Согласование характеристик автоматических выключателей

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

Каскадирование

Метод каскадирования основан на использовании токоограничивающих автоматических выключателей и позволяет устанавливать ниже по цепи коммутационные аппараты, кабели и другие элементы со значительно сниженными номинальными характеристиками. Благодаря этому упрощается и удешевляется электроустановка.

Определение метода каскадирования

Ограничивая пиковую величину тока короткого замыкания, токоограничивающий автоматический выключатель позволяет использовать во всех цепях, расположенных ниже места его установки, коммутационные аппараты и элементы цепей с гораздо меньшими отключающими способностями, а также меньшей термической и электродинамической устойчивостью. Меньшие физические размеры и сниженные требования к характеристикам приводят к значительной экономии и существенному упрощению монтажных работ. Стоит отметить, что хотя токоограничивающий автоматический выключатель влияет на нижерасположенные цепи, увеличивая полное сопротивление источника питания при коротком замыкании, он не оказывает такое влияние в любое другое время, например, при включении крупного электродвигателя (когда низкое полное сопротивление источника питания весьма желательно). Особый интерес представляет серия токоограничивающих автоматических выключателей Compact с высокими ограничивающими характеристиками (NS 100, NS 160, NS 250 и NS 400).


Условия применения

В целом, для проверки того, что условия применения соответствуют требованиям национальных стандартов, требуются лабораторные испытания, а изготовителями должны поставляться совместимые комбинации коммутационных аппаратов.

Большинство национальных стандартов допускают применение метода каскадного отключения коммутационных аппаратов при условии, что количество энергии, проходящей через токоограничивающий автоматический выключатель, меньше того, которое все нижерасположенные автоматические выключатели и элементы цепи способны выдержать без повреждений.

На практике это можно проверить только лабораторными испытаниями с автоматических выключателей. Такие испытания проводятся изготовителями, которые приводят их результаты в виде таблиц. Благодаря этому пользователи могут уверенно проектировать схему каскадного соединения выключателей, основанную на комбинации рекомендованных типов автоматических выключателей. Например, на рис. H48 показаны возможности каскадирования автоматических выключателей типа C60, DT40N, C120 и NG125, расположенных ниже токоограничивающих автоматических выключателей типа NS 250 N, H или L в трехфазной электроустановке напряжением 230/400 В или 240/415 В.

Действующая величина тока, кА
Откл. способность
вышерасположенных
токоограничивающих
авт. выключателей
150        NSX250L
70   NSX250H  
50  NSX250N    
 
Рис H60.jpg
Рис H60.jpg
Рис H60.jpg
                    
Откл. способность
нижерасположенных
авт. выключателей
(при каскадном соединении)

150      NG125L
70   NG125L  
36  NG125N NG125N  
30  C60N/H<=32A C60N/H<=32A C60N/H<=32A
30 C60L<=25A C60L<=25A C60L<=25A
25 C60H>=40A
C120N/H
C60H>=40A
C120N/H 
C60H>=40A
C120N/H 
20 C60N>=40A C60N>=40A  C60N>=40A


Рис. H48: Пример возможностей каскадирования в трехфазной электроустановке напряжением 230/400 В или 240/415 В

Преимущества каскадирования

Ограничение тока дает преимущества всем нижерасположенным цепям, которые управляются соответствующим токоограничивающим автоматическим выключателем.

Данный принцип не накладывает никакие дополнительные ограничения, т.е. токоограничивающие автоматические выключатели могут устанавливаться в любом месте электроустановки, в котором нижерасположенные цепи недостаточно защищены.

Преимущества:

  • упрощение расчетов токов короткого замыкания;
  • более широкий выбор нижерасположенных коммутационных аппаратов и бытовых приборов;
  • использование коммутационных аппаратов и бытовых приборов, рассчитанных на более легкие условия эксплуатации и, следовательно, менее дорогих;
  • экономия пространства, поскольку оборудование, рассчитанное на меньшие токи, обычно является более компактным.


Селективное отключение

Селективность отключения может быть полной или частичной и зависеть от соотношения величин токов, времени отключения или комбинации этих факторов.
В системе, запатентованной Schneider Electric, используются преимущества как токоограничения, так и селективности.

Селективность отключения обеспечивается автоматическими защитными устройствами и состоит в том, что короткое замыкание, возникшее в любом месте электроустановки, отключается ближайшим защитным устройством, расположенным выше этого места, а все остальные защитные устройства не отключаются (рис. H49).


Рис H49.jpg


Рис. H49: Полная и частичная селективность


Селективность между автоматическими выключателями A и B является полной, если максимальная величина тока короткого замыкания в цепи B (IscB) не превышает мгновенную уставку автоматического выключателя A (ImA). При этом условии только выключатель B будет отключчать ток (рис. H50).


