Защита автоматическими выключателями сетей до 1000 В.

Общие сведения.Отмеченные выше недостатки предохранителей обусловилиширокое применение автоматических выключателей для защиты сетей напряжением ниже 1000 В. Автоматические выключатели или автоматы выпускаются одно- двух-и трехполюсные, постоянного и переменного тока на номинальные токи до нескольких тысяч ампер. В качестве элементов защиты в автоматах применя­ются так называемые расцепители. По конструкции они являются первичными реле прямого действия, действующими непосред­ственно на механизм расцепления автомата. Большинст­ве автоматоввыполняется с ручным приводом; автоматы на большие токи имеют электромагнитные или электродвигательные приводы и дистанционное управле­ние.

К современным типам автоматов относятся отечественные выключатели серии ВА или зарубежные – серии: Компакт, Мастерпакт, Micrologic, Мульти, Integral и др.

Расцепители автоматов бывают мгновенного действия, применяемого в качестве токовой отсечки, и с зависимой выдержкой времени – для защиты от перегрузки. Если автоматический выключатель имеет и тот и другой расцепители, то такой расцепитель называется комбинированным. По принципу действия расцепители делятся на электромеханические и электронные. В электромеханических расцепителях токовая отсечка выполняется на электромагнитном принципе (электромагнитный расцепитель), а защита от перегрузки – на биметаллическом элементе (тепловой расцепитель). В указанных типах автоматических выключателей электромеханические расцепители применяются на выключателях в основном с номинальным током до 250 А.

Электронные расцепители имеют более мощные выключатели. Современные расцепители выполнены на микропроцессорной элементной базе. Электронные расцепители более стабильны и обладают широким диапазоном уставок. На них выполняются так называемые селективные автоматические выключатели, имеющие кроме названных двух ступеней защиты, еще токовую отсечку с выдержкой времени (0,1…0,4) с.

Основными параметрами автоматических выключателей являются: номинальный ток выключателя (I_n) и номинальный ток расцепителя – относительный диапазон регулировки токов срабатывания (уставок) защиты от перегрузки(I_r) и токовой отсечки(I_m). Причем у электронных расцепителей уставка I_r регулируется дискретно относительно I_n, а уставка I_m – относительно I_r. Кроме того, защита от перегрузки может иметь ступенчато регулируемую уставку по времени срабатывания при кратности тока 6I_r.

В табл.13.1 приведены некоторые типы автоматических выключателей и диапазоны регулировки уставок защит расцепителей, а на рис.13.1 – защитные характеристики (кривые отключения) наиболее распространенных автоматов серии ВА.

Рис.13.1. Защитные характеристики комбинированных расцепителей автоматических выключателей серии ВА; а)–селективного (ВА-53, ВА-75); в)– неселективного (ВА-51, ВА-52).

В маркировке автоматических выключателей зарубежных фирм, например, типа NS400N(STR23SE)или NS160N(TM125D)каждая позиция означает следующее:

NS – автомат типа КОМПАКТ; М –МАСТЕРПАКТ; NW – Micrologic;

400 или 160 – номинальный ток автомата, А (I_n); две цифры – в сотнях А;

N – стандартный;

STR или ТМ – тип расцепителя: STR – электронный на базе микропроцессора; ТМ – электромеханический комбинированный расцепитель;

125 – номинальный ток расцепителя, А;

S – селективный; D – неселективный для распределительной сети.

Автоматы серии ВА никакой информации в своей маркировки не несут. Их подробные технические данные приведены в табл. приложения.

Автоматы с электронным расцепителем имеют очень широкий диапазон регулировки уставок защиты от перегрузки в пределах от 0,4 до 1,0 номинального тока (I_n) автомата, т.е. .

Для регулирования уставок I_r на лицевой панели автомата типа Компакт имеются два переключателя: грубой регулировки и точной регулировки . Несмотря на дискретность шкал переключателей, можно добиться высокой точности выставления уставки защиты от перегрузки, имея в виду, что .

