Выбор автоматического выключателя

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)


Содержание

Критерии выбора автоматического выключателя

Выбор автоматических выключателей определяется электрическими характеристиками электроустановки, условиями эксплуатации, нагрузками и необходимостью дистанционного управления (в зависимости от типа планируемой телекоммуникационной сети).

Выбор автоматического выключателя производится с учетом:

  • электрических характеристик электроустановки, для которой предназначен этот автоматический выключатель;
  • условий его эксплуатации: температуры окружающей среды, размещения в здании подстанции или корпусе распределительного щита, климатических условий и др.;
  • требований к включающей и отключающей способности при коротких замыканиях, эксплуатационных требований: селективного отключения, требований к дистанционному управлению и индикации и соответствующим вспомогательным контактам, дополнительным расцепителям, соединениям;
  • правил устройства электроустановок, в частности требований в отношении обеспечения защиты людей;
  • характеристик нагрузки, например электродвигателей, люминесцентного освещения, разделительных трансформаторов низкого напряжения.

Следующие замечания относятся к выбору низковольтного автоматического выключателя для использования в распределительных системах.


Выбор номинального тока с учетом окружающей температуры

Номинальный ток автоматического выключателя определяется для работы при определенной температуре окружающей среды, которая обычно составляет:

  • 30°С для бытовых автоматических выключателей;
  • 40°С для промышленных автоматических выключателей.

Функционирование этих автоматических выключателей при другой окружающей температуре зависит главным образом от технологии применяемых расцепителей (рис. H40).


Рис H40.jpg


Рис. H40: Температура окружающей среды


Некомпенсируемые термомагнитные комбинированные расцепители

Порог срабатывания автоматических выключателей с некомпенсируемыми комбинированными расцепителями зависит от окружающей температуры.

Автоматические выключатели с некомпенсируемыми термомагнитными расцепителями имеют порог срабатывания, который зависит от окружающей температуры. Если автоматический выключатель установлен в оболочке или в помещении с высокой температурой (например, в котельной), то ток, необходимый для отключения этого автоматического выключателя при перегрузке, будет заметно ниже. Когда температура среды, в которой расположен автоматический выключатель, превышает оговоренную изготовителем температуру, его характеристики окажутся «заниженными». По этой причине изготовители автоматических выключателей приводят таблицы с поправочными коэффициентами, которые необходимо применять при температурах, отличных от оговоренной температуры функционирования автоматического выключателя. Из типовых примеров таких таблиц (рис. H41) следует, что при температуре, оговоренной изготовителем, происходит повышение порога срабатывания соответствующего автоматического выключателя. Кроме того, небольшие модульные автоматические выключатели, установленные вплотную друг к другу (рис. H27), обычно монтируются в небольшом закрытом металлическом корпусе. В таком случае, вследствие взаимного нагрева при прохождении обычных токов нагрузки, к их токовым уставкам необходимо применять поправочный коэффициент 0,8.

Автоматические выключатели C60a, C60H: кривая C; C60N: кривые B и C (стандарт. температура: 30°С)

Ном. ток (А) 20 °C 25 °C 30 °C 35 °C 40 °C 45 °C 50 °C 55 °C 60 °C
1 1,05 1,02 1,00 0,98 0,95 0,93 0,90 0,88 0,85
2 2,08 2,04 2,00 1,96 1,92 1,88 1,84 1,80 1,74
3 3,18 3,09 3,00 2,91 2,82 2,70 2,61 2,49 2,37
4 4,24 4,12 4,00 3,88 3,76 3,64 3,52 3,36 3,24
6 6,24 6,12 6,00 5,88 5,76 5,64 5,52 5,40 5,30
10 10,6 10,3 10,0 9,70 9,30 9,00 8,60 8,20 7,80
16 16,8 16,5 16,0 15,5 15,2 14,7 14,2 13,8 13,5
20 21,0 20,6 20,0 19,4 19,0 18,4 17,8 17,4 16,8
25 26,2 25,7 25,0 24,2 23,7 23,0 22,2 21,5 20,7
32 33,5 32,9 32,0 31,4 30,4 29,8 28,4 28,2 27,5
40 42,0 41,2 40,0 38,8 38,0 36,8 35,6 34,4 33,2
50 52,5 51,5 50,0 48,5 47,4 45,5 44,0 42,5 40,5
63 66,2 64,9 63,0 61,1 58,0 56,7 54,2 51,7 49,2


