Меню

Переключатель тока короткого замыкания

Короткое замыкание

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (КЗ, англ. short curcuit) — незапланированное соединение точек цепи с различными потенциалами друг с другом или с другими электрическими цепями через пренебрежимо малое сопротивление. При этом образуется сверхток, значения которого на порядки превышают предусмотренные нормальными условиями работы.

Определение КЗ из “Элементарного учебника физики” Ландсберга

короткое замыкание определение

В результате короткого замыкания выходит из строя электрооборудование, происходят возгорания. О самых разрушительных последствиях коротких замыканий мы регулярно узнаем из новостных рубрик «Чрезвычайные происшествия». Что же именно происходит при КЗ? В результате чего они появляются? Какими могут быть последствия? Давайте рассмотрим подробнее эти и другие вопросы в приведенной ниже статье.

Как образуется короткое замыкание

Как мы помним из учебника физики за 8 класс, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:

закон Ома формула

I – сила тока в цепи, А

U – напряжение, В

R – сопротивление, Ом

Давайте рассмотрим вот такую схему

Короткое замыкание

Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.

А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ

Короткое замыкание

Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?

короткое замыкание

В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления – меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:

Короткое замыкание

Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.

Закон Джоуля-Ленца

Согласно закону Джоуля-Ленца, тепловое действие тока прямо пропорционально квадрату силы тока на данном участке электрической цепи

закон джоуля ленца формула

Q – это количество теплоты, которое выделяется на сопротивлении нагрузки Rн . Выражается в Джоулях. 1 Джоуль = 1 Ватт х секунда.

I – сила тока в этой цепи, А

Rн – сопротивление нагрузки, Ом

t – период времени, в течение которого происходит выделение теплоты на нагрузке Rн , секунды

Это означает, что на проводе AB будет выделяться бешеное количество теплоты. Провод резко нагреется от температуры, а потом и сгорит. Все зависит от мощности источника питания.

То есть, если ток при коротком замыкании возрастет в 20 раз, то количество выделяющейся при этом теплоты — примерно в 400 раз! Вот почему бывшая еще мгновение назад мирной электроэнергия превращается в настоящее стихийное бедствие: горит проводка, расплавленный металл проводов поджигает находящиеся рядом предметы, возникают пожары.

Существуют еще запланированные и контролируемые КЗ, а также специальное замыкающее оборудование. Например, сварочные аппараты работают как раз на контролируемом КЗ, где требуется большая сила тока для плавки металла.

короткое замыкание сварочный ток

Основные причины короткого замыкания

Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:

  • Нарушение изоляции
  • Внешние воздействия
  • Перегрузка сети

Нарушение изоляции вызывается как естественным износом, так и внешним вмешательством. Естественное старение элементов электросети ускоряется за счет длительного теплового воздействия тока (тепловое старение изоляции), агрессивных химических сред.

Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть “кривой” электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.

Намного чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если совокупная мощность одновременно включенных в бытовую сеть электроприборов превышает допустимую нагрузку на проводку, с большой вероятностью произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимое значение. Такое явление можно часто наблюдать в домах со старой проводкой, где провода чаще всего алюминиевые и не рассчитаны на современные мощные электроприборы.

Ток короткого замыкания

Сверхток, образующийся в результате КЗ, называется током короткого замыкания. Как только произошло короткое замыкание в цепи, ток короткого замыкания достигает максимальных значений. После того, как провода начнут греться и плавиться, ток короткого замыкания идет на спад, так как сопротивление проводов в при нагреве возрастает.

Для источников ЭДС ток короткого замыкания может быть вычислен по формуле

ток короткого замыкания

Iкз – это ток короткого замыкания, А

E – ЭДС источника питания, В

Rвнутр. – внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Более подробно про ЭДС и внутреннее сопротивление читайте здесь.

Ниже на рисунке как раз изображен такой источник ЭДС в виде автомобильного аккумулятора с замкнутыми клеммами

короткое замыкание источник ЭДС

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать значений в доли Ома. Теперь представьте, какой ток короткого замыкания будет течь через проводник, если закоротить им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов. Возьмем среднее значение Rвнутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен Iкз =E/Rвнутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.

