Соединительные шины

Для ускорения и упрощения монтажа коммутационных устройств — УЗО, автоматических выключателей и др. в распределительных щитах в последнее время в мировой практике широко применяются специальные монтажные шины, часто называемые «гребенками».

Соединительные шины представляют собой стандартные медные монтажные рейки в форме гребенки, в пластмассовом кожухе, различной длины и конфигурации, расстояние между зубцами соответствует стандартным расстояниям между клеммами смонтированных в ряд согласно европейским стандартам коммутационных приборов (модуль 35 мм). Выпускаются модификации двух-, трех- и четырехполюсных соединительных шин сечением 10 и 16 мм².

6.14. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ УЗО

Номинальный ток серийно выпускаемых УЗО, как правило, не превышает 125 А. Мощные электроустановки могут иметь гораздо большие номинальные токи нагрузки и, соответственно, довольно значительные сечения питающих проводников (кабелей).

Для осуществления защиты от токов утечки на землю в таких электроустановках необходимо применять специальные УЗО — с выносным дифференциальным трансформатором тока.

Питающий кабель пропускается через окно трансформатора тока, сигнал с которого поступает на дифференциальное реле, управляющее силовым контактором соответствующей нагрузке мощности.

ГП ОПЗ МЭИ выпускает АСТРО*УЗО на большие токи нагрузки в комплекте: выносной дифференциальный трансформатор и дифференциальное реле. Технические параметры его приведены в табл. 6.4, габаритные и установочные размеры на рис. 6.3—6.4.

Таблица 6.4

* - в зависимости от модификации

АСТРО*УЗО на большие токи применяются в одно- и трехфазных сетях. На рис. 6.5. приведен пример схемы подключения такого УЗО в трехфазной сети в комплекте с четырехполюсным контактором.

Большое значение имеет правильный выбор силового контактора как элемента УЗО, обеспечивающего отключение нагрузки.

Характеристики контакторов должны быть согласованы с параметрами электроустановки (см. раздел 7).

Важной характеристикой контакторов является допустимая номинальная мощность нагрузки (или номинальный рабочий ток), определяемая категорией электроприемника.

Ниже приводятся нормальные режимы применения низковольтной аппаратуры распределения и управления переменного тока по ГОСТ Р 50030.1-92 «Низковольтная аппаратура распределения и управления.Ч.1. Общие требования» (табл. 6.5).

Рис. 6.5. Схема подключения с четырехполюсным контактором

Таблица 6.5

7. КООРДИНАЦИЯ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ
7.1. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ

Электроустановка должна быть защищена одним или несколькими устройствами автоматического отключения в случае появления сверхтоков (перегрузки, короткие замыкания) или недопустимых токов утечки.

Устройства защиты должны выбираться с учетом параметров электроустановки, ожидаемых токов короткого замыкания, характеристик нагрузки, условий прокладки и тепловых характеристик проводников.

Нормами МЭК 364-5-53, положенными в основу ГОСТ Р 50571.ХХ, находящегося на стадии утверждения, определены требования к выбору аппаратов защиты от сверхтоков и УЗО.

Кривая времятоковой характеристики, соответствующая допустимой тепловой нагрузке защищаемой электропроводки, должна лежать выше зоны времятоковой характеристики устройства защиты для всех возможных токов КЗ между минимальным и максимальным значениями.

Для времени срабатывания аппарата не более 0,1 секунды кривая допустимых значений I²_t (интеграла Джоуля) электропроводки должна лежать выше кривой I²_t защитного устройства, т.к. кривая характеристики I²_t устройства защиты характеризует максимальные рабочие значения I²_t как функцию ожидаемого тока КЗ при установленных условиях эксплуатации.

Время отключения полного тока КЗ в любой точке цепи не должно превышать времени, в течение которого температура проводников достигает допустимого предела.

