Простые коммутационные устройства

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

Разъединитель

(рис. H5)

Представляет собой ручной двухпозиционный (вкл./откл.) коммутационный аппарат с возможностью блокировки, обеспечивающий при фиксации в разомкнутом положении безопасное гарантированное разъединение цепи. Его характеристики определены в стандарте МЭК 60947-3. Разъединитель не предназначен для того, чтобы включать или отключать токи [1], и в стандартах не регламентируются номинальные значения для этих функций. Но он должен выдерживать прохождение токов короткого замыкания, и для него устанавливается номинальный кратковременный выдерживаемый ток (обычно длительностью 1 с, если иное время не согласовано между пользователем и изготовителем).

Эта величина обычно значительно превышает максимальные рабочие токи, действующие в течение более длительных периодов, например, пусковые токи электродвигателей. Также должны выполняться стандартные требования по механической износостойкости, перенапряжениям и токам утечки.


Рис H05.jpg


Рис. H5: Обозначение разъединителя


Выключатель нагрузки

(рис. H6)

Этот выключатель обычно управляется вручную (но иногда для удобства оператора снабжается электрическим приводом отключения) и является неавтоматическим двухпозиционным коммутационным аппаратом (вкл./откл.).

Он используется для включения и отключения нагруженных цепей в нормальных условиях.

Поэтому он не обеспечивает защиту управляемой им цепи.

Стандарт МЭК 60947-3 устанавливает:

  • частоту коммутаций (не более 600 циклов включения/отключения в час);
  • механическую и коммутационную износостойкость (обычно меньшую, чем у контактора);
  • номинальные токи включения и отключения для нормальных и нечастых коммутаций.

При включении выключателя с целью подачи напряжения всегда существует вероятность того, что в цепи произошло непредвиденное короткое замыкание. По этой причине для выключателей нагрузки задается максимальный ток включения на короткое замыкание, т.е. обеспечивается успешное замыкание цепи при наличии электродинамических сил, связанных током короткого замыкания.
Отключение короткого замыкания обеспечивается вышерасположенными защитными устройствами.

Периодическая коммутация отдельных электродвигателей относится к категории AC 23. Включение/отключение конденсаторов или ламп накаливания должно быть предметом соглашения между изготовителем и пользователем.


Рис H06.jpg


Рис. H6: Обозначение выключателя нагрузки


Категории использования, указанные на рис. H7, не относятся к оборудованию, которое обычно используется для пуска, разгона и/или останова отдельных двигателей.

Пример:
Выключатель нагрузки на 100 А, соответствующий к категории AC 23 (индуктивная нагрузка), должен быть способен:

  • включать ток 10 In (= 1000 А) при коэффициенте мощности 0,35;
  • отключать ток 8 In (= 800 А) при коэффициенте мощности 0,45;
  • выдерживать при включении кратковременные токи короткого замыкания.
Категории использования Типовые применения Cos φ                       Ток
включения x In
Ток
отключения x In
Частые коммутации Нечастые коммутации
AC 20A AC 20B Коммутация цепей без нагрузки - - -
AC 21A AC 21B Коммутация активных нагрузок,
включая умеренные перегрузки
0,95 1,5 1,5
AC 22A AC 22B Коммутация смешанных активных
и индуктивных нагрузок,
включая умеренные перегрузки
0,65 3 3
AC 23A AC 23B Коммутация электродвигателей
или других высокоиндуктивных
нагрузок
0,45 для I ≤ 100 A
0,35 для I > 100 A
10 8


Рис. H7: Категории использования низковольтных коммутационных аппаратов переменного тока согласно стандарту МЭК 60947-3


Выключатель с дистанционным управлением

(рис. H8)

Этот аппарат широко используется для управления осветительными цепями, когда при нажатии кнопки дистанционного управления отключается уже включенный или включается отключенный выключатель.

Типичные применения:

  • коммутация на лестничных клетках больших зданий;
  • схемы сценического освещения;
  • освещение фабрик и др.

Существуют вспомогательные устройства для реализации функций:

  • дистанционной индикации его положения в любой момент времени;
  • выдержки времени.


