Выбор аппаратов защиты электрических сетей среднего напряжения. Выбор защитной и коммутационной аппаратуры

Проектирование электроустановок квартир и коттеджей (Schneider Electric)

4.1. Общие принципы выбора защитной аппаратуры

Любая электроустановка должна быть защищена устройствами автоматического отключения в случае появления сверхтоков или недопустимых токов утечки. Под сверхтоком понимается любой ток, превышающий номинальный. В основном сверхтоки появляются вследствие перегрузки или короткого замыкания.

Устройства защиты должны выбираться с учетом параметров электроустановки, ожидаемых токов короткого замыкания, характеристик нагрузки, условий прокладки и тепловых характеристик проводников.

В соответствии с ПУЭ для электроустановок напряжением до 1 кВ и с системой заземления TN, характеризующейся глухозаземленной нейтралью источника питания и присоединением открытых токопроводящих частей к глухозаземленной нейтрали источника посредством нулевых защитных проводников, принятой для жилых зданий, в целях обеспечения электробезопасности время автоматического отключения не должно превышать значений, указанных ниже:

В качестве защитной аппаратуры автоматического отключения применяются плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Плавкий предохранитель - это коммутационный аппарат, который вследствие расплавления одного или более специально спроектированных и калиброванных элементов размыкает цепь, в которую он включен, и отключает ток, когда он превышает заданную величину в течение достаточного времени.

Автоматический выключатель - это механический коммутационный аппарат, способный включать, пропускать и отключать токи при нормальном состоянии цепи, а также включать, выдерживать в течение заданного времени и автоматически отключать токи в аномальном состоянии цепи, такие как токи короткого замыкания.

Учитывая, что электроустановки жилища повышенной комфортности и коттеджей в последние годы оснащаются в основном автоматическими выключателями, ниже рассматривается только этот вид защитной аппаратуры.

В основу выбора защитной аппаратуры в зависимости от величины токов КЗ положено, что кривая время-токовой характеристики, соответствующая допустимой тепловой нагрузке защищаемой электросети, должна лежать выше зоны время-токовой характеристики устройства защиты для всех возможных токов КЗ между минимальным и максимальным значениями.

Под время-токовой характеристикой подразумевается кривая, отражающая взаимосвязь времени и ожидаемого тока в определенных условиях эксплуатации. Указанный принцип проиллюстрирован на рис. 4.1.

Для установленного времени срабатывания защиты кривая допустимых значений I2t (интеграл Джоуля) защищаемого проводника должна лежать выше кривой I2t защитного устройства, так как кривая характеристики I2t устройства защиты характеризует максимальные рабочие значения I2t как функцию ожидаемого тока КЗ. Значения I2t аппаратов защиты приводятся в технических данных предприятиями-изготовителями.

Время отключения полного тока КЗ в любой точке цепи не должно превышать времени, в течение которого температура проводников достигает допустимого предела. Это время для защищаемого проводника может быть приблизительно вычислено по формуле

где t - продолжительность, с;

S - сечение проводника, мм2;

I - действующее значение тока КЗ, А;

K = 115 или 135 - для медных проводников (115 - с поливинилхлоридной изоляцией, 135 -с резиновой изоляцией и с изоляцией из сшитого полиэтилена);

К = 74 и 87 - для алюминиевых проводников (74 - с поливинилхлоридной изоляцией, 87 - с резиновой изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена).

K = 115 - для соединений пайкой медных проводников.

Предельно допустимые значения температуры нагрева проводников приводятся в ПУЭ.

Автоматическая защита от перегрузки предназначена для отключения электросети при протекании по проводникам тока перегрузки раньше, чем такой ток мог бы вызвать повышение температуры проводников, опасное для изоляции, соединений, зажимов или среды, окружающей проводники.

Рис. 4.1.

С - кривая характеристики допустимого Ft;

D - I2t характеристика автоматического выключателя;

КЗ - максимальный ток КЗ, при котором обеспечивается защита автоматическим выключателем.

Рабочая характеристика любого защитного устройства, защищающего кабель от перегрузки, должна отвечать условиям:

где Ip - рабочий ток цепи; Iд - допустимый длительный ток кабеля; Iн - номинальный ток устройства защиты (устройства защиты с регулируемыми характеристиками номинальным током Iн является ток выбранной уставки); Iз - ток, обеспечивающий надежное срабатывание устройства защиты.

Практически Iз принимают равным:

Току срабатывания при заданном времени срабатывания для автоматических выключателей;

Току плавления плавкой вставки при заданном времени срабатывания для предохранителей.

Для выполнения защитных функций автоматические выключатели оснащаются различными расцепителями.

В общем виде расцепитель - это устройство, механически связанное с автоматическим выключателем (или встроенное в него), которое освобождает удерживающее устройство в механизме автоматического выключателя и вызывает автоматическое срабатывание выключателя.