Для короткого замыкания не более 5 секунд время t, в течение которого превышение температуры проводников от наибольшего значения допускаемой температуры в нормальном режиме до предельно допустимой температуры в режиме КЗ, может быть приблизительно вычислено по формуле:

где:
t — продолжительность, с ;
S — сечение проводника, мм² ;
I — действующее значение тока КЗ, А;

К = 115 — для медных проводников с поливинилхлоридной изоляцией;
К = 135 — для медных проводников с резиновой изоляцией (в т.ч. с изоляцией из бутиловой резины и этиленпропиленовой резины), с изоляцией из сшитого полиэтилена;
К = 74 — для алюминиевых проводников с поливинилхлоридной изоляцией;
К = 87 — для алюминиевых проводников с резиновой изоляцией (в т.ч. с изоляцией из бутиловой резины и этиленпропиленовой резины), с изоляцией из сшитого полиэтилена;
К = 115 — для соединений медных проводников, выполняемых пайкой, что соответствует температуре 160 °С.

Значения предельно допустимых температур нагрева проводников при КЗ приведены в ПУЭ.

Вышеуказанная формула может быть представлена в виде:

I² * t = K² * S².

Значение I²_t должно указываться предприятиями-изготовителями как технический параметр изделия.

На практике проверка вышеуказанных условий требует только расчета максимальных и минимальных ожидаемых токов короткого замыкания.

Рассмотренный принцип выбора защиты от КЗ проиллюстрирован рис. 7.1 и 7.2.

Рис. 7.1. Кривые времятоковой характеристики устройств защиты и электропроводки (а — для лавких предохранителей; б — для автоматических выключателей)
C — кривая времятоковой характеристики, соответствующая допустимой тепловой нагрузке защищаемой электропроводки;
D1 — кривая срабатывания автоматического выключателя;
F — кривая срабатывания плавкого предохранителя (верхний предел зоны срабатывания);
X1 — минимальный ток КЗ, при котором обеспечивается защита устройством защиты от тока КЗ.

Рис. 7.2. Характеристики автоматического выключателя и электропроводки
C1 — кривая характеристики допустимого I2t защищаемого проводника;
D2 — I²_t — характеристика автоматического выключателя;
X2 — максимальный ток КЗ, при котором обеспечивается защита автоматическим выключателем.

7.2. ВЫБОР АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

В данном разделе приведены сведения из стандарта ГОСТ Р 50030.2-94, определяющие принципы координации автоматических выключателей с автономными плавкими предохранителями, включенными в одну цепь.

При правильно рассчитанной системе координации отключающих устройств предполагается, что при любых значениях сверхтока вплоть до номинальной предельной наибольшей отключающей способности Icu отключение производит только автоматический выключатель.

На практике действительны такие соображения:

• если значение ожидаемого аварийного тока в данной точке системы ниже Icu, можно предположить, что включение в цепь одного или нескольких плавких предохранителей обусловлено требованиями, не связанными с резервной защитой;
• если значение тока координации IB (предельное значение тока, выше которого при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков один защитный аппарат обеспечивает резервную защиту второго) слишком мало, возникает опасность потери селективности;
• если значение ожидаемого аварийного тока в данной точке системы выше Icu, следует так подобрать один или несколько плавких предохранителей, чтобы обеспечить I_B  I_cu .

Определение тока координации и соответствие требованиям I_B  I_cu следует проверять путем сопоставления рабочих характеристик автоматического выключателя и плавкого предохранителя.

Пригодность комбинации можно оценить, рассмотрев рабочую характеристику I²_t плавкого предохранителя в диапазоне от I_cu до ожидаемого тока короткого замыкания в предполагаемой области применения, но не выше наибольшей отключающей способности комбинации. Это значение не должно превышать I²_t автоматического выключателя при его номинальной наибольшей отключающей способности. Вышесказанное иллюстрирует рис.7.3.

Примечание: А считают нижним пределом, В и С рассматривают как верхние пределы.

7.3. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНОГО И МИНИМАЛЬНОГО ОЖИДАЕМОГО ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Максимальный ожидаемый ток короткого замыкания — это ток на линейных зажимах устройства защиты от короткого замыкания, который может быть рассчитан, когда известны параметры сети питания и параметры электроустановки со стороны питания до места установки устройства защиты.