Виды коротких замыканий

В цепи постоянного тока

В этом случае КЗ бывает, как правило, между напряжением питания, которое чаще всего обозначается как “+”, и общим проводом схемы, который соединяют с “-“. Последствия такого КЗ зависят от мощности источника питания постоянного тока. Если в автомобиле голый плюсовой провод заденет корпус автомобиля, который соединяется с “минусом” аккумулятора, то провода начнут плавится и гореть как спички, при условии если не сработает предохранитель, либо вместо него уже стоит “жучок” – самопальный предохранитель. Ниже на фото вы можете увидеть результат такого КЗ.

короткое замыкание сгорел автомобиль

В цепи переменного тока

Трехфазное замыкание

короткое замыкание трехфазное

Это когда три фазных провода коротнули между собой.

Трехфазное на землю

короткое замыкание на землю

Здесь все три фазы соединены между собой, да еще и замкнуты на землю

Двухфазное

короткое замыкание двухфазное

В этом случае любые две фазы замкнуты между собой

Двухфазное на землю

короткое замыкание двухфазное на землю

Любые две фазы замкнуты между собой, да еще и замкнуты на землю

Однофазное на землю

короткое замыкание однофазное на землю

Однофазное на ноль

короткое замыкание фаза ноль

Эти две ситуации чаще всего бывают в ваших квартирах и домах, так как к простым потребителям идет два провода: фаза и ноль.

В трехфазных сетях наиболее часто происходит однофазное замыкание на землю – 60-70% всех коротких замыканий. Двухфазные КЗ составляют 20-25%. Двойное замыкание фаз на землю происходит в электросетях с изолированной нейтралью и составляет 10-15% всех случаев. До 3-5% занимают трехфазные КЗ, при которых происходит нарушение изоляции между всеми тремя фазами.

В электрических двигателях короткое замыкание чаще всего возникает между обмотками двигателя и его корпусом.

Последствия короткого замыкания

Во время КЗ температура в зоне контакта возрастает до нескольких тысяч градусов. Помимо воспламенения изоляции, расплавления и механических повреждений выключателей и розеток и возгорания проводки, следствием замыкания может стать выход из строя компьютерного и телекоммуникационного оборудования и линий связи, которые находятся рядом, вследствие сильного электромагнитного воздействия.

Но падение напряжения и выход из строя оборудования — не самое опасное последствие. Нередко короткие замыкания становятся причиной разрушительных пожаров, зачастую с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями.

Из-за удаленности и большого сопротивления до места замыкания защитное оборудование может не сработать. Бывают ситуации, когда ток недостаточен для срабатывания защиты и отключения напряжения, но в месте КЗ его вполне хватает для расплавления проводов и возникновения источников возгорания. Поэтому, токи коротких замыканий очень важны для расчетов аварийных режимов работы.

последствия короткого замыкания

Меры, исключающие короткое замыкание

Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.

Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами

стеклянный предохранитель

вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях

автомобильный предохранитель

А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов

промышленный плавкий предохранитель

Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа – трехфазный

Читайте также:  Сопротивление емкость индуктивность в цепях переменного тока

однофазный автомат трехфазный автомат

Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.

В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:

  • Плавкие предохранители (применяются в том числе в бытовых электроприборах).
  • Автоматические выключатели.
  • Стабилизаторы напряжения.
  • Устройства дифференциального тока.

Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.

В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:

  • Устройствами релейной защиты и другим отключающим оборудованием.
  • Понижающими трансформаторами.
  • Распараллеливанием цепей.
  • Токоограничивающими реакторами.

Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.

Источник

Управляемая коммутация токов короткого замыкания

Управляемая коммутация токов короткого замыкания

Управляемая коммутация токов короткого замыкания

Павлюченко Д.А., канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой систем электроснабжения предприятий;

Шевцов Д.Е., старший преподаватель кафедры систем электроснабжения предприятий;

Новосибирский государственный технический университет, 630073, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20.

В ста тье рассматривается концепция управляемой коммутации в электрических сетях среднего напряжения. П редставлены основные ее принципы и особенности при коммутации токов короткого замыкания. Выполнен обзор перспективных направлений исследования задачи синхронизации при отключении токов короткого замыкания.