В автоматических выключателях бытового назначения применяются: максимальный расцепитель тока, максимальный расцепитель с обратнозависимой выдержкой времени, максимальный расцепитель тока прямого действия и расцепитель перегрузки.

Максимальный расцепитель тока - расцепитель, вызывающий срабатывание автоматического выключателя с выдержкой времени или без нее, когда ток в этом расцепителе превышает заданное значение.

Максимальный расцепитель тока с обратнозависимой выдержкой времени - максимальный расцепитель тока, срабатывающий после выдержки времени, находящейся в обратной зависимости от значения сверхтока.

Максимальный расцепитель тока прямого действия - максимальный расцепитель тока, срабатывающий непосредственно от протекающего тока в главной цепи автоматического выключателя.

Расцепитель перегрузки - максимальный расцепитель тока, предназначенный для защиты от перегрузок.

В соответствии с СП31-110-2003 во внутренних сетях жилых зданий, как правило, следует применять автоматические выключатели с комбинированными расцепителями.

Номинальные токи комбинированных расцепителей автоматических выключателей для защиты групповых линий и вводов квартир, включая линии к электроплитам, должны выбираться в соответствии с расчетными нагрузками.

Уставки аппаратов защиты для взаиморезервируемых линий должны выбираться с учетом их послеаварийной нагрузки.

Автоматические выключатели характеризуются также включающей и отключающей способностью, предельной наибольшей отключающей способностью, рабочей наибольшей отключающей способностью и током отключения.

Так как наибольшие значения сверхтоков определяются токами короткого замыкания защищаемой цепи, при выборе выключателей в процессе проектирования необходимо учитывать указанные параметры.

В случаях последовательного соединения двух автоматических выключателей возникает проблема селективности их срабатывания, которая заключается в обеспечении отключения защищаемой цепи выключателем со стороны нагрузки до того, как отключение начнет второй выключатель со стороны питания.

Селективность характеризуется предельным током. Предельный ток селективности - это предельное значение тока:

Ниже которого при наличии двух последовательно соединенных аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки успевает завершить процесс отключения до того, как его начнет второй аппарат (т.е. обеспечивается селективность);

Выше которого при наличии двух последовательно соединенных аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки может не успеть завершить процесс отключения до того, как его начнет второй аппарат (т.е. селективность не обеспечивается).

Величина предельного тока селективности определяется координатой точки пересечения времятоковой характеристики в зоне наибольшей отключающей способности защитного аппарата на стороне нагрузки и время-токовой характеристикой расцепителя другого аппарата.

В бытовых электроустановках в целях защиты от сверхтоков используются, как правило, автоматические выключатели, выпускаемые по ГОСТ Р 50345-99, который аутентичен международному стандарту МЭК 60898-95.

В табл. 4.1 приведены предпочтительные значения номинального напряжения автоматических выключателей, выпускаемых в соответствии с указанным ГОСТом.

Таблица 4.1 Предпочтительные значения номинального напряжения

Предпочтительные значения номинального напряжения

Выключатели	Цепь питания выключателя	Номинальное напряжение, В
Однополюсные	Однофазная (фаза с нейтралью)
	Однофазная (фаза с нулевым заземленным проводом или фаза с нейтралью)
	Однофазная (фаза с нейтралью) или трехфазная (три однополюсных автоматических выключателя) (трех- или четырехпроводная)
Двухполюсные	Однофазная (фаза с нейтралью)
	Однофазная (фаза с фазой)
	Однофазная (фаза с фазой, трехпроводная)
Трехполюсные	Трехфазная (трех- или четырехпроводная)
Четырехполюсные	Трехфазная (трех- или четырехпроводная)

К предпочтительным значениям номинального тока, установленного ГОСТом, относятся: 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 и 125 А.

Стандартные значения номинальной частоты 50 и 60 Гц.

Стандартные значения номинальной отключающей способности: 1500, 3000, 4500, 6000, 10 000 А. Стандарт определяет три типа характеристик мгновенного расцепления: В, С и D. Ниже приведены диапазоны мгновенного расцепления выключателя в зависимости от кратности сверхтока по отношению к номинальному Iн:

В электроустановках жилых зданий в основном используются автоматические выключатели с характеристиками типов В и С. Расцепление типа В рационально применять для защиты розеточных линий, типа С - для линий, питающих светильники, теплые полы и стены, сауны и т.п. При выборе автоматического выключателя необходимо учитывать предполагаемую температуру окружающей среды в месте его установки.

