключателя производится независимо от того, удерживается ли рукоятка управления во включенном положении.
Важной составной частью автомата является расцепитель, который контролирует заданный параметр защищаемой цепи и воздействует на расцепляющее устройство, отключающее автомат. Кроме того, расцепитель позволяет производить дистанционное отключение автомата. Наиболее широкое распространение получили расцепители следующих типов:
• электромагнитные для защиты от токов короткого замыкания;
• тепловые для защиты от перегрузок;
• комбинированные;
• полупроводниковые, обладающие большой стабильностью параметров срабатывания и удобством в настройке.
Для коммутации цепи без тока или для редких коммутаций номинального тока могут применяться автоматы без расщепителей.
Выпускаемые промышленностью серии автоматических выключателей рассчитаны на применение в различных климатических поясах, размещение в местах с разными условиями эксплуатации, на работу в условиях, различных по механическим воздействиям и по взрывоопасности среды, и обладают разной степенью защиты от прикосновения и от внешних воздействий.
Информация о конкретных типах аппаратов, их типов исполнения и типов размера приведена в нормативно-технических документах. Как правило, таким документом являются Технические условия (ТУ) завода. В некоторых случаях с целью унификации для изделий, имеющих широкое применение и производимых несколькими предприятиями, уровень документа повышается (иногда до уровня Государственного стандарта).
Автоматические выключатели состоят из следующих основных узлов:
• контактной системы;
• дугогасительной системы;
• расцепителей;
• механизма управления;
• механизма свободного расцепления.
Контактная система состоит из неподвижных контактов, закрепленных в корпусе, и подвижных контактов, шарнирно посаженных на полуоси рычага механизма управления, и обеспечивает, обычно, одинарный разрыв цепи.
Дугогасительное устройство устанавливается в каждом полюсе выключателя и предназначается для локализации электрической дуги в ограниченном объеме. Оно представляет собой дугогасительную камеру с деионной решеткой из стальных пластин. Могут быть предусмотрены также искрогасители, представляющие собой фибровые пластины.
Механизм свободного расцепления представляет собой шарнирный 3- или 4-звенный механизм, который обеспечивает расцепление и отключение контактной системы как при автоматическом, так и при ручном управлении.
Электромагнитный максимальный расцепитель тока, представляющий собой электромагнит с якорем, обеспечивает автоматическое отключение выключателя при токах короткого замыкания, превышающих уставку по току. Электромагнитные расцепители тока с устройством гидравлического замедления срабатывания имеют обратнозависимую от тока выдержку времени для защиты от токов перегрузки.
Тепловой максимальный расцепитель представляет собой термобиметаллическую пластину. При токах перегрузки деформация и усилия этой пластины обеспечивают автоматическое отключение выключателя. Выдержка времени уменьшается с ростом тока.
Полупроводниковые расцепители состоят из измерительного элемента, блока полупроводниковых реле и выходного электромагнита, воздействующего на механизм свободного расцепления автомата. В качестве измерительного элемента используется трансформатор тока (на переменном токе) или дроссельный магнитный усилитель (на постоянном токе).
Полупроводниковый расцепитель тока допускает регулировку следующих параметров:
• номинального тока расцепителя;
• уставки по току срабатывания в зоне токов короткого замыкания (ток отсечки);
• уставки по времени срабатывания в зоне токов перегрузки;
• уставки по времени срабатывания в зоне токов короткого замыкания (для селективных выключателей).
Во многих автоматах применяют комбинированные расцепители, использующие тепловые элементы для защиты от токов перегрузок и электромагнитные для защиты от токов коротких замыканий без выдержки времени (отсечки).
Выключатель имеет также дополнительные сборочные единицы, которые встраиваются в выключатель или крепятся к нему снаружи. Ими могут быть независимый, нулевой и минимальный расцепители, свободные и вспомогательные контакты, ручной и электромагнитный дистанционный привод, сигнализация автоматического отключения, устройство для запирания выключателя в положении „отключено".
Независимый расцепитель представляет собой электромагнит с питанием от постороннего источника напряжения. Минимальный и нулевой расцепители могут выполняться с выдержкой времени и без выдержки времени. С помощью независимого или минимального расцепителя возможно дистанционное отключение автомата.
Микропроцессорные устройства релейной защиты
Современные разработки в области микропроцессорной техники позволили создать полноценные устройства релейной защиты и автоматики, которые являются альтернативной заменой электромеханическим устройствам. В данной статье кратко охарактеризуем современные микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики оборудования электроустановок, а также приведем их основные преимущества и недостатки.
