Выбор номинала автомата защиты

В цепи электропитания автомат ставят для предупреждения перегрева проводки. Любая проводка рассчитана на прохождение какого-то определенного тока. Если пропускаемый ток превышает это значение, проводник начинает слишком сильно греться. Если такая ситуация сохраняется достаточный промежуток времени, начинает плавиться проводка, что приводит к короткому замыканию. Автомат защиты ставят чтобы предотвратить эту ситуацию.

Пакетник или автомат защиты необходим для предотвращения перегрева проводников и отключения в случае КЗ

Вторая задача автомата защиты — при возникновении тока короткого замыкания (КЗ) отключить питание. При замыкании токи в цепи возрастают многократно и могут достигать тысяч ампер. Чтобы они не разрушили проводку и не повредили аппаратуру, включенную в линию, автомат защиты должен отключить питание как можно быстрее — как только ток превысит определенный предел.

Чтобы защитный автоматический выключатель исправно выполнял свои функции, необходимо правильно сделать выбор автомата по всем параметрам. Их не так много — всего три, но с каждой надо разбираться.

Мгновенная токовая отсечка на линии с односторонним питанием

Зона действия токовой отсечки определяется графически. На рисунке наша защищаемая линия между точками АВ. Сначала строится кривая зависимость значения тока короткого замыкания от расстояния до точки КЗ. Точка КЗ в нашем примере – это конец линии, точка А.

Затем строится прямая параллельная оси расстояния равная току срабатывания отсечки. Область пересечения прямой и кривой представляет собой зону действия защиты. В нашем примере зона действия защиты – это отрезок ВБ.

Также зону действия токовой отсечки можно определить по выражению:

• x_Л – сопротивление линии, для которой выбираем защиту
• E_C – эквивалентная ЭДС генераторов системы
• x_C – сопротивление системы

Ток срабатывания защиты определяется по выражению ниже:

• k_Н – коэффициент надежности
• I_K.MAX – максимальный ток короткого замыкания в конце линии

Коэффициент надежности учитывает погрешности при расчете тока кз и погрешность срабатывания реле.

Коэффициент чувствительности отсечки рассчитывается по выражению:

где в числителе максимальный ток КЗ в начале защищаемой линии, в примере это точка В, а в знаменателе ток срабатывания защиты.

Маркировка автомата

Согласно ПУЭ каждый аппарат защиты должен иметь надпись, указывающую значение номинального тока. Чтобы узнать номинал автомата, достаточно посмотреть на его корпус. На данных устройствах защиты используется стандартная маркировка, состоящая из одной буквы (B, C или D) и числа.

Буква указывает на временную характеристику. Ее еще называют временем срабатывания. Об этом параметре речь пойдет ниже. Число обозначает номинальный ток прибора. Например:

• C25 — временная характеристика C, номинальный ток 25 А;
• B32 — характеристика B, 32 А.

В быту обычно применяют выключатели с временными характеристиками B и C. В промышленности встречаются защитные устройства из ряда L, Z и K.

Дополнительная информация. В маркировке скрыта и другая информация об устройстве. Например, номер серии, номинальное рабочее напряжение, отключающая способность и количество полюсов.

Устройство

Автоматические выключатели бывают одно-, двух-, трёх- или четырёхполюсными и имеют следующие конструктивные узлы: главную контактную систему, дугогасительную систему, привод расцепляющего устройства, расцепитель (расцепители), вспомогательные контакты (необязательно).

Контактная система может быть трёхступенчатой (с главными, промежуточными и дугогасительными контактами), двухступенчатой (с главными и дугогасительными контактами) и одноступенчатой (при использовании металлокерамики).

Дугогасительная система может состоять из камер с узкими щелями или из камер с дугогасительными решётками. Комбинированные дугогасительные устройства — щелевые камеры в сочетании с дугогасительной решеткой — применяют для гашения дуги при больших токах.

Для каждого исполнения автоматического выключателя существует предельный ток короткого замыкания, который гарантированно не приводит к выходу из строя автомата. Превышение этого тока может вызвать подгорание или сваривание контактов. Например, у популярных серий бытовых автоматов при токе срабатывания 6-50 А предельный ток обычно составляет 1000—10 000 А.

