Защита автоматическими выключателями

2.1. Автоматические выключатели предназначены для проведения тока внормальных условиях и отключения тока при коротких замыканиях, перегрузках и недопустимых снижениях напряжения, а также для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей.

2.2. В качестве элементов защиты в автоматических выключателях применяются встроенные реле. По конструкции они являются первичными релепрямого действия, воздействующие непосредственно на механизм расцепления автоматического выключателя.

2.3. Автоматические выключатели можно классифицировать по следующим признакам:

по виду коммутирующего тока – постоянный или переменный;

по количеству полюсов – 1,2,3 или 4 полюса;

токоограничивающие и нетокоограничивающие;

по виду расцепителя:

с электротермическим (тепловым) или электронным инерционным расцепителем максимального тока с зависимой от тока выдержкой времени;

с электромагнитным или электронным расцепителем максимального токас мгновенным или замедленным действием с практически независимой от тока скоростью срабатывания;

с расцепителем минимального напряжения;

с независимым расцепителем (для дистанционного отключения выключателя);

неселективные или селективные – без выдержки времени или с выдержкой времени в зоне токов короткого замыкания;

по виду привода – с ручным приводом или электроприводом.

Конструкцией выключателя может предусматриваться наличие или теплового (полупроводникового), или электромагнитного расцепителя, либо наличие теплового и электромагнитного расцепителя одновременно – так называемый комбинированный расцепитель.

С помощью неселективных автоматических выключателей выполнитьзащиту, селективную с нижестоящими автоматическими выключателями, затруднительно, и они, как правило, применяются для защиты конечного элемента электрической цепи, наиболее удалённого от источника питаня.

2.4. Для расчёта защиты, выполненной с помощью автоматических выключателей, имеющих комбинированные расцепители, необходимо знать следующие нормированные технические характеристики;

Номинальное напряжение Uн.,В. – напряжение переменного или постоянного тока, протекающего через автоматический выключатель, при которомнормируются его технические характеристики;

Номинальный ток выключателя Iн.а, А. – нормируемое значение тока,протекающего в длительном режиме через автоматический выключатель принормальных условиях эксплуатации. Определяется его контактами и другимипроводящими частями;

Номинальный ток теплового расцепителяIн.т, А – калиброванное значение рабочего тока, при длительном протекании которого не происходит от ключения автоматического выключателя. Калиброванные значения номинального рабочего тока теплового расцепителя выбираются из стандартногоряда, но не могут превышать номинального тока выключателя;

Ток срабатывания при перегрузке Iс.п, А – ток, приводящий к срабатыванию автоматического выключателя за время, достаточного для достиженияустановившегося теплового состояния. В каталожных данных задаётся отношениемI_c.n /I_н._m (1,15…1,35)I

Уставка по току срабатывания в зоне токов короткого замыкания (токсрабатывания отсечки) Iс.о, А. – такое значение тока, при котором происходитпрактически мгновенное срабатывание автоматического выключателя с разрывом электрической цепи. Нормируется либо в единицах тока, либо как величина, кратная току теплового расцепителяI н т.

Для автоматических выключателей выполненных в стандартах DIN, уставка по току срабатывания в зоне короткого замыкания стандартизована иопределяется как характеристика мгновенного расцепления и имеет обозначение:

характеристика «В» - ток электромагнитного расцепителя лежит в пределах 3…5 н.т. I;

характеристика «С» - то же 5…10 Iн т;

характеристика «D» и «К» - то же 10…14 Iн т;

характеристика «L» - то же 3…4 Iн т;

характеристика «U» - то же 6…9 Iн т;

характеристика «Z» - то же 2,5…3,5 Iн.;

В литературе встречаются термины: кратность тока электромагнитного расцепителя, кратность отсечки, уставка тока электромагнитного расцепителя.

Время срабатывания в зоне токов короткого замыкания tc .о, с. определяет время выдержки до разрыва электрической цепи при достижении протекающего через выключатель тока величины, равной или превышающей уставку тока электромагнитного расцепителя. Нормируется для селективных выключателей с регулируемой выдержкой времени и равно 0,1÷0,7 с. У неселективных не токоограничивающих выключателей время срабатывания отсечки,как правило, не превышает 0,1с. и приводится в каталогах.

Предельная коммутационная способность ПКС, кА – максимальное значение тока короткого замыкания, которое выключатель способен включить иотключить несколько раз, оставаясь в исправном состоянии. ОдноразовыйПКС (ОПКС) называется наибольшее значение тока, которое выключательможет отключить один раз. После этого дальнейшая работа выключателя негарантируется.

