Выбор защитных аппаратов
В данной теме речь будет идти о выборе аппаратов защиты реагирующих на сверхтокиСверхток — любой ток, превышающий номинальный. К таким аппаратам относятся, прежде всего, автоматические выключатели и предохранители. От правильного выбора защитных аппаратов зависит эффективность и долговечность их работы.
Основное назначение аппаратов защиты это:
- Обеспечение защиты электроустановки от аварийных режимов, таких как короткое замыкание и перегрузка.
- Обеспечение защиты персонала от поражения электрическим током при косвенном прикосновении к токоведущим частям.
- Обеспечение пожарной безопасности внутренних электрических сетей напряжением до 1000 В.
При выборе автоматических выключателей и предохранителей следует учитывать различные характеристики, параметры и режимы работы электрической сети:
- Значение номинального напряжения электрической сети.
- Значения расчетного тока защищаемой линии и тока кратковременной перегрузки.
- Тип изоляции проводов или кабелей защищаемой электрической сети.
- Длительно допустимые токовые нагрузки проводов и кабелей участка электрической сети, для которого выбирается защитный аппарат.
- Вид защиты, которую должен обеспечивать аппарат (от перегрузки, от короткого замыкания, от перегрузки и короткого замыкания).
- Режим работы нейтрали электрической сети, в которой будет установлен защитный аппарат.
- Значение наименьшего (однофазного для системы TN и двухфазного для системы IT) тока короткого замыкания (КЗ) в конце защищаемого участка электрической сети и наибольшего (трехфазного) тока КЗ в начале защищаемого участка электрической сети.
- Тип сети (групповаяГрупповая электрическая сеть — сеть от щитков и распределительных пунктов до светильников, штепсельных розеток и других электроприемников., распределительнаяРаспределительная сеть – сеть от вводных устройств, вводно-распределительных устройств, главного рапределительного щита до распределительных пунктов и щитков., питающаяПитающая сеть – сеть от распределительного устройства подстанции или ответвления от воздушных линий электропередачи до вводных устройств, вводно-распределительных устройств, главного рапределительного щита.).
- Тип зоны, в которой проложена защищаемая электрическая сеть (взрывоопасная или невзрывоопасная).
Условия выбора защитных аппаратов.
Выбрать защитный аппарат не так просто как это может показаться на первый взгляд. Для правильного выбора аппаратов защиты может потребоваться проведение дополнительных, трудоемких расчетов, например, провести расчет токов короткого замыкания в защищаемой электрической сети. Так же выбор аппаратов может повлиять на уже принятые ранее проектные решения, например, повлиять на увеличение сечения выбранных ранее проводников защищаемой сети. Рассмотрим основные условия выбора предохранителей и автоматических выключателей.
Условие 1 – Аппараты защиты не должны перегреваться сверх допустимых для них температур в условиях нормальной эксплуатации.
В соответствии с указанным выше требованием, условиями выбора аппаратов защиты будут:
при защите сети предохранителями:
при защите автоматическими выключателями:
где Iн.пр, Iн.а – соответственно номинальный ток предохранителя и номинальный ток автоматического выключателяНоминальный ток автоматического выключателя - установленный изготовителем ток, который выключатель способен проводить в продолжительном режиме при указанной контрольной температуре окружающего воздуха (30°C) (ГОСТ Р 50345-2010); Iр – расчетный ток линии.
В соответствии с ГОСТГОСТ60269-1-2016, п.2.3 номинальный ток предохранителя определяется номинальным током установленной в нем плавкой вставки. Часто путают номинальный ток предохранителя с номинальным током держателя плавкого предохранителя. Например, для предохранителя ПН2-100 с номинальным током плавкой вставки равным 40А, правильно считать номинальный ток предохранителя – 40А, а 100А это номинальный ток держателя (или основания) предохранителя. Номинальный ток держателя равен наибольшему номинальному току плавкой вставки, в сочетании с которой предполагается использовать предохранитель. Таким образом, в условии выбора предохранителя, приведенном выше, под номинальным током предохранителя следует понимать номинальный ток держателя (или основания) предохранителя. Перегрев частей предохранителя возможен, например, если в предохранитель ПН2-100 вставить плавкую вставку с номинальным током выше 100А, к примеру, на 160 А. В этом случае при протекании через предохранитель тока, значение которого превышает номинальный ток держателя, некоторые части предохранителя будет нагреваться до температуры, которая превышает допустимое значение.
В качестве расчетного тока линии Iр могут выступать:
- при защите элекроприемника – номинальный ток электроприемника;
- при защите группы электроприемников – расчетный ток данной группы электроприемников;
- при защите участка электрической сети – расчетный ток линии.