Например, чтобы выставить уставку необходимо установить переключатели в следующие положения: ; , тогда .

Автоматы с электромеханическими комбинированными расцепителями (тепловой и электромагнитный) имеют один переключатель со шкалой на 3 значения уставок .

Уставка токовой отсечки (I_m) на электронных расцепителях с номинальным током 400 А и более также регулируется переключателем с дискретной шкалой: . На автоматах с электромеханическим расцепителем уставка I_m регулируется в очень узком диапазоне или вообще не регулируется и имеет фиксированное значение I_m от 7 до 12I_n в зависимости от типа автомата.

По паспортным данным погрешность отклонения тока срабатывания токовой отсечки относительно установленного значения составляет ±15 %.

У селективных автоматах (S), которые, как правило применяются на вводах 0,4 кВ, токовая отсечка I_m имеет выдержку времени t_m с дискретной шкалой на 5 значений: . Селективный автомат, кроме токовой отсечки с выдержкой времени имеет еще одну ступень защиты от сверхтоков – токовую отсечку без выдержки времени, так называемое, рефлексное отключение с временем срабатывания не более 20 мс. Ток срабатывания рефлексного отключения строго фиксирован и равен .

Все неселективные автоматы имеют фактически одну ступень токовой отсечки I_m, срабатывающей без выдержки времени с собственным временем около 0,08с у автоматов серии МАСТЕРПАКТ и 0,02с – у КОМПАКТ. Рефлексное отключение у данных автоматов тоже имеется и наступает оно при кратности тока более (12…20)×I_n.

Таблица 13.1

Типы и диапазоны регулирования уставок защит автоматических выключателей серии Компакт (Мастерпакт), Микрологик и других.

У всех автоматических выключателей защита от перегрузки I_r срабатывает с обратнозависимой от величины тока выдержкой времени, поскольку количество выделенного тепла пропорционально . Характеристика автомата должна соответствовать перегрузочной характеристике защищаемого объекта – линия, электродвигатель, трансформатор, нагревательный прибор и т.д.

У автоматов с электромеханическим расцепителем эту функцию выполняет тепловой элемент на основе биметаллической пластины. У электронных автоматов обратнозависимая характеристика заложена в программу и ее зависимость, время срабатывания от кратности тока , соответствует международному стандарту МЭК-IEC 947.2. Под кратностью тока (I_*) подразумевается отношение величины тока, протекающего через автомат, к уставке защиты от перегрузки, т.е. (рис.13.1). У автоматах с электронным расцепителем погрешность времени срабатывания в зависимой части характеристики не превышает 20%, а у автоматах с электромеханическим расцепителем – на несколько порядков больше. Например, при кратности тока равной 6, что допускается [1] для защиты во взрывоопасных помещениях, зависимая характеристика времени срабатывания электронного расцепителя имеет разброс от 5 до 10с, а теплового расцепителя – от 4 до 30с. Такое большое время срабатывания (30с) при КЗ может привести к тепловому разрушению и возгоранию изоляции. В этой связи в пожаро и взрывоопасных помещениях желательно выбирать уставки так, чтобы КЗ отключались только токовой отсечкой автомата, т. е. без выдержки времени.

На малонагруженных присоединениях 0,4 кВ из зарубежных автоматов рекомендуется применять типа GV-2L04/22 или серии "Мульти-9". Из них наибольшего распространения получил автомат типа С60, который выпускается с различными стандартными по МЭК типами обратнозависимых характеристик, позволяющих регулировать уставку токовой отсечки в диапазоне следующих значений:

-типа L: I_m = (2,6 ¸ 3,85)I_n;

-типа U: I_m = (5,5 ¸ 8,8)I_n;

-типа В: I_m = (3,2 ¸ 4,8)I_n;

-типа N: I_m = (6 ¸ 10)I_n;

-типа D и К: I_m = (10 ¸ 14)I_n;

-типа Z: I_m = (2,4 ¸ 3,2)I_n;

-типа MA: I_m = 12I_n.