2.5.1.1. Соответствие номинального напряжения автоматического выключателя номинальному напряжению сети

где U ном а, В – номинальное напряжение автоматического выключателя (указывается в паспортных данных);

U ном с,В – номинальное напряжение сети;

2.5.1.2. Соответствие номинального тока автоматического выключателя расчётному току защищаемой цепи

где I н а – номинальный ток автоматического выключателя (принимается покаталожным данным), А;

I p.max– максимальный рабочий ток цепи защищаемой автоматом, А.

2.5.1.3. Тепловой расцепитель автоматического выключателя выбираютиз условия отстройки от рабочих и пиковых токов электроприёмников.

Для электрических сетей осветительной нагрузки

где I н. т– номинальный ток теплового расцепителя, А;

I _p.max– максимальный рабочий ток цепи, защищаемой автоматическимвыключателем, А;

К н – коэффициент надёжности, принимаемый равным:

К_н=1– для электрических цепей ламп накаливания и люминистцентных ламп при защите автоматическим выключателем с тепловым расцепителем. А также цепей для люминисцентных ламппри автоматическом выключателе с комбинированным расцепителем;

К_н=1,4- для электрических цепей ламп высокого давления (ДРЛ) призащите автоматическим выключателем с тепловым расцепителем, а также при защите цепей ламп накаливания и лампвысокого давления при защите автоматическими выключателями с комбинированным расцепителем.

Для электрических цепей трансформаторов сварочных агрегатов, преобразователей электрической энергии, печей и т.п.

(2.4)

где I н т. – номинальный ток трансформатора, А;

К н – коэффициент надёжности, К н = 1,1.

Для электрических цепей электродвигателей и смешанной нагрузки

I н.т. ≥К н●I пик(4.5),

где пик I_пик– пиковый ток одного электродвигателя, группы электродвигателей

или смешанной нагрузки, А;

К н– коэффициент надёжности, K_Н=0,4 для двигательной нагрузки;

К н =(1,1…1,3 )для смешанной нагрузки;

2.5.1.4. Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя выбирают из условий отстройки от пиковых токов электроприёмников.

где I с.о – ток срабатывания электромагнитного расцепителя, А;

К н о – коэффициент надёжности отстройки,

(4.7)

где 1,05 – коэффициент, учитывающий, что в нормальном режиме напряжениеможет быть на 5% выше номинального напряжения электроприёмника;

К з– коэффициент запаса, принимается равным 1,1 [1];

Ка– коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей в пиковом токе электроприёмника;

К_а = 1,4– при защите двигательной нагрузки [7];

К р– коэффициент, учитывающий возможный разброс тока срабатывания отсечки относительно уставки. Принимается по каталожнымданным. Для автоматических выключателей общего применениясерий АП-50, А-3700, ВА, АЕ 20 Kр = 1,3 [7].

Следовательно, для защиты электрических цепей с двигательной нагрузкой

Для защиты электрических цепей с трансформаторной нагрузкойК_н.о=1,5

Для защиты электрических цепей с лампами накаливания К_н.о=1,5

2.5.2. Проверяют эффективность защиты электрических сетей от перегрузки.

Защита от перегрузок будет эффективна, если выполняются условия:

Для невзрывоопасных помещений (зон)

где I с п. – ток срабатывания от перегрузки, А;

I д.д, - длительно допустимая электрическая нагрузка проводников электрической сети, А.[1].

Для взрывоопасных помещений (зон)

(2.9)

Ток срабатывания от перегрузки определяется по каталожным даннымавтоматических выключателей.

Можно не проверять защиту от перегрузки кабеля питающего электродвигатель, если последний защищён тепловым реле, имеющим соответствующую уставку.

2.5.3. Проверяют соблюдение условия селективности.

При выборе в качестве аппаратов защиты неселективных выключателейследует обеспечить их селективное действие хотя бы при однофазных коротких замыканиях.

где I со послед - ток срабатывания отсечки одной из двух последовательно соединённых защит, расположенной ближе к источнику питания, А;

– наибольшее значение тока однофазного КЗ в конце зоны действия одной из защит, расположенной ближе к источнику питания, А;

К н о=Кз●К р. – коэффициент надёжности отстройки;

К з=1,1– коэффициент запаса [1]

К р– коэффициент разброса (принимается по каталожным данным).

При выборе в качестве аппаратов защиты селективных выключателей срегулируемой выдержкой времени срабатывания отсечки, селективностьобеспечивается при выполнении условия

(2.11)

где t_{с.о.посл} – время срабатывания отсечки автоматического выключателярасположенного ближе к источнику питания;

t_{с.о.пред}– время срабатывания отсечки автоматического выключателярасположенного дальше от источника питания;

∆t – ступень селективности, зависящая от типа селективного выключателя и принимаемая по каталогу, с.