Автоматические выключатели изготовляют с ручным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.

Привод автоматического выключателя служит для включения, автоматического отключения и может быть ручным непосредственного действия и дистанционным (электромагнитным, пневматическим и тому подобным).

Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые расцепителями.

Расцепители

Расцепители — это электромагнитные, электронные, микропроцессорные или термобиметаллические элементы, служащие для отключения автоматического выключателя через механизм свободного расцепления при коротком замыкании, перегрузках и исчезновении напряжения в первичной цепи (непосредственно: электромагнитные и термобиметаллические элементы; либо косвенно через отдельный независимый электромагнитный расцепитель: электронные и микропроцессорные).

Механизм свободного расцепления состоит из рычагов, защелок, коромысел и отключающих пружин и предназначен для мгновенного отключения автоматического выключателя (вне зависимости от положения органа включения: невозможность удержания автоматического выключателя во включённом положении при срабатывании расцепителя), а также для устранения повторного включения автоматического выключателя на короткое замыкание при длительно существующей команде на включение.

• Электромагнитный расцепитель (отсечка) — расцепитель мгновенного действия, представляет собой соленоид (7), подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога тока. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 2÷10 раз от номинала, в зависимости от типа (автоматические выключатели делятся на типы (классы) A, B, C и D в зависимости от чувствительности мгновенного расцепителя). В автоматических выключателях на большие токи начиная с 1970-х годов стали применять электронные расцепители (например отечественные автоматические выключатели серии «Электрон», некоторые типы автоматов серий А-37, ВА), а в последнее время и микропроцессорные расцепители (микропроцессорные блоки защиты) [3][4] .
• Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину (5), нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока (время-токовая характеристика) и может изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать [5] тепловой расцепитель, составляет 1,45 от тока уставки теплового расцепителя. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом (6). В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Биметаллическая пластина представляет собой ленту из двух металлических полос с разными коэффициентами теплового расширения. В автоматическом выключателе она выполняет роль теплового расцепителя. Две полосы не сплавлены между собой и обычно скреплены с одного конца пайкой или сваркой. Другие концы закреплены неподвижно. Биметаллическая пластина включена в цепь последовательно с нагрузкой. В результате её нагревания электрическим током пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае перегрузки изгиб пластины обеспечивает отключение автоматического выключателя [6] .

Характеристики электромагнитного расцепителя

Автоматический выключатель должен срабатывать, если в сети повышается ток до определенного уровня. Естественно, что в электрической сети возможны колебания токов нагрузки в определенных пределах. Зачастую эти колебания связаны с пусковыми токами. Например, при включении бытовых приборов, работа которых связана с пуском двигателей, в сети кратковременно возникает бросок тока. Автоматический выключатель не должен реагировать на подобные броски и не отключать нагрузку. Поэтому у них имеется нижний предел, до которого автомат не срабатывает.

При токах короткого замыкания, если автомат своевременно не отключится, то возможны негативные последствия. Чтобы выключение осуществлялось за минимально короткое время, в автомате предусмотрен электромагнитный расцепитель, который реагирует на токи, которые значительно больше токов перегрузки. Этот показатель еще называется током отсечки. Токи отсечки указываются буквами, которые находятся перед цифрами, которые соответствуют рабочему току автоматического выключателя.

Различают 3 типа автоматов, в зависимости от тока отсечки:

• В – автомат срабатывает при увеличении тока в 3-5 раз превышающего рабочий ток устройства.
• С – если ток в сети превышает рабочий ток автомата в 5-10 раз.
• Д – если ток нагрузки выше рабочего тока автоматического выключателя в 10-20 раз.

Класс автомата или тока отсечки

Выбор защитного автомата по данным критериям основан на том, в каком техническом состоянии находится электропроводка в доме, на даче или в квартире.

• Автоматы с буквой «В» следует устанавливать там, где электрическая проводка достаточно сомнительная: в старых домах, на дачах, в селах, в поселках. Подобные автоматические выключатели трудно найти в магазинах и зачастую их приходится заказывать.
• Автоматы с буквой «С» пользуются большой популярностью и устанавливаются практически везде, после капитальных ремонтов, а также в новостройках.
• Автоматы с буквой «Д» больше распространены в производственных помещениях, где установлено электрооборудование с большими пусковыми токами.

