Селективность релейной защиты

Что такое селективность

Селективность — это способность релейной защиты отключать только поврежденный участок электросети, оставляя остальную часть системы в работе. Это нужно для обеспечения надежности электроснабжения потребителей и функционирования энергосистемы в целом.

Название происходит от английского глагола «to select» — «выбирать», поэтому данному названию также соответствует термин «избирательность».

Рассмотрим пример возникновения короткого замыкания в различных типах сетей – радиальной и кольцевой.

Короткое замыкание в радиальной сети

При КЗ в радиальной сети (левая схема на рисунке 1), один и тот же ток будет протекать от системы к точке замыкания, через три выключателя – Q, Q1, Q2. Требование селективности заключается в том, чтобы данное КЗ отключал именно выключатель Q2. В данном случае потеряют питание только потребители поврежденной Линии 1.

Если КЗ отключит вводной включатель Q1, то это приведет к погашению всей секции и потере питания потребителями соседней неповрежденной Линии 2. Это пример излишней работы релейной защиты – прямого следствия нарушения селективности!

Ситуация будет еще хуже, если указанное КЗ отключит выключатель стороны высшего напряжения трансформатора, с обозначением Q. В этом случае будут полностью обесточены трансформатор и две нижележащие секции.

Наиболее распространенным способом обеспечения селективности в радиальных сетях является задание выдержек времени (МТЗ, ДЗ).

Короткое замыкание в кольцевой сети

При КЗ на одной из параллельных линий, в кольцевой сети, возникает сразу несколько контуров для протекания токов (красные и оранжевые линии на правой схеме рисунка 1). Величины и направления токов, через выключатели, будут определяться соотношениями между сопротивлениями ветвей КЗ (положением точки КЗ)

Токи КЗ протекают не только через выключатели (и релейную защиту) поврежденной Линии 1, но и через выключатели неповрежденной Линии 2. Эти токи могут привести к отключению обеих линий, что также является примеров излишней (неселективной) работы релейной защиты

В кольцевых сетях сложнее обеспечить селективность, особенно, если речь идет о высоких классах напряжения, где короткие замыкания должны отключаться как можно быстрее. В таких сетях, в качестве основных защит присоединения, чаще используют дифференциальные защиты, дифференциально-фазные защиты, а также защиты с передачей специальных сигналов

Абсолютная и относительная селективность

По способу обеспечения селективности действия релейные защиты делятся на два вида — абсолютные и относительные

Защиты с абсолютной селективностью – защиты, которые реагируют только на короткие замыкания в своей зоне. К ним относятся дифференциальные защиты, токовые отсечки, логические защиты шин и многие другие. Селективность данных защит обеспечивается принципом действия, отстройкой тока срабатывания или обменом сигналами блокировки

Преимуществом защит с абсолютной селективностью является быстродействие, которое обусловлено тем, что не требуется устанавливать выдержки времени для согласования со смежными защитами. Главный недостаток таких защит — невозможность резервировать смежные защиты

Защиты с относительной селективностью – защиты, которые могут срабатывать при КЗ в смежных зонах. К ним относятся максимальные токовые защиты (МТЗ), дистанционные защиты (ДЗ) и селективные токовые отсечки. Селективность этих защит обеспечивается заданием выдержек времени

Преимуществом защит с относительной селективностью (особенно МТЗ) является простота и надежность, однако, такие защиты не могут быть основными в высоковольтных сетях, где быстродействие является критическим требованием. Также защиты с относительной селективностью обеспечивают дальнее резервирование, что существенно увеличивает надежность работы энергосистемы в целом. Про дальнее и ближнее резервирование релейной защиты вы можете прочитать в этой статье

Как обеспечить селективность

Есть несколько способов для обеспечения селективности. Ниже рассмотрим основные

Временная селективность

Данный вид селективности достигается введением различных выдержек времени на защитах, которые расположены на разных уровнях сети.