NS250N/H/L (стандартная температура: 40°C)

Ном. ток (А) 40 °C 45 °C 50 °C 55 °C 60 °C
TM160D 160 156 152 147 144
TM200D 200 195 190 185 180
TM250D 250 244 238 231 225


Рис. H41: Таблицы для определения коэффициентов понижения/повышения токовых уставок, которые должны применяться к автоматическим выключателям с некомпенсируемыми тепловыми расцепителями в зависимости от температуры


Пример:
Какой номинальный ток (In) следует выбрать для автоматического выключателя C60 N? Этот аппарат:

  • обеспечивает защиту цепи, в которой максимальный расчетный ток нагрузки составляет 34 А;
  • установлен вплотную к другим автоматическим выключателям в закрытой распределительной коробке;
  • эксплуатируется при окружающей температуре 50°С.

При окружающей температуре 50°С уставка автоматического выключателя C60N с номинальным током 40 А снизится до 35,6 А (см. таблицу на рис. H41). Взаимный нагрев в замкнутом пространстве учитывается поправочным коэффициентом 0,8. Таким образом, получаем 35,6 x 0,8 = 28,5 A, что неприемлемо для тока нагрузки 34 А.

Поэтому будет выбран автоматический выключатель на 50 А, и соответствующая скорректированная уставка по току составит 44 x 0,8 = 35,2 А.

Компенсированные комбинированные расцепители

Эти расцепители содержат биметаллическую компенсирующую пластину, которая обеспечивает возможность регулировки уставки по току отключения при перегрузке (Ir или Irth) в установленных пределах независимо от температуры окружающей среды.

Пример:

  • В некоторых странах система заземления TT является стандартной в низковольтных распределительных системах, а бытовые (и аналогичные) электроустановки защищаются в месте ввода автоматическим выключателем, который устанавливается соответствующей энергоснабжающей организацией. Такой автоматический выключатель, помимо защиты от косвенного прикосновения, обеспечит отключение цепей при перегрузках, если потребитель превысит уровень потребляемого тока, оговоренный в его контракте с энергоснабжающей организацией. Регулировка уставок автоматического выключателя с номинальным током менее 60 А возможна при температуре от - 5 до +40°С.
  • Низковольтные автоматические выключатели с номинальным током менее 630 А обычно оснащаются компенсируемыми расцепителями для этого диапазона температуры (от - 5 до +40 °С).


Электронные расцепители

Электронные расцепители устойчиво функционируют при изменении окружающей температуры.

Важным преимуществом электронных расцепителей является их устойчивая работа при изменении температурных условий. Однако само распределительное устройство часто налагает эксплуатационные ограничения при повышенных температурах, поэтому изготовители обычно приводят рабочую диаграмму, на которой указываются максимально допустимые значения уставок тока в зависимости от окружающей температуры (рис. H42).

Тип автоматического выключателя Masterpact NW20 40°C 45°C 50°C 55°C 60°C
H1/H2/H3 Выкатной,
горизонтальное
исполнение
In (A) 2,000 2,000 2,000 1,980 1,890
Максимальное значение
токовой уставки (Ir)
1 1 1 0,99 0,95
L1 Выкатной,
вертикальное
исполнение
In (A) 2,000 200 1,900 1,850 1,800
Максимальное значение
токовой уставки (Ir)
1 1 0,95 0,93 0,90


Рис H42.jpg


Рис. H42: Снижение максимального значения токовой уставки автоматического выключателя Masterpact NW20 в зависимости от температуры

Выбор уставок срабатывания без выдержки времени

На рис. H43 представлены основные характеристики расцепителей мгновенного срабатывания.