Другими словами, наиболее распространенными считаются автоматы с буквой «С». Эти устройства наиболее подходят для защиты электрических сетей бытовых потребителей.

От чего должен защищать автомат?

В первую очередь автомат предназначен для защиты проводки от возгорания и разрушения. Электроприборы, как правило, автомат не защищает, не защищает и человека от удара током — эту функцию выполняет дифференциальный выключатель (УЗО в народе) или дифференциальный автомат (совмещает в себе УЗО и защитный автомат). Так вот, раз защищает проводку, значит номинал не должен быть завышен для исключения лишних срабатываний — если проводке угрожает возгорание или разрушение, ни о каком запасе по мощности не должно быть и речи! Простая мудрость: если хочешь надежную защиту и минимум срабатываний — увеличь сечение токопроводящих жил проводов, в разумных пределах естественно.

Существует заблуждение, что если проводка выдерживает ток, равный номиналу автомата, то все в порядке и пожара никогда не случится. Это далеко не так. В прошлой статье мы поверхностно затронули тему проводки и автоматов, но главное мы познакомились с таблицей, в которой указаны токи для различных сечений проводов. Теперь мы воспользуемся этой таблицей и увидим, какие провода номиналом какого автомата можно защищать.

Сергей Гондуров, генеральный конструктор
Михаил Пирогов, начальник отдела системотехники
Илья Иванов, ведущий инженер отдела системотехники
ООО «НТЦ «Механотроника», г. Санкт-Петербург

Сети 0,4 кВ – важный узел в передаче электроэнергии от источника к потребителю. От его надежности напрямую зависит работа всех промышленных и сельскохозяйственных предприятий, электростанций и подстанций. Еще недавно проблема дальнего резервирования (ДР) сетей 0,4 кВ не имела качественного решения.

Осуществить резервирование в сети 0,4 кВ теми же методами, что и в высоковольтной сети не удавалось из-за существенного снижения тока короткого замыкания (КЗ) по мере удаления точки КЗ от источников питания.

Появление микропроцессорных устройств релейной защиты позволило решить проблему ДР в сетях 0,4 кВ благодаря реализации алгоритма, в основе которого лежит принципиально новая идея, ранее не существовавшая в мировой практике.

ТРАДИЦИОННАЯ МЕТОДИКА ВЫБОРА УСТАВОК

Рассмотрим проблему ДР на примере выбора уставок срабатывания защиты вводного выключателя подстанции 10/0,4 кВ мощностью 1000 кВА (рис. 1). Отметим, что в данном случае нагрузка Н1, Н2, Н3 не содержит в своем составе электродвигатели.

Рис. 1. Схема электроустановки

Уставки срабатывания защит выбираются в соответствии с рекомендациями [1].

Выбор уставок автоматического выключателя QF2 защиты электродвигателя

Токовая отсечка. Токовую отсечку выключателя отстраивают от пускового тока электродвигателя по выражению:

где K н – коэффициент надежности отстройки отсечки от пускового тока электродвигателя, принимается равным 1,5;
1,05 – коэффициент, учитывающий, что в нормальном режиме напряжение может быть на 5% выше U ном электродвигателя.

Уставка срабатывания токовой отсечки составляет I с.о. ≥ 3528 А. Выдержка времени срабатывания минимальна и составляет 0,1 с.

Защита от перегрузки. Ток срабатывания защиты от перегрузки определяется из условия возврата защиты после окончания пуска или самозапуска электродвигателя по выражению:

где K н – коэффициент надежности, учитывающий запас по току, неточности настройки и разброс срабатывания защиты;
K в – коэффициент возврата защиты;
I ном – номинальный ток электродвигателя.

Для автоматических выключателей серии ВА с полупроводниковым расцепителем БПР: K в = 0,97÷0,98, K н =1,19÷1,32. По выражению (2) I с.п. = 1,25 · I ном = 400 А.