Рис H08.jpg


Рис. H8: Обозначение выключателя с дистанционным управлением


Контактор

(рис. H9)

Контактор представляет собой коммутационный аппарат с электромагнитным управлением, который обычно удерживается в замкнутом положении током (уменьшенной величины), проходящим через включающий соленоид (хотя для специальных применений существуют различные типы с механической блокировкой). Контакторы предназначены для выполнения многократных циклов включения/отключения и обычно управляются дистанционно с помощью двухпозиционных нажимных кнопок. Большое количество повторных циклов срабатывания стандартизировано в таблице VIII стандарта МЭК 60947-4-1 по:

  • продолжительности работы: 8 часов, непрерывно, периодически; кратковременно в течение 3, 10, 30, 60 и 90 минут;
  • категории использования: например, контактор категории AC3 можно использовать для пуска и останова асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;
  • циклам пуска-останова (1 ÷ 1200 циклов в час);
  • механической износостойкости (количеству коммутаций без нагрузки);
  • коммутационной износостойкости (количеству коммутаций под нагрузкой);
  • номинальному току включения и отключения в зависимости от категории использования.

Пример:
Контактор на ток 150 А категории AC3 должен иметь минимальный ток отключения 8 In (1200 А) и минимальный ток включения 10 In (1500 А) при коэффициенте мощности 0,35 при индуктивной нагрузке.


Рис H09.jpg


Рис. H9: Обозначение контактора


Контактор с тепловым реле [2]

Контакторы, оснащенные тепловым реле для защиты от перегрузки, широко используются для дистанционного управления осветительными цепями с помощью кнопок и, как отмечено в подразделе Комбинированные коммутационные аппараты, могут также рассматриваться как важный элемент в управлении двигателем. Такой коммутационный аппарат не эквивалентен автоматическому выключателю, поскольку его отключающая способность при коротком замыкании ограничена величиной 8 или 10 In. Поэтому для защиты от короткого замыкания необходимо последовательно с данным контактором (выше по цепи) устанавливать или плавкие предохранители, или автоматический выключатель.

Плавкие предохранители

(рис. H10)

Широко применяются два типа низковольтных плавких предохранителей:

  • тип gG: для бытовых и аналогичных электроустановок;
  • типы gG, gM или aM: для промышленных электроустановок.

Первая буква указывает на диапазон отключающих токов:

  • плавкие вставки g: отключающая способность во всем диапазоне;
  • плавкие вставки a: отключающая способность в части диапазона.

Вторая буква указывает на категорию использования и с точностью определяет времятоковые характеристики.

Например:

  • gG: обозначает плавкие вставки общего применения с отключающей способностью во всем диапазоне;
  • gM: обозначает плавкие вставки с отключающей способностью во всем диапазоне, предназначенные для защиты цепей электродвигателей;
  • aM: обозначает плавкие вставки с отключающей способностью в части диапазона, предназначенные для защиты цепей электродвигателей.

Существуют предохранители с механическими индикаторами «перегорания» и без них. Плавкие предохранители отключают цепь в результате управляемого расплавления плавкого элемента, когда в течение соответствующего периода времени ток превышает установленную величину.
Соотношение тока и времени представляется в форме рабочей характеристики каждого типа предохранителя. В стандартах определены два класса предохранителей:

  • предохранители для применения в бытовых электроустановках, изготовляемые в форме патрона, рассчитанные на токи до 100 А и обозначаемые в стандартах
    МЭК 60269-1 и 3 типом gG;
  • предохранители для промышленного применения, обозначаемые в стандартах МЭК 60269-1 и 2 как gG (общего применения) и gM и aM (для цепей электродвигателей).


Рис H10.jpg


Рис. H10: Графическое обозначение плавких предохранителей


Бытовые и промышленные предохранители различаются в основном уровнями номинального напряжения и тока (предохранители на большие напряжение и ток имеют гораздо большие размеры) и отключающей способностью при коротком замыкании. Плавкие вставки типа gG часто применяются для защиты цепей электродвигателей, что возможно, если их характеристики позволяют без повреждений выдерживать пусковой ток.

В последнее время МЭК стандартизовал новый тип предохранителей gM для защиты цепей двигателей, способных функционировать при пусковых токах и токах короткого замыкания. В одних странах этот тип предохранителей распространен больше, чем в других, но в настоящее время расширяется применение предохранителя типа aM в сочетании с тепловым реле. Для плавкой вставки типа gM предусмотрены две номинальные величины тока. Первая величина In соответствует номинальному току плавкой вставки и номинальному току патрона предохранителя; вторая величина Ich обозначает времятоковую характеристику данной плавкой вставки, определяемую по таблицам II, III и VI, приведенным в стандарте МЭК 60269-1.

Эти две номинальные величины разделяются буквой, указывающей категорию использования.

Например, In M Ich обозначает предохранитель, предназначенный для защиты цепей электродвигателей и имеющий характеристику G. Первая величина In соответствует максимальному непрерывному току для всего предохранителя, а вторая, Ich – характеристике G его плавкой вставки. Дополнительная информация содержится в примечании.