В каталогах приводится номинальный ток выключателя для температуры окружающей среды 30 0С. Повышение температуры сверх 30 0С приводит к преждевременному срабатыванию теплового расцепителя, так как его температура достигает уровня срабатывания при меньших значениях тока. Поэтому при установке автоматических выключателей в местах, где температура окружающей среды превышает номинальную, равную 30 0С, номинальное значение тока выключателя уменьшается:

где Iн - допустимый ток при температуре окружающей среды 1°С, отличной от номинальной tо.с.н = 30 C;

Iн.а - номинальный ток автоматического выключателя при номинальной (расчетной) температуре окружающей среды;

Oн - превышение температуры срабатывания теплового расцепителя над номинальной расчетной температурой окружающей среды tосн = 30 оС, Оt = tср - tо.с.н;

Температурный коэффициент, учитывающий уменьшение (увеличение) допустимого тока автоматического выключателя в зависимости от температуры окружающей среды в месте его установки.

Здесь Ot- превышение температуры срабатывания tcp теплового расцепителя над температурой окружающей среды, Оt = tср - tо.с;

Для выключателей бытового назначения ориентировочные значения величины Kt в зависимости от температуры окружающей среды в месте установки приведены ниже:

toc....20 30 35 40 45 50 55 60

Kt ....1,05 1 0,97 0,95 0,92 0,89 0,87 0,84

Кроме того, для модульных автоматических выключателей бытового назначения устанавливаемых в шкафах рядом друг с другом на рейках, следует использовать величину 0,8Kt.

Выбор автоматических выключателей в тех случаях, когда температура окружающей среды больше или меньше стандартной контрольной, при которой определялись его номинальные данные, производится с использованием температурного коэффициента Kt по формуле

где Iн.р - номинальный ток расцепителя.

1. Максимальный расчетный ток нагрузки Iрас.mах = 20 А.

2. Температура окружающей среды в месте установки toc = +55 0С при этом Iрас.mах=Iнt Номинальный ток автоматического выключателя при нормальных условиях должен быть:

По приведенным выше данным Kt для 55 0С равен 0,87.

Принимаем автоматический выключатель с номинальным током 25 А.

Если выключатель установлен в ряд с другими автоматами, в металлическом шкафу, то его номинальный ток определяется по формуле

Принимаем к установке автоматический выключатель с номинальным током Iн.а = 32 А.

4.2. Принципы выбора коммутационной аппаратуры

К коммутационным аппаратам относится достаточно широкий спектр электрооборудования, с помощью которого осуществляется включение-отключение как основных токовых цепей, так и цепей управления.

Для коммутации основных токовых цепей наряду с рассмотренными выше автоматическими выключателями используются рубильники, переключатели, контакторы, магнитные пускатели и т.п.

Для коммутации цепей управления используются различные реле, как мгновенного действия, так и реле с выдержкой времени на замыкание и размыкание контактов, кнопки и ключи (переключатели) управления и пр.

Аппаратура для коммутации цепи управления может содержать аппарат для цепи управления и связанные с ним устройства, например световые индикаторы.

Аппарат для цепей управления может содержать один или несколько коммутационных элементов и механизм передачи усилия переключения. Коммутационный элемент может быть контактным или полупроводниковым.

Выбор при проектировании аппаратов из рассматриваемой группы определяется следующими основными параметрами:

Номинальным напряжением и потребляемым током катушек;

Коммутационной способностью контактов или выходных полупроводниковых цепей

(номинальное напряжение, номинальный ток коммутируемый цепи);

Для реле с выдержкой времени - диапазоном выдержки времени.

Не менее важными факторами являются способ установки аппарата (под винт, на DIN-рейку) и присоединение проводов (переднее, заднее).

Выбор коммутационных аппаратов и аппаратов защиты к электроприемникам производится, исходя из номинальных данных последних и параметров питающей их сети, требований в отношении защиты приемников и сети от ненормальных режимов, эксплуатационных требований, в частности частоты включений и условий среды в месте установки аппаратов.

Конструкция всех электрических аппаратов рассчитывается и маркируется заводами-изготовителями на определенные для каждого аппарата значения напряжения, тока и мощности, а также для определенного режима работы. Таким образом, выбор аппаратуры по всем этим признакам сводится, по существу, к отысканию на основании данных каталогов соответствующих типов и величин аппаратов.

При выборе аппаратов защиты следует иметь в виду возможность следующих ненормальных режимов:

1) Междуфазные короткие замыкания.

2) Замыкания фазы на корпус.

3) Увеличение тока, вызванное перегрузкой технологического оборудования, а иногда неполным коротким замыканием.

4) Исчезновение или чрезмерное понижение напряжения.

Защита от токов короткого замыкания должна выполняться для всех электроприемников. Она должна действовать с минимальным временем отключения и должна быть отстроена от пусковых токов.