Ключевые слова

Управляемая коммутация, ток короткого замыкания, время горения дуги, синхронный вакуумный выключатель.

Изменение нормального режима работы электрической сети посредством проведения коммутаций выключателями или возникновение аварийного режима – короткого замыкания – сопровождаются переходными процессами, которые физически представляют собой перераспределение накопленной энергии между индуктивными и емкостными элементами сети. При этом отключение может сопровождаться повышенными высокочастотными напряжениями, включение – значительными бросками тока, а аварийный режим – сверхтоками. Это, в конечном счете, приводит к негативному влиянию на электрические параметры сети и ускоренному износу оборудования.

Актуальным направлением, позволяющим минимизировать перенапряжения и броски тока при коммутациях при нормальных режимах работы, а также снизить электрическое воздействие токов аварийного режима на сам выключатель, является применение управляемой (синхронной) коммутации.

Общие принципы управляемой коммутации токов короткого замыкания

Концепция управляемой или синхронной коммутации представляет собой последовательную пофазную коммутацию по заданному алгоритму при переходе синусоиды тока (напряжения) через ноль. Такая коммутация позволяет предотвратить появление опасных бросков тока и перенапряжений, увеличить коммутационный ресурс оборудования.

Управляемое отключение токов короткого замыкания дает возможность сократить время горения дуги до минимальных значений, обеспечивая уменьшение электрической эрозии частей дугогасительного устройства и повышение ресурса выключателя [1].

В отличие от коммутации токов нормального режима коммутация аварийных токов должна быть осуществлена как можно быстрее, т.к. длительное протекание тока короткого замыкания может вызвать повреждение оборудования. Поэтому в этом режиме нет возможности выжидания наилучшего с точки зрения уменьшения перенапряжений момента времени коммутации. Однако в аварийном режиме возможно минимизировать воздействие сверхтока на выключатель за счет снижения времени горения дуги в дугогасительной камере.

При отключении короткого замыкания минимальное время горения дуги представляет собой наименьшее время, за которое контакты выключателя расходятся на расстояние достаточное для успешного гашения дуги при первом переходе тока через ноль. Максимальное время горения дуги возникает, когда выключатель не может произвести успешное отключение при первом прохождении аварийного тока через ноль. Это происходит в том случае, когда разделение контактов выключателя начинается до первого перехода тока через ноль за время меньшее минимального времени горения дуги, что в результате приводит к существенному увеличению продолжительности горения дуги.

Безусловно, при неуправляемом отключении тока короткого замыкания в большинстве случаев длительность горения дуги превосходит минимальную, а в некоторых случаях достигает максимальной величины. Избыток времени горения дуги добавляет электрическую эрозию частям дугогасительного устройства и снижает ресурс выключателя. Минимизация избытка времени горения дуги является основной целью управляемой коммутации в аварийном режиме [2].

Рис. 1. Принцип управляемого отключения тока короткого замыкания

На рис. 1 поясняется принцип управляемого аварийного отключения. В произвольный момент времени t sc происходит короткое замыкание. Через некоторое время t response реле защиты обнаруживает аварийный режим и подает команду на отключение выключателя синхронизирующему устройству в момент времени t command . Эта команда задерживается контроллером на некоторый промежуток времени синхронизации T cont . Интервал времени T cont рассчитывается по выражению (1) относительно собственного времени отключения выключателя T opening и минимального времени горения дуги T arcing , при котором происходит успешное отключение при первом переходе тока через ноль. Время t separate , соответствует моменту времени полного расхождения контактов. T zero – интервал времени от момента подачи команды на отключение до перехода тока через ноль, при котором происходит успешное отключение.

Обзор направлений исследования задачи синхронизации при отключении токов короткого замыкания

Использование принципов управляемой коммутации при отключении тока короткого замыкания представляет собой гораздо более сложную задачу, чем для коммутации токов нормального режима. Наибольшая сложность заключается в прогнозировании моментов времени перехода тока через ноль из-за наличия апериодической составляющей переходного процесса. Поэтому все, или практически все существующие серийно выпускаемые устройства, реализующие управляемую коммутацию, применяются для нормальных режимов, а не для синхронного отключения токов короткого замыкания.