Плавкая вставка aM характеризуется одной величиной тока In и времятоковой характеристикой, показанной далее на рис. H14.

Важное замечание: в некоторых национальных стандартах используется тип предохранителя gI (промышленный), аналогичный по всем основным параметрам предохранителям типа gG.
Вместе с тем предохранители типа gI не должны использоваться в бытовых и аналогичных электроустановках.

Зоны плавления - условные токи

Условия плавления предохранителей определены стандартами в зависимости от их класса.

При использовании предохранителей типа gM требуется применение отдельного теплового реле, описанного в примечании.

Предохранители класса gG

Эти предохранители обеспечивают защиту от перегрузок и коротких замыканий.
Стандартизованы условные токи неплавления и плавления (рис. H12 и рис. H13).

  • Условный ток неплавления Inf – это величина тока, который данный плавкий элемент может выдержать установленное время без плавления.

Пример: предохранитель на 32 А, проводящий ток 1,25 In (т.е. 40 А), не должен расплавиться менее чем за час (таблица Н13).

  • Условный ток плавления If (= I2 in на рис. H12) - это величина тока, который вызовет плавление плавкого элемента до истечения установленного времени.

Пример: предохранитель на 32 А, проводящий ток 1,6 In (т.е. 52,1 А), должен расплавиться за 1 час или менее.
В стандарте МЭК 60269-1 описаны испытания, требующие того, чтобы рабочая кривая конкретного испытываемого предохранителя лежала между двумя предельными кривыми, показанными на рис. H12. Это означает, что при низких уровнях перегрузки по току два предохранителя, удовлетворяющие данному испытанию, могут иметь существенно отличающиеся значения времени срабатывания.


Рис H12.jpg


Рис. H12: Зоны плавления и неплавления предохранителей типов gG и gM (в соответствии со стандартом МЭК 60269-2-1)


Номинальный ток In (A) [3] Условный ток неплавления, Inf Условный ток плавления, If Условное время (ч)
In ≤ 4 A 1,5 In 2,1 In 1
4 < In < 16 A 1,5 In 1,9 In 1
16 < In ≤ 63 A 1,25 In 1,6 In 1
63 < In ≤ 160 A 1,25 In 1,6 In 2
160 < In ≤ 400 A 1,25 In 1,6 In 3
400 < In 1,25 In 1,6 In 4


[3] Ich для предохранителей класса gM


Рис. H13: Зоны плавления и неплавления для низковольтных плавких предохранителей типов gG и gM (в соответствии со стандартами МЭК 60269-1 и 60269-2-1)


  • Приведенные выше два примера для предохранителя на ток 32 А в сочетании с предшествующими примечаниями в отношении требований испытаний объясняют, почему эти предохранители неэффективны при низких уровнях перегрузки.
  • Поэтому, чтобы избежать последствий возможной длительной перегрузки (худший случай: перегрузка 60% в пределах часа), необходимо использовать кабель, рассчитанный на более высокую допустимую токовую нагрузку в амперах, чем тот, который обычно требуется.

Для сравнения, автоматический выключатель с аналогичным номинальным током:

  • не должен отключать цепи в течение промежутка времени менее часа при прохождении тока 1,05 In;
  • при прохождении тока 1,25 In должен отключать цепь в течение часа или менее (худший случай: перегрузка 25% в пределах часа).

Предохранители типа aM для электродвигателей

Предохранители типа aM обеспечивают защиту только от коротких замыканий и должны применяться в комбинации с устройством защиты от перегрузок.

Эти предохранители обеспечивают защиту только от токов короткого замыкания и должны обязательно применяться в сочетании с другими коммутационными аппаратами (например, контакторами, оснащенными тепловым реле, или автоматическими выключателями) с тем, чтобы обеспечить защиту от перегрузки при токах < 4 In. Поэтому они не могут применяться автономно. Поскольку предохранители типа aM не предназначены для защиты от малых токов перегрузки, для них не устанавливаются уровни условных токов плавления и неплавления. Рабочие кривые для испытаний этих предохранителей приводятся для токов короткого замыкания, превышающих приблизительно 4 In (рис. H14), и рабочие кривые предохранителей, тестированных по стандарту МЭК 60269, должны располагаться в заштрихованной области.

Примечание: маленькие стрелки на диаграмме указывают пограничные времятоковые величины для различных тестируемых предохранителей (стандарт МЭК 60269).