Защита от перегрузки необходима для всех электроприемников с продолжительным режимом работы, за исключением следующих случаев:

1) Когда перегрузка электроприемников по технологическим причинам не может иметь места или маловероятна (центробежные насосы, вентиляторы и т. п.).

2) Для электродвигателей мощностью менее 1 кВт.

Защита от перегрузки необязательна для электродвигателей, работающих в кратковременном или повторно-кратковременном режимах. Во взрывоопасных помещениях защита электроприемников от перегрузки обязательна во всех случаях. Защита минимального напряжения должна устанавливаться в следующих случаях:

Для электродвигателей, которые не допускают включения в сеть при полном напряжении;

Для электродвигателей, самопуск которых недопустим по технологическим причинам или представляет опасность для обслуживающего персонала;

Для прочих электродвигателей, отключение которых при прекращении питания необходимо для того, чтобы понизить до допустимой величины суммарную пусковую мощность подключенных к сети электроприемников.

Ток короткого замыкания должен отключаться мгновенно или почти мгновенно. Величина его в различных участках сети может быть весьма различна, но практически всегда можно считать, что аппараты защиты должны уверенно и быстро отключать любой ток, существенно больший пускового, и вместе с тем ни в коем случае не срабатывать при нормальном пуске.

Током перегрузки является любой ток, превышающий номинальный ток электродвигателя, но нет никаких оснований требовать отключения электродвигателя при каждом возникновении перегрузки.

Известно, что определенная перегрузка как электродвигателей, так и питающих их сетей, допустима, и что чем кратковременней перегрузка, тем больше может быть ее величина. Отсюда ясны преимущества для защиты от перегрузки таких аппаратов, которые имеют «зависимую характеристику», т. е. время срабатывания которых уменьшается с увеличением кратности перегрузки.

Поскольку, за очень редкими исключениями, аппарат защиты остается в цепи электродвигателя и при пуске, он не должен срабатывать при пусковом токе нормальной продолжительности.

Для защиты от токов короткого замыкания должен применяться безынерционный аппарат, настроенный на ток, существенно больший пускового, а для защиты от перегрузок, наоборот, инерционный аппарат с зависимой характеристикой, выбранный так, чтобы он не срабатывал за время пуска. В наибольшей степени этим условиям удовлетворяет комбинированный расцепитель, сочетающий в себе тепловую защиту от перегрузки и мгновенное электромагнитное отключение при токе короткого замыкания.

Один только аппарат мгновенного действия, настроенный на ток, больший пускового, защиты от перегрузок не обеспечивает. Напротив, один только инерционный аппарат с зависимой характеристикой, при большой кратности перегрузки срабатывающий почти мгновенно, может осуществить оба вида защиты, если только он способен отстроиться от пусковых токов, т. е. если время его срабатывания при пуске больше продолжительности последнего.

Плавкие предохранители, широко применявшиеся ранее в качестве защитных аппаратов, обладают рядом недостатков, основными из которых являются:

Ограниченная возможность применения для защиты от перегрузки, вследствие трудности отстройки от пусковых токов;

Недостаточная в ряде случаев предельная отключаемая мощность;

Продолжение работы электродвигателя на двух фазах при перегорании вставки в третьей фазе, что часто приводит к повреждению обмоток электродвигателя;

Отсутствие возможности быстрого восстановления питания;

Возможность применения эксплуатационным персоналом некалиброванных вставок;

Развитие аварии при некоторых типах предохранителей, вследствие переброски дуги на соседние фазы,

Довольно большой разброс время-токовых характеристик даже у однородных изделий.

Воздушные автоматы по сравнению с предохранителями являются более совершенными аппаратами зашиты, но обладают неизбирательностью действия, особенно при нерегулируемых токах отсечки у установочных автомагов, у универсальных автоматов хотя и имеется возможность избирательности, но осуществляется она сложным путем.

Следует отметить, что у установочных автоматов защита от перегрузки осуществляется тепловыми расцепителями. Эти расцепители менее чувствительны, чем тепловые реле магнитных пускателей, но зато устанавливаются в трех фазах.

В универсальных автоматах зашита от перегрузки является еще более грубой, поскольку в них имеются только одни электромагнитные расцепители. Вместе с тем, в универсальных автоматах имеется возможность осуществить защиту минимального напряжения.

Магнитные пускатели с помощью встраиваемых в них тепловых реле осуществляют чувствительную защиту от перегрузки в двух фазах, но, вследствие большой тепловой инерции реле, не обеспечивают защиты от коротких замыканий. Наличие в пускателях удерживающей катушки позволяет осуществить защиту минимального напряжения.

Защиту от перегрузки и коротких замыканий могут осуществлять токовые электромагнитные и индукционные реле, но они также могут действовать только через отключающий аппарат, и схемы с их применением получаются более сложными.