Однако данная задача все же может быть решена как с помощью традиционных математических методов, так и методов искусственного интеллекта [2-6]. В случае же невозможности нахождения нолей тока отключение в аварийном режиме должно осуществляться по традиционной схеме.

Например, согласно подходу, предложенному в [3], непосредственной целью синхронизации является не будущий ноль тока, а некоторое мгновенное значение тока короткого замыкания, предшествующее текущему нолю. Это значение определяется на основе быстродействующей оценки (в результате многократной обработки измеренных данных) фазового угла напряжения источника при возникновении короткого замыкания в начальные четверть-полпериода тока. Авторы называют их «safe points» и предлагают набор таких точек для различных видов короткого замыкания: симметричных, несимметричных.

Рис. 2. Принцип управляемого отключения, основанный на определении симметричных (а) и несимметричных (b) «safe points» [3]

Вычисление требуемого фазового угла авторы предлагают с помощью упрощенной линейной регрессионной модели:

где – амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;

– амплитуда апериодической составляющей тока короткого замыкания;

– фазовый угол напряжения источника при ;

Решение сформированной на основании выражения (2) оценки системы уравнений для совокупности измеренных данных приводит к определению параметров модели и значений «safe points»

Основным достоинством данного подхода является его простая вычислительная процедура, недостаток же заключаются в необходимости получения большого количества данных для точной оценки требуемого времени за минимальный промежуток времени.

В отличие от вышеизложенного, подход, представленный в [4], основан на предсказании будущей токовой зависимости и синхронизации относительно наиболее раннего нулевого значения тока.

В предложенной модели тока короткого замыкания

где – амплитуда тока короткого замыкания;

– ток нормального режима, предшествующего короткому замыканию при

– постоянная времени затухания апериодической составляющей;

– угол сдвига фаз между напряжением и током.

Неизвестными параметрами уравнения являются В дальнейшем анализируемая регрессионная модель (3) линеаризуется и решается методом взвешенных наименьших квадратов для совокупности снятых значений прогнозируемой токовой зависимости.

В качестве полученных преимуществ подхода авторы указывают на большую гибкость используемых данных, нечувствительность к форме анализируемой токовой зависимости, относительно простую математическую процедуру. Как недостаток можно отметить все-таки значительный объем данных, необходимых для качественной оценки, допущение линейности зависимости и.т.д.

В [5] предлагается новый метод прогнозирования первого ближайшего нуля анализируемого тока короткого замыкании. По сути, он основывается на качественной, без проведения дополнительных расчетов в целях экономии времени, оценке начальных значений составляющих апериодической составляющей. Это позволяет получить предварительную оценку вида короткого замыкания, что облегчает и ускоряет процесс поиска ноля тока.

Рис. 3. Временные компоненты для определения ноля тока [5]

Согласно рис. 3 временной интервал , необходимый для прогнозирования тока короткого замыкания

где – время сбора данных о составляющих тока короткого замыкания;

– время отключения выключателя;

– время до первого ноля тока короткого замыкания.

При этом токовая зависимость, а также первое нулевое значение тока определяются на основе расчета апериодической составляющей тока короткого замыкания

Параметры a и k рассчитываются в результате анализа следующей системы уравнений, предложенной авторами

где – количество измерений данных.

В [5] отмечают сбалансированность быстродействия и точности подхода. Однако по нашему мнению требуются дополнительные исследования и анализ обоснованности принятых допущений и уровня их влияния на получаемые результаты.

Читайте также:  Электродвигатель переменного тока принцип работы схема

Наиболее перспективными представляются исследования, изложенные в [6]. Анализ тока короткого замыкания авторами производится по традиционной модели с учетом периодической и апериодической составляющих тока

где – амплитуда тока короткого замыкания;

– ток нормального режима, предшествующего короткому замыканию в момент замыкания.

После преобразований и линеаризации функцией Тейлора токовая модель (5) может быть записана как

Для совокупности n данных измерений получается следующая система уравнений

где – время дискретизации измерений.

