Защита МТЗ - виды, конструкция, принцип работы и применение

Статья обновлена: 18.08.2025

Максимальная токовая защита (МТЗ) является фундаментальным элементом релейной защиты электроэнергетических систем.

Данная статья детально рассматривает классификацию видов МТЗ, конструктивное исполнение её компонентов, физические принципы срабатывания и ключевые функции в обеспечении надёжности электроснабжения.

Конструкция релейного модуля максимальной токовой защиты

Релейный модуль максимальной токовой защиты (МТЗ) представляет собой компактное устройство, объединяющее функциональные блоки для обнаружения сверхтоков и инициирования отключения аварийного участка сети. Его конструкция обеспечивает преобразование входных сигналов, анализ параметров тока и формирование управляющих команд.

Основными компонентами модуля являются измерительная часть, логический блок и выходные реле. Измерительная часть включает трансформаторы тока (ТТ), подключенные к защищаемой линии, и цепи преобразования сигналов. Логический блок содержит электронные схемы или микропроцессор, реализующие заданную времятоковую характеристику. Выходные реле обеспечивают гальваническую развязку и подачу сигнала на отключающие устройства.

Ключевые элементы и их назначение

Трансформаторы тока (ТТ): снижают первичный ток до безопасного уровня для обработки модулем.
АЦП (Аналого-цифровой преобразователь): оцифровывает аналоговый сигнал для микропроцессорного анализа.
Микропроцессор: сравнивает ток с уставками, вычисляет время срабатывания по характеристике (например, МТО или МТВ).
Реле выхода: электромеханическое или твердотельное, замыкает цепь отключения выключателя при команде от логики.
Блок индикации: светодиоды или дисплей для отображения состояния и уставок.

Компонент	Назначение
Фильтры помех	Подавление высокочастотных искажений в измерительной цепи
Источник питания	Преобразование входного напряжения для питания электронных схем
Память	Хранение уставок и регистрация аварийных событий

При превышении тока уставки микропроцессор формирует сигнал, активирующий выходное реле через усилитель мощности. Конструкция предусматривает модульную компоновку для упрощения обслуживания и замены блоков. Корпус выполняется из негорючих материалов с защитой от пыли и влаги по стандарту IP.

Физический принцип измерения тока в устройствах МТЗ

Трансформаторы тока (ТТ) являются основным средством измерения. Они работают на принципе электромагнитной индукции: переменный ток первичной обмотки создаёт магнитный поток в сердечнике, индуцируя пропорционально уменьшенный ток во вторичной обмотке. Этот сигнал передаётся на реле защиты без гальванической связи с силовой цепью.

Альтернативные методы включают датчики Холла, использующие поперечное напряжение при помещении полупроводника в магнитное поле тока, и измерительные шунты, где ток определяется через падение напряжения на калиброванном сопротивлении. Все методы обеспечивают преобразование тока в пропорциональный сигнал для обработки защитными устройствами.

Ключевые особенности методов измерения

Метод	Физический принцип	Область применения в МТЗ
Трансформатор тока	Электромагнитная индукция (Фарадея)	Сети переменного тока ≥1 кВ
Датчик Холла	Генерация поперечного напряжения в магнитном поле	Цепи постоянного тока, компактные установки
Измерительный шунт	Падение напряжения на резисторе (закон Ома)	Низковольтные цепи до 1000 В

Для всех методов критична линейность преобразования в рабочем диапазоне токов КЗ. ТТ обеспечивают гальваническую развязку и стандартизированные выходные сигналы (1А/5А), что упрощает интеграцию с релейной защитой. Датчики Холла и шунты требуют дополнительных схем усиления и фильтрации.

Оперативное назначение МТЗ в силовых цепях

Максимальная токовая защита (МТЗ) обеспечивает мгновенное или минимально задержанное отключение поврежденного участка силовой цепи при возникновении токов короткого замыкания (КЗ). Ее ключевая оперативная задача – предотвращение разрушительного теплового и электродинамического воздействия сверхтоков на электрооборудование (кабели, шины, трансформаторы, двигатели) путем быстрой локализации аварии.

МТЗ поддерживает устойчивость энергосистемы за счет селективного срабатывания только на защищаемом участке, минимизируя зону отключения. Это сокращает длительность протекания токов КЗ через оборудование, снижая риск возгораний, деформации токоведущих частей и выхода из строя дорогостоящих элементов сети.