Условие 2 – Номинальные токи плавких вставок предохранителей и токи уставок автоматических выключателей, служащих для защиты отдельных участков сети, во всех случаях следует выбирать по возможности наименьшими, по расчетным токам этих участков или по номинальным токам электроприемников (ПУЭ-6, п.3.1.4). Кроме того, аппараты защиты не должны срабатывать при работе электрической сети в нормальном режиме.
В соответствии с указанным выше, условиями выбора аппаратов защиты будут:
при защите сети предохранителями:
при защите автоматическими выключателями:
где Iн.вст, Iн.расц – соответственно номинальный ток плавкой вставки предохранителяНоминальный ток плавкой вставки предохранителя – это максимальное значение тока, которое может непрерывно пропускать плавкая вставка, не перегорая и номинальный ток расцепителя автоматического выключателяНоминальный ток расцепителя автоматического выключателя – это ток при котором автоматический выключатель работает без расцепления. В автоматах с нерегулируемой времятоковой характеристикой Iн.расц - это номинальный ток аппарата.
Рисунок – Примерный вид времятоковой характеристики предохранителя
В соответствии с ГОСТГОСТ Р 50345-2010 характеристиками автоматических включателей являются номинальный ток автомата, условный ток нерасцепленияУсловный ток нерасцепления – это установленное значение тока, который автоматический выключатель способен проводить, не срабатывая, в течение заданного (условного) времени (ГОСТ Р 50345-2010, п.3.5.15). Он равен 1,13 номинального тока автомата. При протекании этого значения тока через автомат он не отключится в течении условного времени. Условное время равно 1 час для выключателей с номинальным током до 63 А включительно и 2 часа для выключателей с номинальным током свыше 63 А. (ГОСТ Р 50345-2010, п.8.6.1, 8.6.2), условный ток расцепленияУсловный ток расцепления – установленное значение тока, которое вызывает срабатывание автоматического выключателя в течение заданного (условного) времени (ГОСТ Р 50345-2010, п.3.5.16). Он равен 1,45 номинального тока автомата. При протекании этого значения тока через автомат произойдет его расцепление в течении условного времени. Условное время равно 1 час для выключателей с номинальным током до 63 А включительно и 2 часа для выключателей с номинальным током свыше 63 А. (ГОСТ Р 50345-2010, п.8.6.1, 8.6.2), ток мгновенного расцепленияТок мгновенного расцепления – это минимальное значение тока, вызывающее автоматическое срабатывание выключателя без преднамеренной выдержки времени (ГОСТ Р 50345-2010, п.3.5.17). Стандартные диапазоны токов мгновенного расцепления: для времятоковой характеристики типа В – свыше 3 до 5 включительно номинального тока автомата; для типа С – свыше 5 до 10 включительно; для типа D – свыше 10 до 20 включительно (ГОСТ Р 50345-2010, п.5.3.5).. При токе 2,55·Iн.а время размыкания должно составлять не менее 1 с и не более: 60 с – при номинальных токах автомата до 32 А включительно; 120 с – при номинальных токах свыше 32 А (ГОСТ Р 50345-2010, п.9.10.1). Для времятоковой характеристики типа В (см. рисунок ниже) при токе 3·Iн.а В ГОСТ Р 50031-2012, который в настоящее время отменен, это значение тока называют током мгновенного неотключения.время размыкания должно быть не менее 0,1 сек, при токе 5·Iн.а В ГОСТ Р 50031-2012, который в настоящее время отменен, это значение тока называют током мгновенного отключения.– менее 0,1 сек (ГОСТ Р 50345-2010, п.9.10.2).
Рисунок – Примерный вид времятоковой характеристики типа В автоматического выключателя
Для автоматов с нерегулируемой времятоковой характеристикой в качестве Iн.расц в условии (2.2) следует принимать номинальный ток автомата.
Некоторые типы автоматических выключателей снабжены регулируемой тепловой защитой. Например, автомат ABB MS132, показанный на рисунке ниже, имеет диапазон уставки расцепления от 25 до 40А. Для таких автоматов в качестве Iн.а в условии (1.2) следует принимать максимальный ток диапазона уставки расцепления (в приведенном примере это 40А), а в качестве Iн.расц в условии (2.2) – выбранный и выставленный на автомате ток уставки расцепления.
Рисунок – Автоматический выключатель с регулируемой тепловой защитой
Условие 3 –По кратковременной перегрузке Аппараты защиты не должны отключать электроустановку при кратковременных перегрузкахпусковые токи, пики технологических нагрузок, токи при самозапуске и т. п. (ПУЭ, п.3.1.4).