Классическим примером временной селективности является максимальная токовая защита — МТЗ. Первая выдержка времени обычно появляется на вводах и секционном выключателе 0,4 кВ, на уровне ГРЩ/ВРУ. По мере продвижения от нагрузки к источнику питания выдержки времени увеличиваются ступенчато. Шаг увеличения выдержки времени МТЗ называется ступенью селективности

Ступень селективности в реальных проектах является переменной величиной и зависит не только от типа устройств РЗА, но и от «сетевых» ограничений. Чаще всего время срабатывания МТЗ в точке подключения нового объекта не может быть изменено (см. рис. 2 – верхняя МТЗ с tс.з. = 1,3 с)

Поэтому приходится подстраивать времена срабатывания промежуточных МТЗ для «вписывания» их характеристик между минимальным (ввод 0,4 кВ) и максимальным (отходящая линия РТП/ПС) временами срабатывания граничных МТЗ. Подробнее об этом можно посмотреть в видео ниже

При временной селективности короткое замыкание будет отключаться ближайшей защитой потому, что у нее всегда будет меньшая выдержка времени

Обратите внимание, что простая МТЗ может использоваться только в радиальных сетях, где питание идет «сверху-вниз». Для кольцевых сетей МТЗ обычно дополняется органами направления мощности

Несмотря на простоту реализации временная селективность имеет существенный недостаток – накопление выдержек времени на верхних уровнях распределения, где быстрое отключение коротких замыканий является приоритетом. Поэтому чаще всего, в качестве основной защиты присоединения, МТЗ применяется на классах напряжения 0,4-10 кВ

Токовая селективность

Токовая селективность обеспечивается путем задания тока срабатывания защиты выше, чем максимальный ток КЗ в начале смежной зоны защиты. В этом случае, при КЗ в смежной зоне, отключение всегда будет происходить от выключателя этой зоны потому, что защита с токовой селективностью просто не почувствует это короткое замыкание

Такой тип селективности характерен для токовых отсечек, которые могут срабатывать мгновенно, на любом уровне распределения (нет эффекта накопления выдержек времени). Такие отсечки называют мгновенными

Преимуществом защит с токовой селективностью является простота реализации и быстродействие. Мгновенная токовая отсечка позволяет быстро отключать КЗ с максимальной кратностью, в начале зоны защиты

Основным недостатком мгновенных токовых отсечек является то, что они защищают только часть присоединения, что не позволяет использовать их как основные защиты присоединения

Также стоит отметить, что не на каждом присоединении можно выбрать мгновенную токовую отсечку. Например, на коротких линиях 6-35 кВ не получается отстроить ток срабатывания ТО от максимального тока трехфазного КЗ. В этом случае отсечка не применяется

Подробнее о реализации токовых отсечек и выбора их уставок можно посмотреть в видео ниже 

Времятоковая селективность

Времятоковая селективность — это сочетание временной и токовой селективности, которая чаще всего реализуется в классической трехступенчатой защитной характеристике. Подробнее об это можно посмотреть в нашем видео

Зависимая характеристика МТЗ позволяет плавно изменять время срабатывания, что улучшает быстродействие для токов КЗ большой кратности, сохраняя селективность со смежными защитами

Еще один примером реализации времятоковой селективности является селективная отсечка, ток срабатывания которой отстраивается не от максимального тока КЗ в смежной зоне, а от тока срабатывания мгновенной отсечки смежной зоны. При этом, для обеспечения селективности, на селективной отсечке вводится выдержка времени. Такая селективная отсечка уже может быть основной защитой присоединения, например линии 6-10 кВ, питающей трансформаторные подстанции

Более подробно про селективную токовую отсечку вы можете узнать, посмотреть наше видео

Логическая селективность

Данный вид основан на передаче блокирующих или разрешающих сигналов для ограничения зоны действия защит с относительной селективностью (обычно МТЗ, ДЗ и ТЗНП)

Таким образом защиты с логической селективностью строятся по следующему принципу:

«Базовая защита + логика передачи и обработки сигналов»

Классическим примером такой защиты является логическая защита шин – ЛЗШ.