Минимальный ожидаемый ток короткого замыкания — это ток, соответствующий короткому замыканию в самой отдаленной точке защищаемой цепи, при коротком замыкании между фазой и нейтралью или, если нейтраль не распределена, между фазами. В случае питания установки от нескольких источников рассматривается только один источник, имеющий максимальное внутреннее полное сопротивление.

При отсутствии достаточно определенной информации для расчета минимальных токов короткого замыкания могут быть сделаны следующие упрощающие допущения:

§ принимается, что сопротивление электропроводки увеличено на 50% по отношению к его значению при 20°С из-за нагрева проводников током короткого замыкания;

§ если полное сопротивление цепи со стороны источника питания неизвестно, то принимается, что напряжение источника питания снижено до 80 % номинального напряжения.

Расчет минимального тока КЗ производится по следующим формулам.

Для трехфазных цепей с нераспределенной нейтралью (КЗ между фазами):

где:
I — ожидаемый ток короткого замыкания, А;
U — линейное напряжение источника питания, В;
r — электрическое удельное сопротивление жилы кабеля, Ом мм²/м, при 20°С;
L — длина защищаемой проводки, м;
S — площадь поперечного сечения жилы кабеля, мм².

Для трехфазных цепей с распределенной нейтралью с уменьшенным или неуменьшенным поперечным сечения (КЗ между фазой и нейтралью):

где:
U₀ — номинальное напряжение источника питания между фазой и нейтралью, В;
m — отношение между сопротивлением нейтрального проводника и сопротивлением фазного проводника (или отношение между ,,площадью поперечного сечения фазного проводника и площадью поперечного сечения нейтрального проводника, если они сделаны из одного и того же материала — меди или алюминия).

Примечание: r принимается 0,018 для меди и 0,027 для алюминия; для проводников с площадью поперечного сечения выше 95 мм² должно учитываться реактивное сопротивление; коэффициент 1,5 учитывает увеличение сопротивления проводников вследствие превышения температуры.

Расчетные токи короткого замыкания используют для определения требуемой отключающей способности устройства защиты при коротком замыкании.

По минимальному току короткого замыкания выбирают ток мгновенного отключения автоматического выключателя, который должен быть не менее расчетного минимального тока короткого замыкания.

Рабочие условия могут, однако, потребовать выбора устройства защиты по наибольшей отключающей способности при КЗ, например, если устройство располагается на главном вводе электроустановки.

Кафедрой «Электрические станции» (http://es.mpei.ac.ru) МЭИ под руководством к.т.н. Ю.П. Гусева разработаны компьютерные программы для расчета токов коротких замыканий в электроустановках переменного тока напряжением до и более 1 кВ, в системах оперативного постоянного тока, переходных процессов в узлах нагрузки с асинхронными двигателями и другие программы для проектирования и эксплуатации различных электроустановок.

Программы используются ведущими проектными институтами России, СНГ и Прибалтики и во многих энергосистемах.

«GUEXPERT». Расчет коротких замыканий в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ в соответствии с ГОСТ Р 50270-92 и ГОСТ 28895-91 (МЭК 949-88). Вычисляются токи, напряжения, температуры кабелей, при симметричных и несимметричных металлических и дуговых коротких замыканиях с учетом подпитки от асинхронных двигателей (рис.7.4).

Рис. 7.4. Пример расчетной схемы из программы «GUEXPERT»

«GUSELECT». Построение карт селективности защитных аппаратов сетей переменного тока напряжением 0,4 кВ. В единой системе координат строятся времятоковые характеристики зависимых расцепителей автоматических выключателей, пусковые токи асинхронных двигателей и предельные характеристики термической стойкости и невозгораемости кабелей (рис.7.5)

Рис. 7.5. Пример расчета из программы «GUSELECT»

7.4. ЗАЩИТА ОТ ТОКОВ ПЕРЕГРУЗКИ

УЗО должно быть защищено от токов перегрузки во избежание превышения температуры элементов устройства допустимых значений.

ГОСТ Р 50571.5-94 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от сверхтока» предъявляет следующие требования к защитным устройствам.

п. 433.2. Согласованность проводников и защитных устройств.