Рис H50.jpg


Рис. H50: Полная селективность автоматических выключателей A и B


Селективность автоматических выключателей A и B является частичной, если максимально возможный ток короткого замыкания в цепи B превышает мгновенную уставку автоматического выключателя A. В таких условиях оба выключателя A и B будут срабатывать одновременно (рис. H51).


Рис H51.jpg


Рис. H51: Частичная селективность автоматических выключателей A и B


Защита от перегрузки: токовая селективность

(рис. H52a)

Данный метод реализуется посредством задания различных токовых уставок IrA и IrB, от более низких уставок по току для нижерасположенных коммутационных элементов к более высоким уставкам по мере приближения к источнику питания. Как указывалось в предыдущих примерах, в зависимости от конкретных условий селективность может быть полной или частичной. Практически селективность отключения обеспечивается, когда IrA/IrB > 2.

Защита от малых токов короткого замыкания: временная селективность

(рис. H52b)

Данный метод реализуется посредством регулировки расцепителей, срабатывающих с выдержкой времени, при этом нижерасположенные реле имеют самые короткие значения времени срабатывания, а по мере приближения реле к источнику питания время выдержки последовательно возрастает.

В показанной двухуровневой схеме вышерасположенный автоматический выключатель A имеет достаточное время выдержки, чтобы обеспечить полное согласование с характеристиками выключателя B, например, выключателя Masterpact с электронным расцепителем.

Селективность отключения, основанная на комбинации методов 1 и 2

(рис. H52c)

Временная селективность в комбинации с токовой селективностью может повысить общую эффективность селективного отключения.

Селективность является полной, если Isc B < Irm A (мгновенное срабатывание).

Вышерасположенный автоматический выключатель имеет две уставки быстродействующего расцепителя:

  • Im A (селективная токовая отсечка);
  • Ii (мгновенное срабатывание).


Рис H52.jpg


Рис. H52: Обеспечение селективности


Защита от больших токов короткого замыкания: селективность отключения,основанная на энергии дуги

Эта технология, реализованная в токоограничивающих автоматических выключателях серии Compact NS, очень эффективна для обеспечения полной селективности.

Принцип действия

Когда очень большой ток короткого замыкания обнаруживается двумя автоматическими выключателями A и B, контакты одновременно размыкаются, в результате чего величина этого тока ограничивается.

  • Очень высокий уровень энергии дуги (B) вызывает отключение автоматического выключателя B.
  • В тоже время эта величина энергии дуги недостаточна для того, чтобы вызвать отключение автоматического выключателя A.

Поскольку нижерасположенный автоматический выключатель имеет меньшие параметры, он будет ограничивать ток на более низком уровне, чем вышерасположенный автоматический выключатель.

Практически селективность отключения автоматических выключателей Compact NS обычно является полной, если соотношение номинальных токов выключателей A и B превышает 2,5.

Токовая селективность в диапазоне срабатывания быстродействующих расцепителей

Токовая селективность достигается благодаря ступенчатому регулированию токовых уставок быстродействующих расцепителей.

Токовая селективность обеспечивается, в основном, токоограничивающими выключателями с электромагнитными расцепителями, допускающими ступенчатое регулирование токовых уставок.

  • Нижерасположенный автоматический выключатель не является токоограничивающим.

Полная селективность в данной ситуации практически невозможна, поскольку токи Isc A и Isc B примерно равны, поэтому оба автоматических выключателя будут срабатывать одновременно. В этом случае селективность является частичной; селективность ограничена током Im вышестоящего автоматического выключателя (рис. Н51).

  • Нижерасположенный автоматический выключатель является токоограничивающим.

Улучшение селективности достигается за счет токоограничения, осуществляемого выключателем В. В случае возникновения короткого замыкания ниже выключателя B, ограниченный ток КЗ вызовет срабатывание электромагнитного расцепителя выключателя B (если его уставки были правильно настроены). В то же время ограниченный выключателем В ток КЗ будет недостаточен для того, чтобы вызвать отключение автоматического выключателя A.

Примечание: всем рассмотренным здесь низковольтным выключателям присуща некоторая степень токоограничения, даже тем, которые не относятся к токоограничивающим. Это является причиной нелинейной характеристики, показанной для стандартного автоматического выключателя A на рис. H53. Однако для нормальной работы такой схемы необходимы тщательные расчеты и испытания.


Рис H53.jpg


Рис. H53: Нижерасположенный токоограничивающий автоматический выключатель B


  • В зависимости от величины токов КЗ вышерасположенный автоматический выключатель может срабатывать мгновенно или с короткой выдержкой времени. Такие выключатели оснащаются расцепителями и небольшой задержкой срабатывания (селективная токовая отсечка). Эта задержка является достаточной, чтобы обеспечить полную селективность с любым нижерасположенным быстродействующим автоматическим выключателем при любом токе короткого замыкания, вплоть до Ii A (рис. H54).