При этом номинальный ток расцепителя I_n, соответствующий уставке защиты от длительной перегрузки (I_r), не регулируется и его значение указано в типе автомата, например, автомат С60N10 имеет тип характеристики – N, номинальный ток расцепителя – 10 А и уставка I_m дискретно регулируется в пределах (6…10)I_n.

Некоторые автоматические выключатели вообще не имеют защиту от длительной перегрузки, а только токовую отсечку на электромагнитном расцепителе. В этом случае если требуется защита от перегрузки, то последовательно с автоматом включается магнитный пускатель со встроенным тепловым элементом.

Выбор автоматов по номинальному напряжению, номинальномутоку, максимальному допустимому токупроизводится по обычным условиям, как для любой коммутационнойаппаратуры. Следует различать номинальныйток самого автомата — его контактов и прочих токоведущих частей - и номинальный ток встроенного в негорасцепителя. Для большинства автоматов на один и тот же номинальный ток возможна установка расцепителейна меньшие номинальные токи.

Автоматы выпускаются мгновенные, с зависимой и независимой от тока выдержкой времени и комбинированные. Автоматы с мгновенными электромагнитными расцепителями имеют очень малое время срабатывания - порядка 0,01—0,035с. Стакими расцепителями выполнитьзащиту, селективную с нижестоящими автоматами,невозможно, и они могут применяться только для защиты конечного элемента сети, наиболее удаленного от источника питания.

Автоматы с электромагнитными расцепителями и независимой выдержкой времениимеют две уставки по времени, обеспечивающие селективность с нижестоящими мгновенными автоматами и предохранителями.

Разброс по току срабатывания мгновенных и с неза­висимой характеристикой электромагнитных расцепителей очень велик, до ±15…30%, что необходимо учиты­вать при расчете уставок.

Автоматы с тепловыми электромеханическими расцепителями имеют очень большие разбросы по времени и току срабатывания, осо­бенно в зависимости от окружающей температуры.

Область применения автоматов сильно ограничивает­ся допустимой для них окружающей температурой, осо­бенно для автоматов с тепловыми расцепителями. Боль­шинство таких автоматов пригодно для работы только при положительных температурах, при низкой окружающей температуре тепловые расцепители сгорают раньше чем успевают сработать. Поэтому во многих автоматах мгновенные электромагнитные расцепители служат не только для защиты элементов сети, но и для защиты самих тепловых расцепителей.

Для защиты сетей с заземленным нулем от однофаз­ных КЗ чувствительность автоматов с зависимой от то­ка характеристикой должна быть не менее 3.

Чувствительность автоматов, имеющих только мгно­венные расцепители, при однофазных КЗ должна быть не менее 1,1 с учетом максимального разброса по току срабатывания. Если заводских данных по разбросу тока срабатывания нет, то чувствительность, определенная по номинальным параметрам, должна быть не менее 1,4 для автоматов с номинальным током до 100 Аи не менее 1,27 для прочих (при 15%-ом разбросе ).

Для защиты сетей от перегрузки допустимый ток нагрузки должен быть не менее 1,25I_ср мгновенного расцепителя для проводов с резиновой и аналогичной изоляцией, прокладываемых во внутренних помещениях. Исключением являются невзрывоопасные производственные помещения, где допустимая для про­водов нагрузка должна быть равна I_ср расцепителя. Для кабелей с бумажной изоляцией допустимая нагрузка равна I_ср мгновенного расцепителя.

Если расцепитель имеет нерегулируемую, зависимую от тока характеристику, то допустимая нагрузка для лю­бых проводов равна I_ср расцепителя.

Если автомат имеет регулируемую, зависимую от то­ка характеристику, то допустимая нагрузка на проводники снижается: для проводов с горючей резиновой изо­ляцией до I_ср расцепителя и до 0,8 I_ср для кабелей с бу­мажной изоляцией.