Основные оперативные функции

Быстродействующая селективность: Отключение КЗ в пределах заданной зоны ответственности без ложных срабатываний на соседних участках.
Защита от межфазных замыканий: Реагирование на сверхтоки при КЗ между фазами в сетях с изолированной/компенсированной нейтралью.
Резервирование близлежащих защит: Дублирование функций более чувствительных устройств (дифзащит, газовых реле) при их отказе.
Ограничение развития аварии: Предотвращение перерастания КЗ в общесистемную аварию за счет скоростного разделения сети.

Алгоритм расчета уставок срабатывания защиты

Расчет уставок МТЗ начинается с определения тока срабатывания защиты (I_с.з). Он должен превышать максимальный рабочий ток защищаемого объекта (I_раб.max) с учетом самозапуска электродвигателей и возможных перегрузок. Формула базового расчета: I_с.з = K_н × I_раб.max / K_в, где K_н – коэффициент надежности (1.1–1.2), а K_в – коэффициент возврата реле (0.85–0.95). Значение I_раб.max берут из проектных данных или измерений.

Второй этап – проверка чувствительности защиты при КЗ в минимальном режиме работы сети (I_к.мин). Коэффициент чувствительности (K_ч) вычисляют как: K_ч = I_к.мин / I_с.з. Требуемое значение K_ч ≥ 1.5 (для основной защиты) или ≥ 1.2 (для резервной). Если условие не выполняется, корректируют I_с.з или применяют блокировку по току.

Этапы выбора времени срабатывания

Селективность с нижестоящими защитами: t_МТЗ = t_нижн + Δt, где Δt = 0.3–0.5 с (ступень селективности), t_нижн – время срабатывания защиты предыдущего элемента.
Согласование с вышестоящими защитами: Обеспечить условие t_МТЗ < t_выш - Δt для резервирования.
Проверка термической стойкости: t_МТЗ ≤ t_доп оборудования при I_к.макс.

Параметр	Обозначение	Типовой диапазон
Коэффициент надежности	K_н	1.1–1.2
Коэффициент возврата	K_в	0.85–0.95
Ступень селективности	Δt	0.3–0.5 с
Чувствительность (основная)	K_ч	≥1.5

Дополнительные условия: Для линий с двигателями I_с.з должен превышать пусковой ток (K_п × I_ном) самого мощного агрегата. При наличии трансформаторов учитывают ток намагничивания (K_т × I_ном.т). Уставки фиксируют в релейных формулярах с указанием режимов КЗ для проверки.

Схемы присоединения трансформаторов тока к МТЗ

Схемы подключения трансформаторов тока (ТТ) определяют чувствительность и селективность максимальной токовой защиты (МТЗ). Выбор схемы зависит от типа сети (с изолированной/глухозаземлённой нейтралью), вида КЗ и экономических факторов. Основная задача – обеспечить прохождение тока повреждения через реле защиты при всех видах КЗ в зоне действия.

Некорректное соединение ТТ может привести к ложным срабатываниям или отказу защиты. Схемы должны обеспечивать симметрию вторичных цепей, исключать небаланс токов при внешних КЗ и гарантировать минимальное сопротивление нагрузки. Для МТЗ применяются четыре основные схемы, отличающиеся способом объединения вторичных обмоток ТТ и подключения реле.

Основные схемы соединения ТТ

Схема	Принцип подключения	Назначение и особенности
Полная звезда	ТТ установлены во всех трёх фазах. Вторичные обмотки соединены в звезду с выводом нейтрали. Реле включены в каждую фазу и нулевой провод.	Защита от всех видов КЗ (3-фазных, 2-фазных, 1-фазных в сетях с глухозаземлённой нейтралью) Высокая чувствительность к замыканиям на землю Требует трёх реле и дополнительного реле в нулевом проводе
Неполная звезда	ТТ установлены в двух фазах (обычно A и C). Вторичные обмотки соединены в неполную звезду с реле в фазах и нулевом проводе.	Защита от междуфазных КЗ (3-фазных, 2-фазных) Не реагирует на 1-фазные КЗ в сетях с изолированной нейтралью Экономична (два ТТ, два реле)
Треугольник	Вторичные обмотки ТТ соединены в треугольник. Реле включены в линейные провода между вершинами треугольника.	Защита от междуфазных КЗ в линиях с двухсторонним питанием Используется в дифференциальных защитах трансформаторов Компенсирует сдвиг фаз, но снижает чувствительность при 1-фазных КЗ
Восьмёрка (разностная)	ТТ двух фаз (A и C) подключены на разность токов: реле включено между вторичными цепями фаз A и C.	Защита от междуфазных КЗ (2-фазных и 3-фазных) Нечувствительна к 1-фазным замыканиям Самая экономичная схема (одно реле)