В соответствии с указанным выше, условиями выбора аппаратов защиты будут:
для предохранителей:
для автоматических выключателей с электромагнитным или комбинированным расцепителем:
для автоматических выключателей с тепловым расцепителем:
где Iср.эл.м – номинальный ток срабатывания электромагнитного расцепителя; Iн.теп – номинальный ток теплового расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратнозависимой от тока характеристикой или уставка номинального тока теплового расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратнозависимой от тока характеристикой; Imax – наибольшая величина кратковременного тока перегрузки, А; α – коэффициент, зависящий от условий пуска и типа предохранителя, в неопределенных случаях принимается при защите электродвигателей с короткозамкнутым ротором и легком пуске (длительностью 2–5 с), равным 2,5, при тяжелом пуске (длительностью около 10 с), а также при частых пусках (более 15 в час) или для особо ответственных электродвигателей, ложное отключения которых недопустимо, равным 1,6, при защите двигателей с фазным ротором – от 0,8 до 1; К – коэффициент, учитывающий неточности в определении и разброс характеристик расцепителей автоматических выключателей (для большинства автоматических выключателей с тепловым, электромагнитным или комбинированным расцепителем принимается равным 1,25, для автоматических выключателей А3110 – 1,5).
Для одиночного двигателя:
где Iпуск и Кп – соответственно пусковой ток и коэффициент пуска двигателя.
При защите одним аппаратом защиты нескольких двигателей величина Imax рассчитывается в зависимости от условий пуска (одновременный, поочередный пуск). Так, при поочередном пуске электродвигателей:
где ΣIp(n-1) и ΣIн(n-1) – соответственно сумма рабочих и номинальных токов всех электродвигателей без одного, имеющего наибольший пусковой ток; Iпуск = Кп·Iн – пусковой ток электродвигателя, имеющего наибольшую его величину; Ко и Кз – соответственно коэффициент одновременности и загрузки электродвигателя.
При одновременном пуске электродвигателей:
В условии (3.2) под номинальным током срабатывания электромагнитного расцепителя Iср.эл.м понимают уставку по току срабатывания электромагнитных максимальных расцепителей тока для автоматов у которых задан этот параметр (см. рисунок ниже).
Рисунок – Автоматический выключатель АП50Б с комбинированным максимальным расцепителем тока (электромагнитным и тепловым), с номинальным током максимального расцепителя 25 А и уставкой по току срабатывания электромагнитного максимального расцепителя тока равной 10Iн (т.е. 250 А)
В случае когда для автомата задано вместо значения уставки по току срабатывания электромагнитного максимального расцепителя тока тип времятоковой характеристики (см. рисунок ниже), то в качестве значения Iср.эл.м в условии (3.2) можно взять среднее значение диапазона токов мгновенного расцепления соответствующего данной характеристики. Если к защищаемому оборудованию или участку сети предъявляют повышенные требования надежности в отношении ложного срабатывания при кратковременной перегрузки, в качестве Iср.эл.м можно взять минимальное значение указанного диапазона.
Рисунок – Автоматический выключатель серии ВА с времятоковой характеристикой типа С и номинальным током 20А
Условие 4 –Согласование с проводниками в сетях, защищаемых от перегрузок Аппараты защиты должны отключать электроустановки при длительных перегрузках (ПУЭ, п.3.1.11). 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 (ГОСТ 30331.5-95, п.433.1).
Параметры аппаратов защиты должны иметь, по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам проводников сети (Iдоп), следующие кратности.
При защите сетей от перегрузок предохранителем или автоматическим выключателем только с электромагнитным расцепителем (отсечкой):
– для проводников с поливинилхлоридной, резиновой и аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией
– для проводников, прокладываемых в невзрывоопасных производственных помещениях промышленных предприятий, а также для кабелей с бумажной изоляцией
В условиях (4.1-4.4) в качестве Iн.эл.м следует принимать номинальный ток автоматического выключателя (номинальный ток максимального электромагнитного расцепителя), т.е. значение тока при котором автоматический выключатель работает без расцепления.
При защите сетей от перегрузок автоматическим выключателем, имеющим регулируемую токовую характеристику теплового расцепителя:
– для проводников с поливинилхлоридной, резиновой и аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией
– для проводников с бумажной изоляцией и изоляцией из вулканизованного полиэтилена
где Iн.тепл – номинальный ток срабатывания теплового расцепителя автоматического выключателя, А.