Эта защита основана на блокировке ступени МТЗ ввода при пуске ступени нижестоящего присоединения (СВ или отходящей линии). То есть вместо реализации временной селективности, через выдержку времени, селективность достигается путем приема блокирующего сигнала МТЗ ввода, при КЗ за нижестоящим присоединении

Например, на рисунке ниже, при КЗ на шинах (левая схема), ток КЗ не протекает через нижестоящие присоединения, и они не формируют блокирующий сигнал для ЛЗШ ввода.  Отключение КЗ на шинах производится с временем действия tлзш = 0,1 с

Если же КЗ происходит на отходящей линии, то через ее защиту протекает аварийный ток, который запускает собственную МТЗ. Сигнал пуска своей МТЗ используется в качестве блокирующего сигнала для ЛЗШ ввода. В это случае на вводе остается в работе обычная МТЗ, которая имеет выдержку времени больше, чем у МТЗ линии. Более подробно об этой защите можно прочитать в нашей статье Логическая защита шин (ЛЗШ)

Разновидностью защит с логической селективностью можно считать дистанционные защиты и токовые защиты нулевой последовательностью с комплектами передачи телесигналов по ВОЛС (разрешающие и блокирующие). При помощи телесигналов можно расширять зоны действия первых (мгновенных) ступеней или ограничивать зоны действия вторых ступеней, работающих с выдержкой времени

Дифференциальные защиты

Дифференциальные защиты обладают абсолютной селективностью, которая обусловлена самим принципом построения защиты

Данные защиты основаны на анализе суммы векторов токов, по всем концам (плечам) защищаемой зоны

Если сумма векторов всех токов равна нулю, то значит короткое замыкание внешнее и срабатывания дифференциальной защиты не происходит

Если сумма векторов всех токов не равна нулю (выше определенного значения тока небаланса), то значит КЗ внутри защищаемой зоны, и происходит срабатывание дифф. защиты

Энергетическая селективность

Это особый вид селективности, свойственный только низковольтным защитным устройствам (автоматические выключатели, предохранители до 1000 В)

Энергетическая селективность основана на токоограничивающем действии дуги, а также конструктивных особенностях некоторых автоматов и предохранителей

При возникновении КЗ за нижестоящим токоограничивающим автоматом, его контакты начинаю быстро расходиться под действием электродинамических сил, что приводит к появлению дуги

Дуга, возникающая между расходящимися контактами, так быстро ограничивает ток КЗ, что он не успевает достичь своего максимального (ожидаемого) значения. Это приводит к резкому ограничению тока КЗ через вышестоящий выключатель настолько, что его отсечка не срабатывает. Таким образом, возможна, например, селективная работа двух последовательных автоматических выключателей, работающих без выдержек времени.

Стоит отметить, что данный вид селективности может быть частичным, то есть только до определенного уровня общего тока КЗ, который проходит через защитные аппараты. Кроме того, требуется соблюдение некоторых дополнительных условий, чтобы достичь энергетической селективности (см. ниже)

Для каждого сочетания защитных устройств производители устанавливают свои условия соблюдения селективности – их следует уточнять при проектировании!

Проверка селективности

Проверка селективности требуется только для защит с относительной селективностью, то есть тех, что могут срабатывать при КЗ на смежных участках. Это проверка нужна между:

• Двумя смежными защитами с относительной селективностью (например, для сочетания «МТЗ → МТЗ»)
• Вышестоящей защитой с относительной селективностью и нижестоящей защитой с абсолютной селективностью (например, для сочетания «МТЗ → ТО мгн.»)