Время срабатывания защиты от перегрузки принимается из условия несрабатывания защиты при пуске или самозапуске электродвигателя и определяется по выражению:

где t с.п. – время срабатывания защиты при токе, равном пусковому;
t пуск – длительность пуска электродвигателя.

Время срабатывания защиты от перегрузки t с.п. = 4,5 с.

Выбор уставок срабатывания защит автоматических выключателей QF4, QF5

Токовая отсечка. Ввиду отсутствия на данном присоединении двигательной нагрузки, уставка срабатывания отсечки определяется по следующему выражению:

где K н – коэффициент надежности, для автоматических выключателей серии ВА составляет 1,5;
I раб.макс – максимальный рабочий ток присоединения, равный в данном случае I ном .

По выражению (4) находим I с.о. = 1,5 · I раб.макс =108 А.

Согласование с отсечками выключателей отходящих линий не производим ввиду их отсутствия.
Уставка времени срабатывания токовой отсечки выбирается минимальная – 0,1 с.

Защита от перегрузки. На данных присоединениях защита от перегрузки не используется, в связи с этим установлены автоматические выключатели, имеющие только электромагнитные расцепители.

Выбор уставок срабатывания защит автоматического выключателя QF3

Токовая отсечка. Определяется по двум условиям, из которых принимается наибольшее значение.
1-е условие: несрабатывание при максимальном рабочем токе. Определяется по выражению (4) и составляет:

2-е условие: согласование с отсечками выключателей отходящих линий. Определяется по выражению:

где K н.с. – коэффициент надежности согласования, равный 1,4;
I с.о.л. – наибольший из токов срабатывания отсечек выключателей отходящих линий, составляющий 108 А.

По выражению (5) I с.о. = 151 А.
Таким образом, наибольшее значение I с.о. =216 А.
Выдержка времени срабатывания отсечки определяется по выражению:

где t с.о.л. – выдержка времени срабатывания отсечки выключателя отходящей линии;
Δt – ступень селективности, равная 0,15 с.
Уставка выдержки времени срабатывания токовой отсечки t с.о. = 0,25 с.

Защита от перегрузки. На данном присоединении защита от перегрузки не используется.

Выбор уставок срабатывания защит автоматического выключателя QF1

Токовая отсечка. Выбор уставки срабатывания отсечки вводного автоматического выключателя определяется при полной нагрузке секции и электродвигателя с наибольшим пусковым током:

где K н – коэффициент надежности, равный 1,5;
– сумма максимальных рабочих токов электроприемников, кроме двигателя с наибольшим пусковым током;
I пуск.макс – наибольший пусковой ток.

По выражению (7) ток срабатывания отсечки вводного выключателя составляет I с.о. = 4356 А.
Согласование с отсечками выключателей отходящих линий определяется по выражению (5) и составляет I с.о. = 4939 А.
Из полученных значений выбираем максимальное I с.о. = = 4939 А.
Выдержка времени срабатывания отсечки определяется по выражению (6) и составляет t с.о. = 0,4 с.

Защита от перегрузки. Уставка защиты от перегрузки рассчитывается так же, как и для электродвигателя (2), однако вместо I ном используется максимальный рабочий ток, который с учетом допустимой перегрузки трансформатора 1,2 составляет I раб.макс = 1,2 · I н.т. = 1734 А.
По выражению (2) уставка срабатывания защиты от перегрузки I с.п. = 1,25 · I раб.макс =2167,5 А.
Время срабатывания защиты в 2 раза больше длительности пуска электродвигателей и составляет t с.п. = 2 · t пуск = 6 с.

Анализ выбранных уставок

Рассчитав токи КЗ [2], представим их в виде графика (рис. 2), где кривая указывает значение тока дугового двухфазного КЗ на кабельной линии ВВГ 3×70 + 1×35 по мере удаления от шин подстанции. Значения I с.о. и I с.п соответствуют значениям уставок срабатывания защит вводного выключателя QF1. На графике видно, что токовая отсечка вводного выключателя QF1, начиная с 84 м, не выполняет резервирование защит отходящего выключателя QF3. Защита от перегрузки также не удовлетворяет выбору проводников по условиям нагрева при КЗ [4] и нарушает требования п.1.4.16 ПУЭ [3]. Это означает, что при возникновении КЗ вне зоны резервирования защиты вводного выключателя QF1 и при отказе отходящего выключателя QF3 произойдет термическое повреждение кабеля по всей его длине, а в наихудшем случае – пожар в кабельных каналах.