С учетом сказанного выше и совокупности требований, предъявляемых к аппаратам управления и защиты:

1) Для электродвигателей мощностью до 55 кВт, требующих защиты от перегрузки, наиболее употребительными аппаратами являются магнитные пускатели в комбинации с плавкими предохранителями или воздушными автоматами.

2)При мощности электродвигателей более 55 кВт применяются электромагнитные контакторы в комбинации с защитными реле или воздушными автоматами. При этом следует помнить, что контакторы не допускают разрыва цепи при коротких замыканиях.

Номинальный ток двигателя:

Iн = , А (8) где Iн - номинальный ток двигателя, А;

Рдв - мощность двигателя, кВт;

Переводной коэффициент;

Uн - номинальное напряжение, В;

Коэффициент полезного действия.

Выбираем автоматический выключатель с электромагнитным приводом.

Выбираем трансформатор тока.

Трансформатор тока предназначен для понижения первичного тока до стандартной величины (5 или 1 А) и для определения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.

Таблица 4. Технические данные автоматического воздушного выключателя серии А3730Ф

Таблица 5. Технические данные трансформатора тока серии ТКЛ

Трансформаторы тока изготовляются на следующие номинальные токи: 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 600, 800, 1000, 1600, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10 000 и 15 000 А

Окончательно выбираем трансформатор тока ТКЛ - 0,5 - трансформатор тока катушечный с изоляцией из литой синтетической смолы.

Выбираем трансформатор напряжения.

Трансформатор напряжения предназначен для преобразования больших переменных напряжений в относительно малые напряжения.

Окончательно выбираем трансформатор напряжения НОС - 0,5.

Измерительный трансформатор напряжения однофазный сухой.

Расчет и выбор кабелей и проводов

Выбираем кабель по экономической плотности тока.

Условия выбора сечения проводников:

где Fэк - сечение проводника, мм2;

Iр. мах - расчетный максимальный ток нормального режима, А;

jэк - экономическая плотность тока, А/мм2.

Экономическая плотность тока зависит от материала проводника и величины Tmax. Так как Tmax = 5000 ч выбираем jэк = 1,7 А/мм2.

Выбираем кабель АВВГ - (4Ч95)

Четырехжильный кабель с алюминиевыми жилами, резиновой изоляцией, ПВХ оболочкой и броней.

Проверяем кабель по потерям напряжения:

ДU - переводной коэффициент;

Iр - ток ротора, А;

Длина линии, км;

r0 = 0,89 Ом/км - удельное активное сопротивление кабеля на 1 км длины;

cos ц - коэффициент активной мощности;

х0 = 0,088 Ом/км - удельное реактивное сопротивление кабеля на 1 км длины;

sin ц - коэффициент реактивной мощности;

Uн - номинальное напряжение, В.

ДU = Ч100% = 3,5%,

3,5% < 5%, кабель проходит по потерям напряжения

Анализ отказов и неноминальных режимов работы электрических машин позволяет выделить следующие типы аварий, часто встречающиеся на практике:

Короткое замыкание (КЗ) на зажимах машины либо в обмотке статора;

Заторможенный ротор при пуске двигателя (режим КЗ двигателя, особенно часто встречается при его прямом пуске);

Обрыв фазы обмотки статора (часто встречается при защите обмоток плавкими предохранителями);

Технологические перегрузки, возникающие при набросе нагрузки в процессе работы двигателя;

Нарушение охлаждения, вызванное неисправностью системы принудительной вентиляции двигателя;

Уменьшение сопротивления изоляции, происходящее в результате старения изоляции из-за циклических температурных перегрузок.

Аварийные режимы в цепи асинхронного двигателя могут вызвать либо кратковременное увеличение тока в 12... 17 раз по сравнению с номинальным, либо длительное протекание тока, в 5... 7 раз превышающего его номинальное значение.

Для защиты электрических цепей от режима КЗ широко применяются автоматические выключатели, токовые реле и предохранители. При перегрузке по току требуется другое защитное оборудование. Так, при обрыве одной из фаз асинхронного двигателя наиболее эффективными являются минимальная токовая и температурная защиты; менее эффективной, но работоспособной - тепловая защита (тепловые реле). При заторможенном роторе весьма эффективны максимальные токовые реле и температурная защита, менее эффективна - тепловая защита. При перегрузке лучшие результаты дает температурная защита. Эффективны также тепловые реле. При нарушении охлаждения двигателя только температурная защита может предотвратить аварию.

Уменьшение сопротивления изоляции статорной обмотки двигателя может спровоцировать как перегрузку в цепи, так и КЗ.

Защита при такой аварии осуществляется специальными устройствами контроля сопротивления изоляции обмотки двигателя.