Обычно используемый для расчета метод наименьших квадратов в значительной степени зависит от количества обрабатываемых данных n. При этом постоянный поток данных в контроллер и, как следствие, необходимость проведения полного объема математических вычислений на каждом цикле обновления данных, ограничивает применение данного метода в онлайн расчетах.

Авторами предлагается использовать для этих целей адаптивный метод наименьших квадратов – рекурсивный – который итеративно корректирует текущие результаты с учетом новых поступающих данных

– новое измеренное значение;

– элемент матрицы H;

– новые значения оценки.

Начальные значения ( =1000, I – единичная матрица).

Реализация принципов управляемой коммутации токов короткого замыкания позволит получить ряд преимуществ, непосредственно связанных с самим защитно-коммутационным аппаратом, а именно: снизить эрозию частей дугогасительного устройства и, как следствие, увеличить ресурс выключателя, а также улучшить характеристики выключателя – увеличить его отключающую способность.

Большинство способов синхронизации при отключении токов короткого замыкания реализованы на оценке и прогнозировании токовой зависимости с помощью регрессионного анализа с различными модификациями метода наименьших квадратов.

Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития НГТУ, проект С-6.

Библиографический список

1. Бунин Р.А. Управляемый вакуумный разрядник с высокой отключающей способностью. – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (05.09.01). – Москва, МЭИ. – 2014. – 167 с.

2. Белкин Г.С. Применение самоуправляемых аппаратов (аппаратов, обладающих «интеллектом») для коммутации цепей высокого напряжения // Электротехника. – 2005. – №12. – С. 3-9.

3. Poltl A., Frohlich K. A New Algorithm Enabling Controlled Short Circuit Interruption, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 18, No. 3, 2003, pp. 802-808.

4. Thomas R., Daalder J., Solver C.-E., An adaptive self-checking algorithm for controlled fault interruption, 18th International Conference on Electricity Distribution, Turin, Italy, 2005, pp. 291-295.

5. Munteanu F. Intelligent fault interruption, Annals of the University of Craiova, Electrical Engineering series, No. 30, 2006, pp. 212-217.

6. Huang Z., Duan X., Zou J. Recursive least square algorithm with a compensation formula for fault current parameters estimation, Journal of Convergence Information Technology (JCIT), Vol. 7, No. 8, 2012, pp. 101-109.

Источник

Основные характеристики автоматического выключателя

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Содержание

  • 1 Номинальное рабочее напряжение (Ue)
  • 2 Номинальный ток (In)
  • 3 Номинальный ток выключателя при использовании расцепителей с разными диапазонами уставок
  • 4 Уставка реле перегрузки по току отключения (Irth или Ir)
  • 5 Уставка по току отключения при коротком замыкании (Im)
  • 6 Гарантированное разъединение
  • 7 Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu или Icn)
  • 8 Примечания

Основными характеристиками автоматического выключателя являются:

  • номинальное напряжение Ue;
  • номинальный ток In;
  • диапазоны регулировки уровней тока отключения для защиты от перегрузки Ir [1] или Irth [1] и защиты от короткого замыкания
    Im [1] ;
  • отключающая способность при коротком замыкании (Icu – для промышленных автоматических выключателей и Icn – для бытовых автоматических выключателей).

Номинальное рабочее напряжение (Ue)

Это то напряжение, при котором данный выключатель работает в нормальных условиях.

Для автоматического выключателя устанавливаются и другие значения напряжения, соответствующие импульсным перенапряжениям (см. подраздел Другие характеристики автоматического выключателя).

Номинальный ток (In)

Это – максимальная величина тока, который автоматический выключатель, снабженный специальным отключающим реле максимального тока, может проводить бесконечно долго при температуре окружающей среды, оговоренной изготовителем, без превышения установленных значений максимальной температуры токоведущих частей.

Пример
Автоматический выключатель с номинальным током In = 125 А при температуре окружающей среды 40 °C, оснащенный отключающим реле максимального тока, откалиброванного соответствующим образом (настроенным на ток 125 А). Этот же автоматический выключатель может использоваться при более высоких температурах окружающей среды, но за счет занижения номинальных параметров. Например, при окружающей температуре 50 °C этот выключатель сможет проводить бесконечно долго 117 А, а при 60 °C – лишь 109 А при соблюдении установленных требований по допустимой температуре.