Рис. 2. Токи КЗ на кабельной линии ВВГ 3×70 + 1×35 по мере удаления от шин подстанции

Пример расчета дан для простой схемы, в которой преобладает нагрузка с малой кратностью пускового тока. В более сложных случаях (наличие групп электродвигателей средней и большой мощности) уставки вводного выключателя увеличатся и, как следствие, зона ДР резко сократится (до 60–70 м).

Существующие автоматические выключатели различных производителей не способны решить эту проблему, так как принцип действия их защит одинаков: сравнение действующего значения тока с уставкой, которая должна быть отстроена от токов пуска и самозапуска. Основная причина появления зон, в которых защита вводного выключателя не способна резервировать отходящие выключатели, – резкое, в отличие от сетей среднего и высокого напряжения, снижение токов КЗ по мере удаления от источника питания, а также большие пусковые токи электродвигателей.

Защита ДР должна быть построена с учетом этих явлений и выполняться на принципах, точно определяющих факт возникновения КЗ, а не факт превышения током КЗ уставки. Благодаря появлению блоков цифровой релейной защиты это стало осуществимо.

АЛГОРИТМ ДАЛЬНЕГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

Впервые алгоритм ДР отказов защит выключателей был реализован А. В. Беляевым и М. А. Эдлиным в блоках БМРЗ-0,4 в 2000 г.

Многолетний опыт эксплуатации показал, что ДР в БМРЗ-0,4 надежно срабатывает при всех видах КЗ, достоверно определяет и не срабатывает при пусках или самозапусках электродвигателей, а также при повреждениях в высоковольтной сети. Алгоритм ДР основан на анализе переходного процесса, возникающего при КЗ, пусках или самозапусках электродвигателей. В основу алгоритма заложен анализ активного тока при возникновении КЗ в кабельных линиях и реактивного в случае пуска или самозапуска электродвигателей.

Особенность алгоритма ДР – анализ не абсолютных величин токов, а их производных, что существенно увеличивает зоны резервирования, ограниченные минимальным диапазоном измерения цифрового устройства, и позволяет с высокой точностью определить границу зоны ДР вне зависимости от нормируемых погрешностей измерений. Принцип функционирования данного алгоритма требует детального рассмотрения в отдельной статье.

Сегодня БМРЗ-0,4 – это единственное в мире устройство, которое проверено эксплуатацией и натурными испытаниями с реальными КЗ, выполняющее ДР отказов защит выключателей 0,4 кВ. Блоки БМРЗ-0,4 широко применяются на объектах нефтегазовой промышленности и в процессе эксплуатации зарекомендовали себя как надежное и качественное комплексное решение по защите и автоматике подстанции.

ВЫВОДЫ

В каждом проектном или эксплуатационном случае требуется проверка зон ДР для предотвращения пожаров в кабельных каналах. Проверку необходимо проводить для всех схем с кабельными линиями длиной более 60 метров.
Существующие модели автоматических выключателей не могут обеспечить ДР по принципу действия защиты.
Многолетний опыт эксплуатации доказал, что блоки БМРЗ-0,4 позволяют решить актуальную проблему ДР благодаря применению принципиально нового алгоритма.

ЛИТЕРАТУРА

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Блиц-советы

• Выбирая автомат, не дешевите и не экономьте на здоровье. Китайский хлам не даст вам 100%-ной гарантии, что защита сработает в нужный момент. Отдавайте предпочтение немецкой фирме Шнайдер или АББ, хоть они и дороже, но надежнее.
• Тщательно подберите все параметры на соответствие номиналу.
• Обеспечьте селективность, так как электрики смогут починить вашу проводку не ранее, чем через день, вы же не хотите сидеть два дня без света? А если выходные?

Правильно установленная система будет работать долго, поэтому наймите квалифицированного мастера.