Основным аварийным режимом в осветительных установках является КЗ. Защита от перегрузки требуется только для осветительных установок, эксплуатируемых внутри помещений и во взрыво- и пожароопасной среде. Наиболее распространенным аппаратом защиты осветительных установок является автоматический выключатель. При включении ламп накаливания появляется кратковременный бросок тока, в 10...20 раз превышающий номинальный ток. Примерно за 0,06 с ток снижается до номинального. Значение броска тока определяется мощностью ламп. При выборе типа защиты ламп накаливания необходимо учитывать особенности их пусковых характеристик.

В связи с широким распространением силовой полупроводниковой техники для ее защиты требуется применение эффективных устройств. Одним из главных недостатков силовых полупроводниковых приборов является их низкая перегрузочная способность по току, что накладывает жесткие условия на аппаратуру защиты (по быстродействию, селективности и надежности срабатывания). В настоящее время для защиты силовых полупроводниковых приборов от КЗ (как внешних, так и внутренних) применяются быстродействующие автоматические выключатели, полупроводниковые выключатели, вакуумные выключатели, импульсные дуговые коммутаторы, быстродействующие плавкие предохранители и др. Целесообразность применения той или иной защиты силовых полупроводниковых приборов определяется конкретными условиями их эксплуатации.

Особое место занимает защита электрических цепей. В настоящее время широко используются сети напряжением от 0,4 до 750 кВ. Основными, наиболее опасными и частыми видами повреждений в сетях являются КЗ между фазами и замыкание фазы на землю.

Основная масса потребителей получает питание от распределительных сетей напряжением 0,4; 6 и 10 кВ (в последнее время нашли широкое применение сети напряжением 0,66 кВ). Для питания стационарных силовых потребителей и осветительных установок общего назначения применяются трехфазные четырехпроводные сети напряжением 380/220 В с глухозаземленной нейтралью. Силовые потребители подключены к линейным напряжениям сети, а осветительные приборы - к фазным. Мощные силовые потребители, например электродвигатели мощностью 160 кВт и выше, имеют напряжения 0,66; 6 и 10 кВ.

Основными аварийными режимами в таких сетях являются: однофазное КЗ (до 60% аварий), трехфазное КЗ (до 10%), двухфазное КЗ на землю (до 20%), двухфазное КЗ (до 10%).

Защита электрических сетей напряжением до 1000 В осуществляется, как правило, аппаратами зашиты, а сети напряжением свыше 1000 В имеют релейную защиту.

Самыми распространенными аппаратами защиты сетей являются автоматические выключатели и предохранители. Если требуется иметь защиту с высоким быстродействием, чувствительностью или селективностью, то применяют релейную защиту, выполненную на базе реле и автоматических выключателей.

Электрические сети напряжением до 1000 В внутри помещений должны иметь также защиту от перегрузки, выполненную, как правило, на базе автоматических выключателей с тепловым или комбинированным расцепителями.

Основной задачей, стоящей при выборе аппаратуры защиты потребителей и электрических сетей, является согласование характеристик устройств защиты с предельными нагрузочными характеристиками (зависимостями допустимого тока от длительности его протекания) различных потребителей и сетей (проводов и кабелей). Для каждого конкретного типа потребителей наиболее полное согласование может быть достигнуто при использовании определенного типа аппаратов защиты. В случае полного согласования вольтамперные и временные характеристики аппарата защиты на графике проходят выше и как можно ближе к нагрузочной характеристике потребителя.

Выбор аппаратов по роду тока, числу полюсов, напряжению и мощности

Выбор аппаратов по условиям электрической защиты

При выборе аппаратов защиты следует иметь в виду возможность следующих ненормальных режимов:

а) междуфазные короткие замыкания,

б) замыкания фазы на корпус,

в) увеличение тока, вызванное перегрузкой технологического оборудования, а иногда неполным коротким замыканием,

г) исчезновение или чрезмерное понижение напряжения.

должна выполняться для всех электроприемников. Она должна действовать с минимальным временем отключения и должна быть отстроена от пусковых токов.

а) когда перегрузка электроприемников по технологическим причинам не может иметь места или маловероятна (центробежные насосы, вентиляторы и т. п.),

б) для электродвигателей мощностью менее 1 кВт.

а) для электродвигателей, которые не допускают включения в сеть при полном напряжении,

б) для электродвигателей, самопуск которых недопустим по технологическим причинам или представляет опасность для обслуживающего персонала,

в) для прочих электродвигателей, отключение которых при прекращении питания необходимо для того, чтобы понизить до допустимой величины суммарную пусковую мощность подключенных к сети электроприемников, и возможно с точки зрения условий работы механизмов.

Кроме сказанного выше, электродвигатели постоянного, тока с параллельным и смешанным возбуждением должны иметь защиту от чрезмерного повышения числа оборотов в случаях, когда такое повышение может привести к опасности для жизни людей или к значительным убыткам.