Рабочая характеристика любого защитного устройства, защищающего кабель от перегрузки, должна отвечать условиям:

I_в  I_n  I_z;
I₂  1,45 I_z,

где:
I_в — рабочий ток цепи;
I_z — допустимый длительный ток кабеля;
I_n — номинальный ток устройства защиты (для устройства зашиты с регулируемыми характеристиками номинальным током In является ток выбранной установки);
I₂ — ток, обеспечивающий надежное срабатывание устройства защиты, практически I2 принимают равным:

§ току срабатывания при заданном времени срабатывания для автоматических выключателей;

§ току плавления плавкой вставки при заданном времени срабатывания для предохранителей.

Примечание. В определенных случаях во избежание непредусмотренного срабатывания защиты следует учесть пиковые значения токов нагрузки. В случае циклической нагрузки значения In и Iz выбирают на основе значений Iв и Iz для термически эквивалентной постоянной нагрузки.

7.5. ЗАЩИТА УЗО

УЗО, как элемент электрической цепи, должно быть защищено от перегрузки и тока короткого замыкания последовательным защитным устройством (ПЗУ).

ГОСТ 50571.5-94 определяет в п. 433:

«Устройства защиты должны отключать любой ток перегрузки, протекающий по проводникам, раньше, чем такой ток мог бы вызвать повышение температуры проводников, опасное для изоляции, соединений, зажимов или среды, окружающей проводники».

ПУЭ (7-е издание, п. 7.1.76):

«…Не допускается использовать УЗО в групповых линиях, не имеющих защиты от сверхтока, без дополнительного аппарата, обеспечивающего эту защиту.

При использовании УЗО, не имеющих защиты от сверхтока, необходима их расчетная проверка в режимах сверхтока с учетом защитных характеристик вышестоящего аппарата, обеспечивающего защиту от сверхтока».

ГОСТ Р 50807-95:

п. 2.4.8. Устройство защиты от короткого замыкания, указанное изготовителем, которое должно быть установлено последовательно с УЗО с целью защиты от токов короткого замыкания.

п. 4.3.1. Устройство защиты от коротких замыканий предназначено для обеспечения достаточной защиты УЗО от воздействия токов короткого замыкания, не превосходящих значений номинального условного тока короткого замыкания I_nc и номинального условного дифференциального тока короткого замыкания I_c.

Изготовитель УЗО должен указать следующие характеристики устройства защиты от коротких замыканий:
а) максимальное значение пропускаемой величины I²_t;
б) максимальное значение пропускаемого пикового тока I_p.

Если изготовитель не указывает эти значения для УЗО, то минимальные значения берутся в зависимости от условного тока короткого замыкания из табл. 4.1.

Любое устройство защиты от коротких замыканий, которое отвечает требованиям, установленным соответствующим стандартом и обладающее характеристиками п. а) и п. б), не превышающими значений, указанных изготовителем для УЗО, может использоваться для защиты УЗО.

ГОСТ Р 51326.1-99:

п. 9.11.2. УЗО должно быть защищено от короткого замыкания посредством автоматических выключателей или предохранителей согласно требованиям соответствующих стандартов серии ГОСТ Р 50571.

п. 9.11.2.1. ПЗУ может быть автоматическим выключателем или плавким предохранителем, имеющим интеграл Джоуля I²_t и пиковый ток I_p, не превосходящий способности выдерживать I²_t и I_p, установленные для УЗО изготовителем.

Соответствие параметров УЗО условиям эксплуатации установки по номинальной включающей и отключающей способности по дифференциальному току определяется при проектировании путем расчета значения тока короткого замыкания на землю в данной электроустановке.

Проверка соответствия УЗО наиболее важному параметру — условному расчетному току короткого замыкания осуществляется соответствующим расчетом тока короткого замыкания в данной электроустановке.

Во всех случаях применения УЗО его параметры должны соответствовать максимальным токам нагрузки и токам короткого замыкания.

Схема включения УЗО должна предусматривать последовательное защитное устройство (автоматический выключатель, плавкая вставка), обеспечивающее защиту от сверхтоков.