Тип Расцепитель Применения
Рис H43a.jpg
Электромагнитный
3-5 In
Тип B
  • Источники питания, создающие низкие уровни тока короткого замыкания (резервные генераторы)
  • Кабели или цепи большой длины
Рис H43b.jpg
Электромагнитный
5-10 In
Тип C
  • Защита цепей: общий случай
Рис H43c.jpg
Электромагнитный
10-14 In
Тип D или K
  • Защита цепей, имеющих высокие уровни переходных токов (цепи электродвигателей, трансформаторов)
Рис H43d.jpg
12 In
Тип MA
  • Защита цепей электродвигателей в сочетании с контакторами, оснащенными тепловыми реле.


Рис. H43: Различные расцепители мгновенного действия


Выбор автоматического выключателя с учетом требований к отключающей способности при КЗ

Для установки низковольтного автоматического выключателя требуется, чтобы его предельная отключающая способность (или отключающая способность вышестоящего выключателя, удовлетворяющего условиям координации с нижестоящим) была равна расчетному ожидаемому току короткого замыкания или превышала.

Автоматический выключатель, предназначенный для использования в низковольтной электроустановке, должен удовлетворять одному из двух следующих условий:

  • иметь предельную отключающую способность Icu (Icn), которая равна расчетному ожидаемому току короткого замыкания в месте установки или превышает его;
  • использоваться совместно с другим устройством, расположенным выше по цепи и имеющим требуемую отключающую способность.

Во втором случае характеристики этих двух устройств должны быть согласованы так, чтобы ток, который может проходить через вышерасположенное устройство, не превышал максимальный ток, который способны выдержать нижерасположенный выключатель и все соответствующие кабели, провода и другие элементы цепи без какого-либо повреждения. Данный метод целесообразен при использовании:

  • комбинаций плавких предохранителей и автоматических выключателей;
  • комбинаций токоограничивающих автоматических выключателей и стандартных автоматических выключателей. Этот метод называют «каскадированием» (см. подраздел Согласование характеристик автоматических выключателей).

Выбор автоматических выключателей вводных и отходящих линий

Случай применения одного трансформатора

Если трансформатор расположен на потребительской подстанции, то в некоторых национальных стандартах требуется применение низковольтного автоматического выключателя, в котором были бы явно видны разомкнутые контакты, такого как, например, выкатной выключатель Compact NS.

Пример (рис. H44):
Какой тип автоматического выключателя пригоден для главного автомата защиты электроустановки, питаемой от трехфазного понижающего трансформатора мощностью 250 кВА и напряжением во вторичной обмотке 400 В, установленного на потребительской подстанции?

Ток трансформатора In = 360 А
Ток (трехфазный) Isc = 8,9 кА

Для таких условий подходящим вариантом будет автоматический выключатель Compact NS400N с диапазоном регулировки расцепителя 160 - 400 А и предельной отключающей способностью (Icu) 45 кА.


Рис H44.jpg


Рис. H44: Пример установки автоматического выключателя на выходе трансформатора, расположенного на потребительской подстанции

Несколько трансформаторов, включенных параллельно

(рис. H45)

При наличии нескольких трансформаторов, включенных параллельно, автоматический выключатель, установленный на выходе самого маленького трансформатора, должен иметь отключающую способность не менее суммарной отключающей способности других низковольтных автоматических выключателей трансформаторов.

  • Каждый из автоматических выключателей CBP, установленных на линиях, отходящих от низковольтного распределительного щита, должен быть способен отключать суммарный ток короткого замыкания от всех трансформаторов, подсоединенных к шинам, т.е. Isc1 + Isc2 + Isc3.
  • Автоматические выключатели CBM, каждый из которых контролирует выход соответствующего трансформатора, должны быть способны отключать максимальный ток короткого замыкания, например, ток Isc2 + Isc3, если короткое замыкании возникло в месте, расположенном выше выключателя CBM1.

Из этих соображений понятно, что в таких обстоятельствах автоматический выключатель самого маленького трансформатора будет подвергаться самому большому току короткого замыкания, а автоматический выключатель самого большого трансформатора будет пропускать наименьший ток короткого замыкания.