Уменьшение номинального тока автоматического выключателя производится путем уменьшения уставки его теплового реле. Использование электронного расцепителя, который может работать при высоких температурах, обеспечивают возможность эксплуатации автоматических выключателей (с пониженными уставками по току) при окружающей температуре 60 °С
или даже 70 °С.

Примечание: в автоматических выключателях, соответствующих стандарту МЭК 60947-2, ток In равен обычно Iu для всего распределительного устройства, где Iu обозначает номинальный длительный ток.

Номинальный ток выключателя при использовании расцепителей с разными диапазонами уставок

Автоматическому выключателю, который может быть оборудован расцепителями, имеющими различные диапазоны уставок по току, присваивается номинальное значение, соответствующее номинальному значению расцепителя с наивысшим уровнем уставки по току отключения.

Пример:
Автоматический выключатель NS630N может быть оснащен четырьмя электронными расцепителями с номинальными токами от 150 до 630 А. В таком случае номинальный ток данного автоматического выключателя составит 630 А.

Уставка реле перегрузки по току отключения (Irth или Ir)

За исключением небольших автоматических выключателей, которые легко заменяются, промышленные автоматические выключатели оснащаются сменными, т.е. заменяемыми реле отключения максимального тока. Для того чтобы приспособить автоматический выключатель к требованиям цепи, которой он управляет, и избежать необходимости устанавливать кабели большего размера, отключающие реле обычно являются регулируемыми. Уставка по току отключения Ir или Irth (оба обозначения широко используются) представляет собой ток, при превышении которого данный автоматический выключатель отключит цепь. Кроме того, это максимальный ток, который может проходить через автоматический выключатель без отключения цепи. Это значение должно быть обязательно больше максимального тока нагрузки Iв, но меньше максимально допустимого тока в данной цепи Iz (см. Практические значения для схемы защиты).

Термореле обычно регулируются в диапазоне 0,7-1,0 In, но в случае использования электронных устройств этот диапазон больше и обычно составляет 0,4-1,0 In.

Пример (рис. H30):
Автоматический выключатель NS630N, оснащенный расцепителем STR23SE на 400 А, который отрегулирован на 0,9 In, будет иметь уставку тока отключения:
Ir = 400 x 0,9 = 360 А.

Примечание: для цепей, оборудованных нерегулируемыми расцепителями, Ir = In.
Пример: для автоматического выключателя C60N на 20 А Ir = In = 20 А.

Рис H30.jpg

Рис. H30: Пример автоматического выключателя NS630N с расцепителем STR23SE, отрегулированным на 0,9In (Ir = 360 А)

Уставка по току отключения при коротком замыкании (Im)

Расцепители мгновенного действия или срабатывающие с небольшой выдержкой времени предназначены для быстрого выключения автоматического выключателя в случае возникновения больших токов короткого замыкания. Порог их срабатывания Im:

  • для бытовых автоматических выключателей регламентируется стандартами, например МЭК 60898;
  • для промышленных автоматических выключателей указывается изготовителем согласно действующим стандартам, в частности МЭК 60947-2.

Для промышленных выключателей имеется большой выбор расцепителей, что позволяет пользователю адаптировать защитные функции автоматического выключателя к конкретным требованиям нагрузки (см. рис. H31, H32 и H33).

— нижняя уставка: 2 — 5 In
— стандартная уставка: 5 — 10 In

1,5 Ir ≤ Im ≤ 10 Ir
Мгновенное срабатывание (I), время не регулируется:
I = 12 — 15 In

[2] 50 In в стандарте МЭК 60898, что по мнению большинства европейских изготовителей является нереально большим значением (M-G = 10-14 In).

[3] Для промышленного использования значения не регламентируются стандартами МЭК. Указанные выше значения соответствуют тем, которые обычно используются.