Зашита от чрезмерного повышения числа оборотов может осуществляться различными специальными реле (центробежными, индукционными и т. п.).

Так как в силовых сетях особое значение имеет защита от перегрузки и от коротких замыканий, остановимся несколько подробнее на принципиальной стороне этого вопроса.

Из приведенных соображений ясно, что в принципе для защиты от токов короткого замыкания должен применяться безынерционный аппарат, настроенный на ток, существенно больший пускового, а для защиты от перегрузок, наоборот, инерционный аппарат с зависимой характеристикой, выбранный так, чтобы он не срабатывал за время пуска. В наибольшей степени этим условиям удовлетворяет комбинированный расцепитель, сочетающий в себе тепловую защиту от перегрузки и мгновенное электромагнитное отключение при токе короткого замыкания.

С учетом сказанного выше и совокупности требований, предъявляемых к аппаратам управления и защиты, могут быть даны следующие рекомендации.

1. Для ручного управления электроприемниками с малыми пусковыми токами могут быть использованы и предохранители, встраиваемые в различные электроконструкции или распределительные и . Ящики ЯРВ без предохранителей применяются в качестве разъединяющих аппаратов для , магистралей и т. п.

2. Для ручного управления электродвигателями мощностью до 3 - 4 кВт, не требующими защиты от перегрузок, применяются .

3. Для электродвигателей мощностью до 55 кВт, требующих защиты от перегрузки, наиболее употребительными аппаратами являются магнитные пускатели в комбинации с плавкими предохранителями или воздушными автоматами.

При мощности электродвигателей более 55 кВт применяются в комбинации с защитными реле или воздушными автоматами. При этом следует помнить, что контакторы не допускают разрыва цепи при коротких замыканиях.

4. Для дистанционного управления электроприемниками применение магнитных пускателей или контакторов становится необходимым.

5. Для ручного управления электроприемниками при малом числе включений в час возможно использование автоматических выключателей.

ПН2-600-630А-У3-КЭАЗ Iном = 597А Ток отключения 630

При возникновении эксплуатационных (технологических) перегрузок и аварийных режимов, являющихся следствием нарушений работы схемы, по электрическим цепям аварийного контура протекают токи, превосходящие номинальные значения, на которые рассчитано электрооборудование.

В результате воздействия аварийных токов и перегрева токопроводов нарушается электрическая изоляция, обгорают и плавятся контактные поверхности соединительных шин и электрических аппаратов. Электродинамические удары вызывают повреждение шин, изоляторов и обмоток реакторов.

Для ограничения амплитуды аварийных токов и длительности их протекания применяются специальные устройства и системы защиты электрооборудования. Устройства защиты должны отключить аварийную цепь раньше, чем могут выйти из строя отдельные ее элементы.

При больших перегрузках или коротких замыканиях устройства защиты должны сразу отключить всю электроустановку или часть ее с максимальным быстродействием для обеспечения дальнейшей работоспособности или, если авария является следствием выхода из строя одного из элементов цепи, предотвратить выход из строя другого электрооборудования.

В случае небольших перегрузок, не опасных для оборудования в течение определенного времени, система защиты может воздействовать на предупреждающую сигнализацию для сведения обслуживающего персонала или на систему автоматического регулирования для снижения тока.

Поскольку основным фактором, приводящим к выходу из строя электрооборудования, является тепловое действие аварийного тока, то по принципу построения защитные устройства делятся на токовые и тепловые.

Токовые защитные устройства контролируют значения или отношения значений протекающих через оборудование токов.

Тепловые защитные устройства измеряют непосредственно температуру электрооборудования.

Полупроводниковые приборы обладают низкой перегрузочной способностью по сравнению с другим силовым оборудованием, и к устройствам защиты полупроводниковых выпрямителей и других преобразователей предъявляются повышенные требования. Защитные устройства в установках с полупроводниковыми выпрямителями выбираются исходя из допустимых перегрузочных характеристик силовых диодов или тиристоров с учетом того, что при этом будет защищаться и другое оборудование, находящиеся в цепи аварии, поскольку оно обладает большей перегрузочной способностью.

Применение тех или иных средств защиты определяется параметрами силовой цепи преобразователя и перегрузочной способностью полупроводниковых приборов.

Независимо от параметров установки и типа применяемых защитных аппаратов и систем выделяют следующие общие требования к защите.

1. Быстродействие – обеспечение минимально возможного времени срабатывания защиты, не превышающего допустимого.

2. Селективность. Аварийное отключение должно производиться только в той цепи, где возникла причина аварии. А другие участки силовой цепи при этом должны оставаться в работе.

3. Электродинамическая стойкость. Максимальный ток, ограниченный защитными устройствами, не должен превышать допустимого для данной электроустановки значения по электродинамической стойкости.

