Конденсаторные установки промышленных предприятий - Релейная защита

2.5. Релейная защита

Каждая КУ должна иметь общую защиту всей установки в целом от токов КЗ, осуществляемую в соответствии с ПУЭ. Конденсаторные установки 380 В должны иметь защиту от токов КЗ с наименьшим временем отключения и обеспечения требований селективности. Так как КУ 380 В комплектуется из конденсаторов, имеющих встроенные индивидуальные предохранители, то остается необходимость выполнить только общую защиту, которая может быть осуществлена установкой предохранителей с рубильником или контактором (см. рис. 2.3, в, г) и установкой автоматического выключателя (рис. 2.3, д).
Ток для выбора плавких вставок предохранителей /в, А. для общей защиты КУ определяется по формуле

где Побщ — общее количество конденсаторов в установке, шт.; Qhom — номинальная мощность одного конденсатора, кВАр; Uл — линейное напряжение сети, кВ.
Например, для конденсаторной установки 380 В, состоящей из шести конденсаторов по 13 кВАр, ток плавкой вставки 1В предохранителей общей защиты установки будет

Автоматический выключатель должен иметь комбинированный расцепитель, обеспечивающий защиту от перегрузки и максимальную защиту с плавной регулировкой тока.
Уставка тока максимального реле тока или расцепителя автоматического выключателя с учетом перегрузочной способности конденсаторов не должна превышать 130 % н0~ минального тока конденсаторной установки; для предыдущего примера

Защита КУ в осветительных сетях осуществляется общим автоматическим выключателем. При присоединении конденсаторных установок непосредственно к ЭП защита ее осуществляется защитой ЭП. Общая защита КУ 380 В большой мощности должна осуществляться аналогично защитам КУ 6—10 кВ с помощью релейной аппаратуры.
Конденсаторные установки 3—10 кВ в соответствии с Правилами устройства электроустановок должны иметь следующие защиты:
от КЗ, общую для всей конденсаторной установки, выполняемую в виде максимальной токовой защиты, действующей на отключение без выдержки времени;
от КЗ в самих конденсаторах, не снабженных встроенной индивидуальной защитой;
от перегрузки токами высших гармоник, если такая перегрузка возможна;
от повышения напряжения, когда известно, что уровень напряжения в месте присоединения конденсаторных установок будет превышать 110% номинального напряжения.
При применении автоматического регулирования по напряжению отдельной защиты от повышения напряжения не выполняют, так как в схеме автоматического регулирования предусматривается отключение конденсаторной установки при повышении напряжения сверх номинального;
от однофазных замыканий на землю при токе однофазного замыкания в сети 20 А и выше.
Следует учитывать также действие автоматики повторного включения (АПВ). Наличие конденсаторной установки вызывает изменение условий режима работы электрооборудования, так как остаточное напряжение сохраняется в течение 2—3 с, тогда как при отсутствии конденсаторной установки это время равно примерно 0,5 с.
Для надежного действия максимальной токовой защиты при КЗ необходимо, чтобы расчетный ток КЗ был больше тока срабатывания защиты. Так как защита действует без выдержки времени, то она должна быть отстроена при нормальной работе от рабочего тока, тока включения, тока разряда в сеть. Согласно техническим данным конденсаторы допускают длительную работу при действующем значении тока, равном 130 % номинального.
Ток включения и ток разряда КУ вызываются переходными процессами. Ток включения возникает при подаче напряжения на конденсаторы, а ток разряда в сеть —при КЗ в сети, к которой присоединены конденсаторы. Значение и длительность прохождения этих токов определяются параметрами КУ и питающей сети. Однако эти токи очень быстро затухают, хотя бывают в несколько раз больше номинального тока КУ. Во избежание ложного срабатывания общей защиты КУ от КЗ ток уставки максимальной защиты принимают примерно в 2 раза больше ее номинального тока.
В схемах защиты КУ применяются обычные электромагнитные токовые реле мгновенного действия, могут быть использованы также индукционные токовые реле с ограниченно зависимой выдержкой времени. Эти реле обеспечивают защиту не только от токов КЗ, но и от перегрузки.
Защита КУ от перегрузки может работать надежно в том случае, если количество включенных конденсаторов не изменяется. Но если в условиях автоматического регулирования мощности конденсаторных установок под один главный выключатель присоединено несколько секций и каждая имеет свой выключатель, то при включении или отключении части установки ток, проходящий через токовые реле, будет изменяться. Изменять уставки реле при всяком изменении включенной мощности установки не допускается.
При КЗ в конденсаторах очень важно не допускать в них возрастания энергии дуги, возникающей внутри поврежденного конденсатора, до значения, при котором корпус конденсатора может быть разрушен. Невыполнение этого требования может привести не только к разрушению самих конденсаторов, но и к повреждению находящегося вблизи них оборудования. Защиту конденсаторов 3—10 кВ от токов КЗ осуществляют быстродействующими и топко-ограничивающими плавкими предохранителями типа ПК. При правильном выборе предохранителей своевременно локализуется повреждение защищаемых конденсаторов.
Основными условиями при выборе предохранителей для защиты конденсаторов являются следующие:
номинальное напряжение предохранителей должно соответствовать напряжению сети, в которой устанавливаются конденсаторы;
предохранители должны выдерживать значительные колебания нагрузки, обычные в условиях нормального режима работы конденсаторов;
предохранители должны быть рассчитаны на периодические переходные токи. Для конденсаторов малой мощности броски тока по отношению к номинальному при включении имеют большую кратность, чем для мощных конденсаторов;
при параллельном соединении конденсаторов предохранители должны выдерживать максимальный разрядный ток, проходящий от неповрежденных конденсаторов к поврежденному;
предохранители должны быстро отключать поврежденный конденсатор, обеспечивая при этом требования селективности;
разрывная мощность предохранителей должна быть не меньше возникающей на выводах конденсатора мощности КЗ;
при пробое отдельных соединенных последовательно секций конденсатора номинальный ток плавкой вставки предохранителя не должен значительно превышать номинальный ток конденсатора. Согласно «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей» номинальный ток плавкой вставки предохранителя /в, А, не должен превышать 160% номинального тока защищаемого им конденсатора, т. е.