  • Номинальные токи отключения автоматических выключателей CBM должны выбираться в зависимости от номинальной мощности к КВА соответствующих трансформаторов.

Примечание: необходимыми условиями для успешной параллельной работы трехфазных трансформаторов являются следующие:
1. Фазовый сдвиг напряжений во вторичной и первичной обмотках должен быть одинаков во всех параллельно включенных трансформаторах.
2. Коэффициенты трансформации должны быть одинаковы для всех трансформаторов.
3. Напряжения короткого замыкания (Uк %) должны быть одинаковыми для всех трансформаторов.

Например, трансформатор мощностью 750 кВА с Uк = 6% будет правильно делить нагрузку с трансформатором мощностью 1000 кВА, имеющим Uк = 6%, т.е. эти трансформаторы будут автоматически нагружаться пропорционально их мощностям. Для трансформаторов, у которых отношение номинальных мощностей превышает 2, параллельная работа не рекомендуется.


Рис H45.jpg


Рис. H45: Параллельное включение трансформаторов


В таблице, приведенной на рис. H46, указаны максимальные токи короткого замыкания, которым подвергаются автоматические выключатели вводных и отходящих линий (соответственно CBM и CBP на рис. H45), для самой распространенной схемы параллельной работы (2 или 3 трансформатора одинаковой мощности). Приведенные данные базируются на следующих допущениях:

  • мощность трехфазного короткого замыкания на стороне высокого напряжения трансформатора составляет 500 МВА;
  • трансформаторы являются стандартными распределительными трансформаторами напряжением 20/0,4 кВ, характеристики которых приведены в таблице;
  • кабели от каждого трансформатора к его низковольтному автоматическому выключателю состоят из одножильных проводников длиной 5 метров;
  • между каждым автоматическим выключателем вводной цепи (CBM) и каждым автоматическим выключателем отходящей цепи (CBP) имеется шина питания длиной 1 м;
  • распределительное устройство расположено в напольном закрытом распределительном щите, температура окружающего воздуха - 30°С.

Кроме того, в этой таблице указаны модели автоматических выключателей Schneider Electric, рекомендуемые для применения в каждом случае в качестве автоматических выключателей вводных и отходящих линий.

Количество и мощность трансформаторов 20/0,4 кВ (кВА) Мин. отключающая способность авт. выключателя ввода Icu (кА) Авт. выключатели ввода (CBM),полностью согласованные с авт.выключателем отходящих линий (CBP) Мин. отключающая способность авт. выключателя отходящих линий Icu (кА) Авт. выключатели ввода (CРВ)на ном. ток 250 A
2 x 400 14 NW08N1/NS800N 27 NSX250H
3 x 400 28 NW08N1/NS800N 42 NSX250H
2 x 630 22 NW10N1/NS1000N 42 NSX250H
3 x 630 44 NW10N1/NS1000N 67 NSX250H
2 x 800 19 NW12N1/NS1250N 38 NSX250H
3 x 800 38 NW12N1/NS1250N 56 NSX250H
2 x 1,000 23 NW16N1/NS1600N 47 NSX250H
3 x 1,000 47 NW16N1/NS1600N 70 NSX250H
2 x 1,250 29 NW20N1/NS2000N 59 NSX250H
3 x 1,250 59 NW20N1/NS2000N 88 NSX250L
2 x 1,600 38 NW25N1/NS2500N 75 NSX250L
3 x 1,600 75 NW25N1/NS2500N 113 NSX250L
2 x 2,000 47 NW32N1/NS3200N 94 NSX250L
3 x 2,000 94 NW32N1/NS3200N 141 NSX250L


Рис. H46: Максимальные значения тока короткого замыкания, который должне отключаться автоматическими выключателями ввода и отходящих линий (соответственно CBM и CBP) при параллельной работе нескольких трансформаторов


Пример (рис. H47):

  • Выбор автоматического выключателя вводной линии (CBM):

Для трансформатора мощностью 800 кВА In = 1126 А, Icu (минимальный ток) = 38 кА (из рис. H46).
При таких характеристиках таблица рекомендует использовать Compact NS1250N (Icu = 50 кА).