МП устройства характеризуются множеством преимуществ, среди которых можно выделить:
• надежность;
• быстродействие;
• селективность;
• высокая чувствительность;
• многофункциональность;
• удобство обслуживания;
Существенное преимущество микропроцессорных устройств защиты - это их многофункциональность. МП-устройства производят измерения основных электрических величин. То есть данные устройства являются достойной заменой не только защитных устройств, но и аналоговых измерительных приборов.
Например, терминал защит линий 110кВ выполняет функции дистанционной защиты, токовой направленной защиты нулевой последовательности, а также осуществляет измерение основных электрических величин. На ЖК-дисплее данного устройства персонал, обслуживающий данную электроустановку, может контролировать нагрузку данной линии по фазам, напряжение, потребляемую активную и реактивную мощность.
Каждый электромонтер, который осуществляет оперативное обслуживание подстанции, знаком с так называемой схемой-макетом (оперативной схемой). При производстве оперативных переключений, электромонтер отображает выполненные изменения на схеме-макете вручную. Это необходимо для того, чтобы убедиться в правильности и достаточности выполненных операций, а также для удобства контроля положений коммутационных аппаратов.
МП-устройства имеют еще одну полезную функцию - отображение мнемосхемы присоединения. Эта функция позволяет контролировать положение коммутационных аппаратов, заземляющих устройств. Микропроцессорные устройства всех присоединений подстанции подключаются к системе SCADA, на которой отображается вся схема подстанции. В данном случае система SCADA является альтернативной заменой схеме-макету. Если в схеме-макете изменения положения коммутационных аппаратов фиксировались вручную, то в системе SCADA эти функции выполняются автоматически.
Электромонтер при производстве оперативных переключений проверяет соответствие схемы подстанции фактически отображенной на мониторе SCADA.
Следует отметить, что возможность подключения микропроцессорных устройств управления, автоматики и защиты оборудования к системе АСУ ТП позволяет дистанционно осуществлять контроль над режимом работы оборудования, а также производить операции с коммутационными аппаратами (выключателями) без необходимости наличия на подстанции постоянного обслуживающего персонала.
Несмотря на многочисленные преимущества, у МП-защит есть и некоторые недостатки. Один из существенных недостатков данного типа защит - достаточно узкий диапазон рабочих температур. Поэтому в помещениях, где расположены щиты управления оборудованием (в данном случае укомплектованных микропроцессорными устройствами РЗА) необходимо обеспечить оптимальные климатические условия. В зимний период - это достаточный обогрев помещения, а в период высоких температур - наличие кондиционеров.
В противном случае, при нарушении установленного диапазона рабочих температур, МП-устройства могут работать некорректно, что может повлечь за собой возникновение аварийных ситуаций.
Из этого следует, что при планировании замены электромагнитных устройств защиты на микропроцессорные, обязательным условием является обеспечение оптимальных климатических условий в помещении, где планируется их установка. Это в свою очередь влечет за собой дополнительные расходы.
В этом отношении электромеханические устройства РЗА имеют преимущество, так как их диапазон рабочих температур значительно шире.
Еще один существенный недостаток МП-защит заключается в том, что при потере оперативного тока, осуществляющего питание данных устройств, или при сбое в программном обеспечении, оборудование электроустановки остается без защиты. В данном случае при возникновении короткого замыкания на одном из участков сети может произойти повреждение электрооборудования (если нет резервирующей защиты).
В то время как устройства защиты электромеханического исполнения, токовые цепи которых непосредственно воздействуют на соленоид отключения привода выключателя, отключают выключатель в любом случае, в том числе и при отсутствии оперативного тока.
Исчезновение оперативного тока на подстанциях - это достаточно редкое явление, так как для этой цели используются аккумуляторные батареи, способные некоторое время обеспечивать устройства защит, автоматики и управления оборудования в рабочем состоянии. Но в случае повреждения в распределительном щите постоянного тока или на кабеле, подающего оперативный ток к шкафам защит оборудования, происходит обесточение защитных устройств.
Недостатки характерны для всех типов устройств, в том числе и для электромагнитных и полупроводниковых защит. На фоне преимуществ микропроцессорных терминалов, их недостатками можно пренебречь. За данными устройствами будущее энергетической отрасли.