где Qhom — номинальная мощность однофазного конденсатора, кВАр; [УНом — номинальное напряжение сети, кВ.
Номинальный ток плавкой вставки для защиты конденсатора необходимо выбирать: для предохранителей с номинальным током более 30 А — не менее 150% номинального тока конденсатора; для предохранителей с малыми значениями номинальных токов (менее 30 А)—200 % номинального тока конденсатора. Способность выдерживать переходные токи включения конденсаторов у плавких вставок с малыми значениями номинальных токов значительно меньше, чем у плавких вставок, рассчитанных на большие номинальные токи. В табл. 2.2 приведены рекомендации по выбору плавких вставок предохранителей для индивидуальной защиты однофазных конденсаторов выше 1000 В.

Таблица 2.2. Плавкие вставки предохранителей для индивидуальной защиты однофазных конденсаторов

Рассмотрим защиту предохранителей для однофазного конденсатора 6,3 кВ, 17 кВАр, который состоит из семи последовательно соединенных секций. Номинальный ток конденсатора 2,7 А. По табл. 2.2 плавкая вставка предохранителя 'принята на номинальный ток 5 А. Проходящий через предохранитель ток при КЗ в одной секции конденсатора будет

где п — общее количество последовательных секций внутри конденсатора; k — количество поврежденных секций.
При возрастании количества поврежденных секций ток увеличится и составит при КЗ во второй секции 3,78 А, в третьей — 4,72 А и последующих — 6,3; 9,45 и 18,9 А.
На рис. 2.8 приведена зависимость тока плавления плавкой вставки от времени для индивидуального предохранителя при КЗ в различных секциях однофазного конденсатора. При правильном выборе плавкой вставки предохранителя последний может срабатывать до пробоя последней секции конденсатора, и этим будет исключена возможность повреждения бака конденсатора.
В КУ с параллельным соединением нескольких конденсаторов, из которых каждый защищен индивидуальным предохранителем, селективная работа предохранителей обеспечивается тем, что при повреждении одного из конденсаторов проходящий в нем ток будет состоять не только из тока КЗ нормальной частоты, создаваемого источником питания, но и из разрядного тока высокой частоты, обусловленного присоединенными параллельно неповрежденными конденсаторами. Следовательно, защита конденсаторов индивидуальными предохранителями может обеспечить селективное отключение КЗ в конденсаторах и с увеличением мощности конденсаторов в единице становится более целесообразной.

Рис. 2.8. Время плавления плавкой вставки индивидуального предохранителя при КЗ в различных секциях однофазного конденсатора:
1 — номинальный ток плавкой вставки; 2 — номинальный ток конденсатора; 3 секции конденсатора

Для индивидуальной защиты конденсаторов целесообразно применять малогабаритные предохранители, которые могут прикрепляться одним концом жестко к главным шинам, а другим — к изолятору конденсатора (гибким проводом); такие малогабаритные предохранители выпускаются за рубежом [7]. В электрических сетях даже при синусоидальных ЭДС источников электрической энергии кривые тока и напряжений могут быть значительно искажены и отличаться от синусоиды. В таких случаях считают, что кроме основной частоты необходимо учитывать и составляющие более высоких частот.
При определенных условиях в зависимости от мощности системы, схемы электроснабжения и мощности конденсаторной установки могут возникать резонансные явления на той или иной частоте. Наибольшей перегрузке конденсаторной установки подвергаются при возникновении резонансных токов на частоте низких гармоник. Чтобы резонансные явления не происходили, в схемах КУ необходимо изменять частоту собственных колебаний контуров. Для этого последовательно с конденсаторной установкой включают реактор, что приводит к увеличению потерь мощности и повышению напряжения на конденсаторах. Поэтому на мощных КУ реакторы включаются последовательно с частью конденсаторов, с которыми создают резонансный контур для первых из ряда гармоник; таким образом, они оказываются закороченными этими контурами и остаются не опасными для остальной части конденсаторов, включенных без реакторов.
Во избежание резонанса, который может возникнуть в процессе эксплуатации, КУ разделяются на отдельные секции, позволяющие изменять емкость присоединенных конденсаторов. Таким образом, КУ, у которых возможна перегрузка высшими гармониками тока, должны быть оборудованы устройствами, ограничивающими их значение.