Между двумя защитами с абсолютной селективностью (например, при сочетании «ТО мгн. ­→ ТО мгн.») это требование обеспечивается автоматически, способом выбора токовых уставок срабатывания или самим принципом построения защит

Карта селективности

Для проверки селективности защит строят и анализируют карту селективности – графическое представление характеристик смежных защит на единой времятоковой плоскости

На карте селективности можно визуально определить временные промежутки между смежными защитами. Если эти временные промежутки больше или равны минимально допустимым значениям (ступеням селективности), на всем диапазоне анализа, то такие защиты селективны. Если эти промежутки меньше допустимой ступени селективности, то такие защиты неселективны

Основные правила построения и анализа карты селективности:

1. Все уставки защит должны быть определены до начала построения карты селективности
2. Карта селективности строится в абсолютных значениях — амперах и секундах
3. Все токовые уставки смежных защит должны быть приведены к одному (базовому) напряжению
4. На карте селективности указывают только отключающие ступени защит
5. Анализ временных промежутков проводится попарно, для двух смежных защит
6. Анализ временных промежутков проводится только на диапазоне временной селективности (см. ниже)
7. Анализ временных промежутков проводится с учетом реально протекающих, через смежные защиты, токов

Диапазон временной селективности — диапазон токов от тока срабатывания вышестоящей защиты до максимального тока КЗ нижестоящей защиты. Именно на этом диапазоне должны выполняться временная селективность.

Чаще всего на карте селективности также указываются мгновенные отсечки, которые могут пересекать нижестоящие характеристики (см. рисунок ниже)

Если отсечка (токовая селективность) выбрана правильно, то она всегда находится вне диапазона временной селективности и не должна приниматься во внимание при анализе временных промежутков (временной селективности)

На реальной карте селективности обычно приводят несколько смежных защит (цепочку), анализ селективности которых проводится попарно.

Для построения карт селективности можно использовать Excel или специализированные программные комплексы. Карта ниже построена в нашем сервисе Гридис-онлайн

Можно отметить, что в современных проектах к оформлению и анализу карт селективности есть требования к отображению всех погрешностей срабатывания защитных устройств, особенно для устройств в низковольтных сетях (автоматические выключатели и предохранители).

В зарубежных проектах карта используется не только для определения селективности, но и для проверки отстройки от пусковых режимов и проверки термической стойкости оборудования, что обусловленно массовым применением зависимых характеристик максимальных токовых защит. Если вам интересна тема анализа зависимых ступеней МТЗ, то рекомендуем серию статей «Селективность МТЗ в многоуровневых сетях 6-10 кВ»

Если хотите научиться строить и анализировать карты селективности, то рекомендуем наш курс «Построение и анализ карты селективности»

Таблицы селективности

Для низковольтных защитных аппаратов, которые обладают свойством энергетической селективности (см. выше), селективность в зоне токов коротких замыканий нельзя определить по карте селективности потому, что эти аппараты работают преимущественно без выдержек времени

Нормативная база для координации низковольтный защитных устройств приведена в ГОСТ Р 50030.2—2010 (Приложение А). Селективность автоматических выключателей и предохранителей можно определить по таблицам селективности, которые должны предоставлять производители устройств (см. п.А.5 Проверка селективности)

Согласно ГОСТ Р 50030.2—2010 селективность защитных устройств может быть полной (для любых токов КЗ) или частичной (только до определенного тока за нижестоящей защитой). Предел селективности можно увидеть в реальных таблицах селективности

Таблицы селективности составляются производителем защитных устройств на основе множественных экспериментов. Из этого следует, что:

• энергетическую селективность может определить только сам производитель (не проектировщик, и не наладчик)
• энергетическую селективность можно определить только между устройствами одного производителя

Для правильно работы с таблицами селективности нужно помнить и выполнять дополнительные требования к набору функций защит и предельным значениям уставок, которые обычно приводятся в том же документе, что и сами таблицы

Если вам интересна тема селективности, каскадирования и смежных расчетов для защитных аппаратов 0,4 кВ, то рекомендуем наш курс «Учет токоограничения при выборе проводников и оборудования в сетях до 1000 В»