4. Уровень перенапряжений. Отключение аварийного тока не должно вызывать перенапряжений, опасных для полупроводниковых приборов.

5. Надежность. Устройства защиты не должны выходить из строя при отключении аварийных токов.

6. Помехоустойчивость. При появлении помех в сети собственных нужд и в цепях управления устройства защиты не должно ложно срабатывать.

7. Чувствительность. Защита должна срабатывать при всех повреждениях и токах, опасных для полупроводниковых приборов, независимо от места и характера аварии.

Выбор предохранителей.

Предохранители выбираются по следующим условиям:

1) по номинальному напряжению сети:

Uном.пред. >= Uном.с.,

где Uном.пред. – номинальное напряжение предохранителя;

Uном.с. – номинальное напряжение сети;

2) по длительному расчетному току линии;

Iном.вст. >= Iдлит. ;

где Iном.вст. – номинальный ток плавкой вставки;

Iдлит – длительный расчетный ток цепи.

Кроме того при использовании безынерционных предохранителей не должно происходить перегорание плавкой вставки от кратковременных толчков тока, например от пусковых токов электродвигателей. Поэтому при выборе предохранителей таких электроприемников необходимо также выполнение и другого условия:

Iном.вст. >= Iпуск / 3,1 ,

где Iпуск – пусковой ток двигателя.

Часто возникает необходимость в защите магистральной линии, по которой питается группа электродвигателей, причем часть из них или все они могут пускаться одновременно. В этом случае предохранители выбираются по следующему соотношению:

Iном.вст. >= Iкр / 3,1 (при легких условиях пуска)

Iном.вст. >= Iкр / (1,5 – 2) (при тяжелых условиях пуска),

где Iкр = I’пуск + I’длит – максимальный кратковременный ток линии;

I’пуск – пусковой ток электродвигателя или группы одновременно включаемых двигателей, при пуске которых кратковременный ток линии достигает наибольшего значения;

I’длит – длительный расчетный ток линии до момента пуска электродвигателя (или группы электродвигателей), определяемый без учета рабочего тока пускаемого электродвигателя (или группы двигателей).

Для трехфазных электроприемников переменного тока;

где Рном - номинальная мощность электроприемника (или группы электроприемников), кВт; U – номинальное напряжение (для электроприемников переменного тока – линейное напряжение сети), кВ;

– коэффициент мощности; – КПД электродвигателя.

Выбор автоматических выключателей.

Выбор автоматических выключателей производится по номинальным напряжению и току с соблюдением следующих условий:

Uном.а. >= Uном.с.; Iном.а. >= Iдлит;

где Uном.а. – номинальное напряжение автоматического выключателя;

Uном.с. – номинальное напряжение сети; где Iном.а. – номинальный ток автоматического выключателя; Iдлит – длительный расчетный ток цепи.

Кроме того, должны быть правильно выбраны: номинальный ток расцепителей Iном.расц.; ток установки электромагнитного расцепительного элемента комбинированного расцепителя Iуст.эл.магн.; номинальный ток уставки теплового расцепителя или теплового элемента комбинированного расцепителя – Iном.уст.тепл.

Номинальные токи электромагнитного, теплового или комбинированного расцепителя должны быть не меньше номинального тока двигателя:

Iном.расц. >= Iном.дв.

Ток установки электромагнитного расцепителя (отсечки) или электромагнитного элемента комбинированного расцепителя с учетом неточности срабатывания расцепителя и отклонений действительного

пускового тока от католожных данных выбирается из условия

Iуст.эл.магн. >= 1,25 Iпуск. = 1,25 3,1 7 = 27 А Iп = 7 Iр

где Iпуск. – пусковой ток двигателя.

Номинальный ток установки теплового расцепителя или теплового элемента комбинированного расцепителя:

Iном.уст.тепл. >= Iном.дв.

Так же выбираются установки расцепителей автоматических выключателей и для защиты цепей других электроприемников системы электропитания, например цепей контрольно – измерительных приборов и др. (если в этом возникает необходимость, так как в большинстве случаев для защиты приборов и других подобных электроприемников малой мощности по соображениям чувствительности оказывается необходимым применять плавкие предохранители). При этом надо учитывать, что если автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем устанавливается в цепях электроприемников, при включении которых не возникают броски пускового тока, то надобности в отстройке от последних нет и ток установки электромагнитного расцепителя в этом случае должен выбираться минимально – возможным.

Выбор тепловых реле магнитных пускателей.

Тепловые реле выбираются по номинальному току двигателя (или длительному расчетному току):

Iном.т.р >= Iном.дв. ;

При выборе теплового реле необходимо стремиться к тому, чтобы ток установки находился в центре диапазона регулирования.

Результаты расчета и выбора аппаратов защиты.