В качестве Iн.тепл в условиях (4.5-4.6) следует брать значение тока уставки максимального теплового расцепителя выбранное и выставленное на автомате.
При защите сетей от перегрузок автоматическим выключателем, имеющим нерегулируемую токовую характеристику теплового расцепителя для проводников всех марок:
В качестве Iн.тепл в условии (4.7) следует принимать значение номинально тока защитного аппарата.
Если условие 4 не выполняется, следует увеличить сечение проводников защищаемой линии. Не рекомендуется применять для защиты сетей от перегрузки автоматические выключатели, имеющие только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку), и предохранители, если применение указанных аппаратов вызывает необходимость значительно завышать сечение защищаемых проводников.
Условие 5 –Согласование с проводниками в сетях, защищаемых только от КЗ В сетях, защищаемых только от токов КЗза исключением протяженных сетей, например сельских, коммунальных (не требующих защиты от перегрузки)согласно ПУЭ, п.3.1.10, по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам проводников, приведенным в таблицах гл. 1.3 ПУЭ-7, аппараты защиты должны иметь кратность по току не более:
300% для номинального тока плавкой вставки предохранителя
450% для тока уставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку)
100% для номинального тока расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратно зависящей от тока характеристикой (независимо от наличия или отсутствия отсечки)
125% для тока трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратной зависящей от тока характеристикой; если на этом автоматическом выключателе имеется еще отсечка, то ее кратность тока срабатывания не ограничивается
где Iтр.расц – ток трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратной зависящей от тока характеристикой.
Под током трогания понимают минимальный ток, при котором гарантируется срабатывание расцепителя с обратно зависимой от тока характеристикой. Данное значение тока можно определить по времятоковой характеристике автоматического выключателя, как значение условного тока расцепления.
При выборе предохранителей и автоматов по условию 5 следует помнить, что наличие аппаратов с завышенными уставками тока не является обоснованием для увеличения сечения проводников (ПУЭ, п.3.1.9).
В случаях, когда требуемая допустимая длительная токовая нагрузка проводника, определенная по условиям 4 и 5, превышает допустимую нагрузку проводников принятую по расчетному току, допускается применение проводника ближайшего меньшего сечения, но не менее, чем это требуется по расчетному току (ПУЭ, п.3.1.13).
В случае, когда условие 5 не выполняется, следует проверить защиту на надежность отключения поврежденного участка сети наименьшим расчетным током КЗ в конце защищаемого участка. Чувствительность защиты к токам короткого замыкания в конце защищаемой линии должна быть не ниже оговоренной в ПУЭПУЭ-7, п.1.7.79 (РФ); ТКП 339-2011, п.4.3.5.4, 4.3.5.6. (РБ). Если аппараты защиты не обеспечивают надежность отключения, следует увеличить сечение проводников защищаемой линии.
Условие 6 –По отключающей способности Аппараты защиты по своей отключающей способности должны соответствовать максимальному значению тока КЗ в начале защищаемого участка электрической сети (ПУЭ, п.3.1.3).
где Iотк – предельная коммутационная способность выключателя; Iкз.макс – максимальное значение тока КЗ в начале защищаемого участка электрической сети.
Условие 7 –По напряжению Номинальное напряжение аппарата защиты должно соответствовать напряжению защищаемой электрической сети.
где Uн.з – номинальное напряжение защитного аппарата; Uн.с – номинальное напряжение электрической сети.
Условие 8 –По селективности При выборе номинальных токов и уставок аппаратов защиты следует обеспечивать селективность защиты, для этого рекомендуется, чтобы каждый ближайший к источнику питания аппарат имел номинальный ток или уставку на две ступени выше, чем предшествующий ему со стороны потребителей аппарат защиты. Допускается минимальная разница на одну ступень. ТКП 45-4.04-296-2014, п.7.13.9. Данное указание не относится к вводным автоматическим выключателям групповых щитков, комбинированные расцепители которых следует выбирать на наибольший для данного типа аппарата ток, с целью повышения устойчивости к токам КЗ и которые не предназначены для выполнения аппаратами функций защиты.
Рисунок – Сравнение характеристик автоматических выключателей (пример селективности действия аппаратов)
Условие 9 – Для обеспечения мер защиты при косвенном прикосновении, характеристики защитных аппаратов и параметры защитных проводников должны быть согласованы таким образом, чтобы обеспечивалось отключение поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом за время не более значений установленных ПУЭПУЭ-7, п.1.7.79, 1.7.81 (РФ); ТКП 339-2011, п.4.3.5.4, 4.3.5.6. (РБ).