В этом случае избирательность действия защит обеспечивается возрастанием времени срабатывания по цепи от конечного потребителя до ввода вэлектроустановку.

Причём ближний к потребителю автоматический выключатель должениметь минимальное время срабатывания, т.е. быть неселективным. Привыполнении этих условий удаётся построить селективную защиту электрическойсети во всём диапазоне сверхтоков.

2.5.4. Автоматические выключатели проверяют:

2.5.4.1. По условию стойкости при КЗ

где ПКС – предельная коммутационная способность автомата (принимаетсяпо каталогу).

I ⁽³⁾k.max – максимальное значение трёхфазного тока при КЗ в месте установки автомата.

Допускается поверять автоматический выключатель по значению токаодноразовой предельной коммутационной способности (ОПКС), а также устанавливать нестойкие при КЗ выключатели или группы выключателей, еслиони защищены расположенными ближе к источнику питания стойкими приК.З. выключателем, обеспечивающем мгновенное отключение всех КЗ с током, равным или большим тока ОПКС, указанных нестойких выключателей[1].

2.5.4.2. На электродинамическую стойкость автоматического выключателя

(4.13)

где дин i – ток электродинамической стойкости электрического аппарата прикоротком замыкании, кА;

i у – ударный ток короткого замыкания.

где y K – ударный коэффициент для сетей 0,38 кВ, 10 кВ принимается равным1 [9].

Проверку не выполняют, если значение электродинамической стойкостив каталоге отсутствует.

2.5.4.3. На термическую стойкость автоматического выключателя

гдеI_Ти t – ток и время термической стойкости аппарата защиты;

B k– интеграл Джоуля, А²·с;

- тепловой импульс тока трёхфазного КЗ в местеустановки аппарата защиты [9].

Проверку не выполняют, если значениеI_Ти t в каталоге отсутствует

Автоматический выключатель является термически стойким при всехвременах отключения, определяемых его защитной характеристикой.

2.5.4.4. На чувствительность отсечки к однофазному току КЗ в концелинии

, (2.16)

где

(1)

1⁽¹⁾k.min– минимальное значение тока однофазного КЗ в конце защищаемойзоны, А;

К р– коэффициент разброса принимается по каталогу и его максимальноезначение равно 1,3. При отсутствии данных о разбросе произведение 1,1· К ррекомендуется принимать равным не менее 1,4÷1,5 [7].

Аналогичным образом проверяют чувствительность отсечки к двухфазному току КЗ в конце линии

Где

- минимальное значение токов двухфазного итрёхфазного КЗ в расчётной точке.

- рекомендуемое значение коэффициента чувствительности.

Смысл проверки заключается в сравнении расчётных и нормируемых коэффициентов чувствительности. Если проверенная таким образом чувствительность отсечки к однофазному току КЗ не будет обеспечена, то в этом случае можно использовать защиту от перегрузки для защиты от однофазных КЗс проверкой времени её срабатывания по временной характеристике выключателя. Если время срабатывания защиты от перегрузок будет больше 5с [2],то следует в качестве основной защиты, гарантирующей эффективность защитного отключения, применить УЗО, реагирующее на дифференциальныйток. Методика его выбора представлена в [10].

2.6. Проверка кабеля на термическую стойкость основана на расчёте теплового импульса – количества тепла, которое выделяется в активном сопротивлении кабеля при протекании через него тока короткого замыкания (от начала КЗ. до полного гашения дуги). Минимально допустимое сечение кабеля по термической стойкости Smin определяется по выражению

где I ⁽³⁾_kmax- максимальный расчётный ток КЗ в начале линии, кА;

t oтк.л– собственное время отключения защитного аппарата (принимаетсяпо каталогу);

Т а– постоянная времени затухания апериодической составляющей токакороткого замыкания, с. определяется по формуле [8, 11]

(2.19)

где Х эки R эк– соответственно индуктивное и активное сопротивление результирующего эквивалентного сопротивления расчетнойсхемы относительно точки короткого замыкания, Ом;

ɷс– синхронная угловая частота напряжения сети, с^-1;

К – постоянная времени, зависящая от изоляции и материала жил кабеля,

А∙с^{1/ 2}мм² , принимается по [3.11].

Для селективных автоматов

(2.20)

где tс.о. – выдержка времени срабатывания селективного автомата, с.;

t д– время гашения дуги, с. (принимается по каталогу).

2.7. Выбор автоматических выключателей модульного исполнения производится аналогично. Следует только помнить что, уставки отсечки и их разброс определяются типами стандартной характеристики мгновенного расцепления. Более подробно смотри ГОСТ Р (МЭК 364-5-53) «Электроустановкизданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Гл.53. Коммутационные аппараты и аппаратура управления.