Рис H14.jpg


Рис. H14: Стандартные зоны плавления предохранителей класса aM (все номинальные токи)


Номинальная отключающая способность при коротком замыкании

Особенностью современных патронных плавких предохранителей является то, что благодаря быстроте плавления вставки при больших уровнях токов короткого замыкания [4] отключение тока начинается до появления первого большого пика тока, поэтому ток замыкания никогда не достигает своего ожидаемого максимального значения (рис. H15).

Такое ограничение тока значительно снижает вероятность возникновения термических и динамических напряжений и, тем самым, сводит к минимуму опасность и степень ущерба в том месте, где произошло короткое замыкание. Поэтому номинальная отключающая способность предохранителя определяется действующим значением переменной составляющей ожидаемого тока короткого замыкания.

Для плавких предохранителей не устанавливается номинальный ток включения на короткое замыкание.


Рис H15.jpg


Рис. H15: Ограничение тока плавким предохранителем


Напоминание:

В начальный момент токи короткого замыкания содержат постоянные составляющие, амплитуда и длительность которых зависят от соотношения XL/R поврежденного участка цепи.

Вблизи источника питания (понижающего трансформатора) соотношение Ipeak/Irms (где Irms - действующее значение периодической составляющей тока непосредственно сразу после момента короткого замыкания) может достигать 2,5 (это регламентировано стандартами МЭК и показано на рис. H16).

Как отмечалось выше, на нижних уровнях распределения питания в электроустановке величина XL мала по сравнению с R, и поэтому для оконечных цепей Ipeak / Irms ~ 1,41 (это условие отражено на рис. H15).

Эффект ограничения пикового тока происходит только тогда, когда ожидаемое действующее значение переменной составляющей тока короткого замыкания достигает определенного уровня. Например, на приведенном выше графике предохранитель 100 А начнет отключать пиковый ток при ожидаемом действующем значении тока замыкания 2 кА (a). Тот же предохранитель при ожидаемом действующем значении тока замыкания 20 кА ограничит пиковый ток до 10 кА (b). В последнем случае при отсутствии токоограничивающего предохранителя пиковый ток мог бы достичь 50 кА (c). Как уже упоминалось, на нижних уровнях распределения R значительно превосходит XL, и уровни токов замыкания обычно небольшие. Это означает, что уровень тока короткого замыкания может не достичь достаточно высоких значений для того, чтобы вызвать ограничение пикового тока. С другой стороны, как уже отмечалось, в данном случае апериодические составляющие тока в переходном процессе имеют незначительное влияние на величину пика тока


Рис H16.jpg


Рис. H16: Зависимость ограниченного пикового тока от ожидаемых действующих значений переменной составляющей тока короткого замыкания для низковольтных плавких предохранителей


Примечание о номинальных токах срабатывания предохранителей типа gM:

Предохранитель типа gM представляет собой фактически предохранитель типа gG, плавкий элемент которого рассчитан на ток Ich, который может, например, составлять 63 А.
Это испытательное значение, принятое в стандартах МЭК, поэтому его времятоковая характеристика аналогична такой же характеристике предохранителя типа gG на 63 А.
Значение 63 А выбрано для того, чтобы выдержать большие пусковые токи электродвигателя, рабочий ток которого в нормальном режиме (In) может находиться в диапазоне
10-20 А.
Это означает, что можно использовать меньшие по размерам патрон и металлические части предохранителя, поскольку отвод тепла, который требуется при нормальных условиях эксплуатации, относится к сниженным значениям тока (10-20 А). Стандартный предохранитель типа gM, пригодный для такого случая, обозначался бы как 32M63 (т.е. In M Ich).

Первый номинальный ток (In) характеризует тепловые характеристики плавкой вставки при установившейся нагрузке, а второй номинальный ток (Ich) относится к ее функционированию при кратковременном пусковом токе. Вполне очевидно, что хотя предохранитель пригоден для защиты электродвигателя от коротких замыканий, он не обеспечивает его защиты от перегрузок, и поэтому при применении предохранителей типа gM всегда необходимо устанавливать отдельное тепловое реле. Таким образом, единственное преимущество предохранителей gM перед предохранителями типа aM заключается в том, что они меньше по размерам и немного дешевле.


Примечания

[1] Низковольтный разъединитель фактически является коммутационным аппаратом обесточенной системы, который должен применяться при отсутствии напряжения как на входе, так и на выходе, в частности, при включении, поскольку существует возможность неожиданного короткого замыкания в нижерасположенной части цепи. Часто используется блокировка с помощью вышерасположенного выключателя или автоматического выключателя.

[2] В стандартах МЭК не дано определение данного термина, но он широко используется в нескольких странах.

[4] Для токов, превышающих определенный уровень, в зависимости от номинального тока предохранителя, как показано на рис. H16.