При выборе схемы учитывают:

Тип защищаемого оборудования (линия, трансформатор, двигатель)
Конфигурацию сети (наличие заземлённой нейтрали)
Требуемую чувствительность при однофазных КЗ
Необходимость резервирования. Например, полная звезда применяется в сетях 6-35 кВ с заземлённой нейтралью, а неполная звезда – в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью.

Проверка работоспособности защитных устройств на объекте

Проверка работоспособности защитных устройств МТЗ является обязательным этапом эксплуатации электроустановок. Она подтверждает способность защиты корректно функционировать при аварийных режимах, обеспечивая селективное отключение поврежденного участка сети. Основная цель – выявление скрытых дефектов, ошибок монтажа или настройки, которые могут привести к ложным срабатываниям или отказу при КЗ.

Проверки проводятся по утвержденным методикам и графикам (планово, после модернизации, ремонта или ложных действий). Комплекс работ включает визуальный осмотр цепей, измерение параметров, контроль уставок и моделирование аварийных ситуаций для проверки логики работы. Особое внимание уделяется целостности цепей ТТ/ТН, состоянию контактов реле и корректности сигнализации.

Ключевые этапы проверки

Подготовка: Оформление наряда-допуска, изучение схем, проверка наличия блокировок от несанкционированного отключения оборудования.
Визуальный контроль: Осмотр реле, клеммников, проводки на предмет повреждений, коррозии, надежности соединений.
Измерения:
- Проверка сопротивления изоляции цепей управления и вторичных цепей.
- Контроль нагрузки цепей ТТ.
- Измерение сопротивления контактов.
Проверка уставок: Сверка фактических значений уставок (I_с.з., t_с.з.) с проектными данными и накладными на реле.
Функциональное тестирование:
1. Подача вторичного тока от испытательного комплекса для проверки срабатывания реле по току и времени.
2. Проверка работы выходных цепей (отключение выключателя, сигнализация).
3. Контроль логики взаимодействия с другими защитами (блокировки, ускорение).
Анализ и документирование: Фиксация результатов в протоколах, актах, паспортах устройств. Принятие мер по устранению выявленных неисправностей.

Важно: Работы выполняются только обученным персоналом с применением поверенных средств измерений. Для микропроцессорных терминалов дополнительно проверяются программное обеспечение, синхронизация времени и архивация событий.

Параметр проверки	Метод контроля	Нормативный документ
Точность срабатывания по току	Подача эталонного тока от испытателя	ГОСТ Р 50030.2, РД 153-34.0-35.302
Выдержка времени	Фиксация времени между подачей тока и выходным сигналом	РД 153-34.0-35.302
Целостность цепей ТТ	Измерение сопротивления изоляции мегомметром	ПТЭЭП, гл. 3.6

Список источников

Приведенные источники содержат ключевую информацию по устройству, принципам действия и нормативам для максимальной токовой защиты (МТЗ). Они включают официальные стандарты и профильные учебные материалы.

Все указанные документы обеспечивают технически точное описание характеристик МТЗ, методов её настройки и применения в электроэнергетических системах.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Главы 3.1, 3.2, 7.3.
ГОСТ Р 50030.2-2020: Аппаратура распределения и управления низковольтная. Автоматические выключатели.
Федоров А.А., Старкова Л.Е. Релейная защита электроэнергетических систем. Глава 4.2.
Шабад М.А. Защита распределительных сетей 0,4-10 кВ. Раздел 2.1.
Руководящие указания по релейной защите (РД 153-34.0-35.613-2001). Пункты 3.3-3.5.
Техническая документация на микропроцессорные терминалы защиты (Siemens, ABB, Schneider Electric).
Булычев А.Н. Основы релейной защиты и автоматики. Глава 5.