Номинальный ток нагрузки УЗО должен быть равен или на ступень выше номинального тока последовательного защитного устройства.

Российский стандарт ГОСТ Р 50345-99 «Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения» классифицирует автоматические выключатели по току мгновенного расцепления: типы B, C и D.

Времятоковые рабочие характеристики автоматических выключателей типов B, C и D приведены на рис. 7.6.

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК С ПРИМЕНЕНИЕМ УЗО
8.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Задачей проектных организаций, осуществляющих проектирование электроустановок зданий, предприятий Энергосбыта и органов Госэнергонадзора, выдающих технические условия на присоединение и разрешение на ввод в эксплуатацию объектов жилищно-гражданского назначения, является проектирование, разработка и согласование проектных решений в соответствии с требованиями действующих норм.

Основным нормативным документом являются Правила устройства электроустановок (ПУЭ). ПУЭ нового — 7-го издания выпускаются и вводятся в действие отдельными разделами и главами по мере выполнения работ по их пересмотру, согласованию и утверждению.

В 1999 г. утверждены Минтопэнерго России некоторые разделы ПУЭ 7-го изд. — разд. 6 «Электрическое освещение» и разд. 7 «Электрооборудование специальных установок» (гл. 7.1 и гл. 7.2). С 1 июля 2000 г. утратили силу соответствующие разделы ПУЭ 6-го изд.

В 2002 г. утверждены раздел 1 «Общие правила» (гл. 1.1,1.2, 1.7, 1.9) и главы 7.5, 7.6, 7.10. Эти разделы вводятся в действие с 01.01.03.

С 01.01.03 утрачивают силу главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9, 7.5, 7.6 и 7.10 Правил устройства электроустановок шестого издания.

В настоящее время в российской системе нормативных документов в области электротехники имеет место серьезная проблема. Как выше указывалось, основным нормативным документом являются ПУЭ — документ, свод правил, разрабатываемый и утверждаемый министерством энергетики. В то же время Госстандарт России выпускает стандарты, также регламентирующие требования к устройству электроустановок. Теоретически, в силу приоритета государственных стандартов, имеющих силу закона, ПУЭ, являясь ведомственным документом, должны учитывать и включать в себя все требования стандартов. Однако в реальной жизни подобная задача в силу ряда причин невыполнима.

В свое время с подобной проблемой столкнулась немецкая электротехника. В итоге там было принято решение о передаче всей полноты прав и полномочий в области разработки и контроля выполнения электротехнических норм подконтрольной государству организации — Союзу немецких электротехников — Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE), основанному в 1893 году. В переходный период с 1979 по 1984 годы нормативные документы VDE, являвшиеся одновременно и государственными стандартами, имели двойное обозначение — DIN VDE. Аналогичный процесс произошел в Австрии, где электротехнические нормативные документы выпускаются Союзом австрийских электротехников — ЦVE, и в других странах.

Специфика проектирования, связанная с применением УЗО, определяется сравнительной новизной применения этих устройств в нашей стране и недостаточностью нормативной базы по их применению, восполняемой в определенной степени материалами настоящего Пособия.

При проектировании электроустановок с применением УЗО наиболее существенное значение имеют следующие аспекты:

§ анализ проектируемого объекта по условиям обеспечения необходимого уровня электробезопасности;

§ выбор схемных решений;

§ выбор места установки в соответствии с назначением УЗО;

§ выбор типа и параметров УЗО;

§ обеспечение селективности действия УЗО;

§ рассмотрение особенностей работы УЗО в электроустановках при использовании различных систем заземления.

Выбор УЗО для применения в конкретной электроустановке должен осуществляться на стадии проектирования. По причине сравнительно недавнего начала широкого применения УЗО в нашей стране, в реальных условиях часто возникает ситуация, когда необходимо произвести выбор устройств для уже эксплуатируемой или смонтированной электроустановки.

В этом случае выбор УЗО должен осуществляться по программе, приведенной в табл. 8.1.

Таблица 8.1

8.2. НОРМАТИВНАЯ БАЗА ПРИМЕНЕНИЯ УЗО