  • Выбор автоматического выключателя отходящей линии (CBP):

Из рис. H46 требуемая отключающая способность (Icu) для таких автоматических выключателей составляет 56 кА.

Для трех отходящих линий 1, 2 и 3 рекомендуется использовать токоограничивающие автоматические выключатели типа NS400 L, NS250 L и NS 100 L. В каждом случае номинальная отключающая способность Icu = 150 кА.


Рис H47.jpg


Рис. H47: Параллельная работа трансформаторов


Эти автоматические выключатели обеспечивают следующие преимущества:
  -   полное согласование с характеристиками вышерасположенных автоматических выключателей (CBM), т.е. селективность срабатывания защит;
  -   использование метода каскадирования с соответствующей экономией затрат в отношении всех элементов, расположенных ниже по цепи.

Выбор автоматических выключателей отходящих и оконечных линий

Значения тока короткого замыкания в любом месте электроустановки можно определить с помощью таблиц.

Использование таблицы G39

С помощью этой таблицы можно быстро определить величину трехфазного тока короткого замыкания в любом месте электроустановки, зная:

  • величину тока короткого замыкания в точке, расположенной выше места, предназначенного для установки соответствующего автоматического выключателя;
  • длину, сечение и материал проводников между этими двумя точками.

После этого можно выбрать автоматический выключатель, у которого отключающая способность превышает полученное табличное значение.

Детальный расчет тока короткого замыкания

Для того, чтобы более точно рассчитать величину тока короткого замыкания, особенно в случае, когда отключающая способность автоматического выключателя чуть меньше величины, полученной из таблицы, необходимо использовать метод, описанный в разделе Ток короткого замыкания.

Двухполюсные автоматические выключатели (для фазы и нейтрали) с одним защищенным полюсом

Такие автоматические выключатели обычно имеют устройство максимальной защиты только на полюсе фазы и могут применяться в системах TT, TN-S и IT. В системе IT должны выполняться следующие условия:

  • условие (B) из таблицы G67 для максимальной защиты нулевого проводника в случае двойного короткого замыкания;
  • отключающая способность при КЗ: двухполюсный автоматический выключатель (фаза-нейтраль) должен быть способен отключать на одном полюсе (при линейном напряжении) ток двойного короткого замыкания, равный 15% трехфазного тока короткого замыкания в месте его установки, если этот ток не превышает 10 кА, или 25% трехфазного тока короткого замыкания, если он превышает 10 кА;
  • защита от косвенного прикосновения: такая защита обеспечивается в соответствии с правилами, предусмотренными для систем заземления IT.

Недостаточная отключающая способность при КЗ

В низковольтных распределительных системах, особенно в сетях, эксплуатируемых в тяжелых условиях, иногда случается, что рассчитанный ток трехфазного КЗ Isc превышает предельную отключающую способность Icu автоматических выключателей, имеющихся в наличии для установки, или же изменения, произошедшие в системе выше, привели к изменениям требований к отключающим способностям автоматических выключателей.

  • Решение 1: убедитесь в том, что соответствующие автоматические выключатели, расположенные выше тех, которых это коснулось, являются тогоограничивающими, поскольку в таком случае можно использовать принцип каскадного включения (см. подраздел Согласование характеристик автоматических выключателей).
  • Решение 2: установите несколько автоматических выключателей с более высокой отключающей способностью. Такое решение представляется экономически целесообразным в том случае, если затронуты один или два автоматических выключателя.
  • Решение 3: установите последовательно с затронутыми автоматическими выключателями и выше по цепи токоограничивающие плавкие предохранители (типа gG или aM). При этом такая схема должна отвечать следующим условиям:

  -   предохранитель должен иметь соответствующий номинал;
  -   предохранитель не должен устанавливаться в цепи нулевого проводника, за исключением определенных электроустановок системы IT, в которых при двойном коротком
      замыкании в нулевом проводнике возникает ток, превышающий отключающую способность автоматического выключателя.

В этом случае расплавление предохранителя в нулевом проводнике приведет к тому, что этот автоматический выключатель отключит все фазы.