Остальные условия для защиты сетей автоматами такие же, как и для защиты сетей предохранителями.

13.2. Особенность выбора уставок расцепителей автоматов на магистральных линиях, вводах и секционных выключателях.Принцип выбора расцепителей автомата магистральной линии, питающего группу радиальных линий, несколько иной.

Номинальный ток расцепителя выбирается, исходя из суммарной длительной нагрузки с учетом коэффициента спроса (одновременности), и возможности подключения дополнительной нагрузки при срабатывании АВР. Токовая отсечка должна быть отстроена от суммы токов нагрузки и пускового тока наиболее мощного двигателя. Должна быть проверена чувствительность токовой отсечки. Если чувствительность отсечки недостаточная, то для магистральных линий допускается при КЗ в конце данной линии использовать только защиту от перегрузки, а при близких КЗ – токовую отсечку. При этом время срабатывания защиты от перегрузки не должно превышать допустимого времени, рассчитанного по условию термической стойкости кабеля при данном токе КЗ:

,

где S – сечение кабеля, мм²;

С – постоянная, принимаемая для алюминия 91, для меди – 120;

Данное выражение можно представить в виде:

.

Например, если принять время отключения автомата с электронным расцепителем при 6-ти кратном токе КЗ по отношению к уставке защиты от перегрузки равным 8 с, то допустимый ток КЗ для медного кабеля сечением 50мм² составит: , а при 3-х кратном токе . При этом длительно допустимый ток для данного кабеля составляет около 250А.

В случае применения АВР-0,4 кВ возможен групповой самозапуск электродвигателей, но только тех, у которых отсутствует контактор или магнитный пускатель и двигатель включается автоматом. При наличии пускателя или контактора во время провала напряжения они отпадают перед действием АВР. Это обстоятельство должно учитываться при расчете суммарной нагрузки, участвующей в самозапуске.

Основное назначение токовой отсечки автомата магистральной линии – это отключение КЗ на своей магистральной линии. При КЗ на присоединении должна обеспечиваться селективность действия автомата присоединения и автомата ввода или селективного выключателя. Для выполнения указанной селективности либо вводят выдержку времени на срабатывания отсечки (только у селективных автоматов), либо выбирают ток срабатывания отсечки автомата не менее чем на 3 ступени по шкале номинальных токов больше, чем ток срабатывания отсечки автомата присоединения. При этом предполагается, что при близком КЗ на автомате присоединения срабатывает "рефлексное" отключение с временем около 10 мс, тогда как автомат ввода (секционный) срабатывает с некоторой задержкой 60-80 мс.

Вместе с тем последний способ выполнения селективности недостаточно надежный особенно на присоединениях с большими токами КЗ.

Пример. Выбрать уставки расцепителя автоматического выключателя на радиальном присоединении 0,4 кВ, питающим электродвигатель 65 кВт кабельной линией (медь) 4´50, длиной 110 м. Исходные данные: Значение тока дугового однофазного КЗ в конце линии . Номинальный ток двигателя . Кратность пускового тока двигателя К_п = 6;

Определяем требуемый номинальный ток расцепителя:

.

Предварительно выбираем автомат типа ВА 52-33 c номинальным током расцепителя и определяем минимальный ток срабатывания токовой отсечки мгновенного расцепителя: .

Данный автомат имеет 10-ти кратный ток срабатывания отсечки: I_m = 1600А.

Определяем коэффициент чувствительности токовой отсечки при КЗ на линейных выводах двигателя: Чувствительность защиты достаточна, поскольку . Следовательно, выбранный автомат и его комбинированный расцепитель удовлетворяет требованиям [1].

Однако, если для данного примера принять вместо ВА 52-33 выключатель типа ВА 52Г-33 с тем же номинальным током, но с кратностью токовой отсечки 14, то чувствительность защиты оказалось бы недостаточной, так как

1.