Рис H54.jpg


Рис. H54: Использование вышерасположенного автоматического выключателя с селективной токовой отсечкой


Пример:

Автоматический выключатель A: Compact NS250 N с расцепителем, имеющим селективную токовую отсечку
Ir = 250 А, селективная токовая отсечка настроена на 2000 А.

Автоматический выключатель B: Compact NS100N
Ir = 100 А

В документации Schneider Electric указан предельный ток селективности 3000 А (что превышает величину 2500 А при использовании стандартного расцепителя).


Временная селективность в диапазоне срабатывания быстродействующих расцепителей

Для реализации временной селективности используются автоматические выключатели, которые в некоторых странах называют «селективными».
Применение таких выключателей является относительно простым и заключается в задержке срабатывания быстродействующих расцепителей нескольких последовательно соединенных автоматических выключателей.

Для реализации этого метода необходимо:

  • предусмотреть временные задержки срабатывания расцепителей автоматических выключателей;
  • использовать автоматические выключатели, способные выдерживать тепловые и механические нагрузки при повышенных уровнях токов и заданных выдержках времени.

Два последовательно соединенных автоматических выключателя A и B, пропускающих один и тот же ток, являются селективными, если продолжительность отключения тока нижерасположенным выключателем B меньше, чем время задержки срабатывания выключателя A.

Мгновенная селективность

Пример схемы с использованием автоматических выключателей Masterpact с электронным расцепителем. Эти выключатели имеют регулируемые временные уставки (4 ступени регулирования), при этом:

  • выдержка, соответствующая данной ступени, превышает время отключения КЗ с выдержкой, соответствующей предыдущей ступени;
  • минимальная выдержка 1 ступени превышает время отключения КЗ автоматического выключателя Compact NS или плавких предохранителей (рис. H55).


Рис H55.jpg


Рис. H55: Временная селективность



Селективное отключение с использованием энергии дуги

Если автоматический выключатель не является токоограничивающим, то каскадное отключение двух коммутационных аппаратов достигается отключением вышерасположенного автоматического выключателя А с тем, чтобы «помочь» нижерасположенному автоматическому выключателю В отключить ток. Максимальная величина предельного тока селективности Is ниже предельной отключающей способности Icu выключателя В. Технология, основанная на использовании энергии дуги и реализованная в автоматических выключателях Compact NS, позволяет повысить предельный ток селективности.

  • Нижерасположенный выключатель Compact NS В обнаруживает очень большой ток короткого замыкания. Происходит очень быстрое отключение тока (менее чем за 1 мс) и, следовательно, величина тока ограничивается.
  • Вышерасположенный автоматический выключатель Compact NS А обнаруживает ограниченный ток короткого замыкания. Этот ток вызывает расхождение контактов с образованием между ними дуги. В результате возрастает напряжение дуги, и ток еще более ограничивается. Однако электродинамических усилий, вызывающих расхождение контактов, недостаточно, чтобы вызвать отключение этого автоматического выключателя. Таким образом, выключатель Compact NS А помогает выключателю Compact NS В, не отключаясь при этом. Предельный ток селективности может превышать величину тока Icu В, в таком случае обеспечивается полная селективность при оптимальной стоимости этих устройств.


Полная селективность при использовании выключателей серии Compact NS

(рис. H57 и рис. H58)

Основное преимущество состоит в возможности обеспечить полную селективность при условии, что:

  • соотношение токовых уставок расцепителей > 1,6;
  • соотношение номинальных токов автоматических выключателей > 2,5.

Логическая селективность

Возможны схемы селективного отключения, основанные на логической селективности с использованием автоматических выключателей с электронными расцепителями, предназначенными для этой цели (Compact, Masterpact) и соединенными цепями управления.

Для этой системы селективного отключения требуются автоматические выключатели, оснащенные специальными электронными расцепителями, подключенных к цепям управления для обмена данными между автоматическими выключателями. При наличии двух уровней A и B (рис. H56), автоматический выключатель A производит мгновенное отключение, если реле автоматического выключателя B не отправит сигнал подтверждения того, что ниже выключателя B произошло короткое замыкание. При наличии короткого замыкания ниже выключателя В этот сигнал вызовет задержку срабатывания расцепителя выключателя A и тем самым обеспечит срабатывание расцепителя выключателя В. При этом расцепитель выключателя А не сработает.
Кроме того, эта система, запатентованная Schneider Electric, позволяет быстро обнаружить место короткого замыкания.


Рис H56.jpg


Рис. H56: Логическая селективность