Рис. H31: Диапазоны токов отключения устройств защиты от перегрузки и короткого замыкания для низковольтных автоматических выключателей

Рис H32.jpg

Рис. H32: Кривая срабатывания термомагнитного комбинированного расцепителя автоматического выключателя

Рис H33.jpg

Ir: уставка по току отключения при перегрузке (тепловое реле или реле с большой выдержкой времени)
Im: уставка по току отключения при коротком замыкании (магнитное реле или реле с малой выдержкой времени)
Ii: уставка расцепителя мгновенного действия по току отключения при коротком замыкании
Icu: отключающая способность

Рис. H33: Кривая срабатывания электронного расцепителя автоматического выключателя

Гарантированное разъединение

Автоматический выключатель пригоден для гарантированного разъединения цепи, если он удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к разъединителю (при его номинальном напряжении) в соответствующем стандарте (см. Функции низковольтной аппаратуры: изолирование (отключение)). В таком случае его называют автоматическим выключателем-разъединителем и на его фронтальной поверхности наносят маркировку в виде символа

Читайте также:  Правило буравчика для прямого тока рисунок

Рис H59.jpg

К этой категории относятся все низковольтные коммутационные аппараты компании Schneider Electric: Multi 9, Compact NS и Masterpact.

Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu или Icn)

Отключающая способность низковольтного автоматического выключателя связана с коэффициентом мощности (cos φ) поврежденного участка цепи. В ряде стандартов приводятся типовые значения такого соотношения.

Отключающая способность автоматического выключателя – максимальный (ожидаемый) ток, который данный автоматический выключатель способен отключить и остаться в работоспособном состоянии. Упоминаемая в стандартах величина тока представляет собой действующее значение периодической составляющей тока замыкания, т.е. при расчете этой стандартной величины предполагается, что апериодическая составляющая тока в переходном процессе (которая всегда присутствует в наихудшем возможном случае короткого замыкания) равна нулю. Эта номинальная величина (Icu) для промышленных автоматических выключателей и (Icn) для бытовых автоматических выключателей обычно указывается в кА.

Icu (номинальная предельная отключающая способность) и Ics (номинальная эксплуатационная отключающая способность) определены в стандарте МЭК 60947-2 вместе с соотношением Ics и Icu для различных категорий использования A (мгновенное отключение) и B (отключение с выдержкой времени), рассмотренных в подразделе Другие характеристики автоматического выключателя.

Проверки для подтверждения номинальных отключающих способностей автоматических выключателей регламентируются стандартами и включают в себя:

  • коммутационные циклы, состоящие из последовательности операций, т.е. включения и отключения при коротком замыкании;
  • фазовый сдвиг между током и напряжением. Когда ток в цепи находится в фазе с напряжением питания (cos φ = 1), отключение тока осуществить легче, чем при любом другом коэффициенте мощности. Гораздо труднее осуществлять отключение тока при низких отстающих величинах cos φ,при этом отключение тока в цепи с нулевым коэффициентом мощности является самым трудным случаем.

На практике все токи короткого замыкания в системах электроснабжения возникают обычно при отстающих коэффициентах мощности, и стандарты основаны на значениях, которые обычно считаются типовыми для большинства силовых систем. В целом, чем больше ток короткого замыкания (при данном напряжении), тем ниже коэффициент мощности цепи короткого замыкания, например, рядом с генераторами или большими трансформаторами.

В таблице, приведенной на рис. H34 и взятой из стандарта МЭК 60947-2, указано соотношение между стандартными величинами cos φ для промышленных автоматических выключателей и их предельной отключающей способностью Icu.

  • после проведения цикла «отключение – выдержка времени — включение/ отключение» для проверки предельной отключающей способности (Icu) автоматического выключателя выполняются дополнительные испытания, имеющие целью убедиться в том, что в результате проведения этого испытания не ухудшились:

— электрическая прочность изоляции;
— разъединяющая способность;
— правильное срабатывание защиты от перегрузки.

[1] Величины уставок, которые относятся к термомагнитным (комбинированным) расцепителям для защиты от перегрузки и короткого замыкания.zh:断路器的基本特性

Источник



Особенности работы автоматических выключателей с микропроцессорными расцепителями

Ни для кого не секрет, что автоматические выключатели это не просто рубильники, которые пропускают рабочий ток и обеспечивают два состояния электрической цепи: замкнутое и разомкнутое. Автоматический выключатель — это электрический аппарат, который в режиме реального времени «отслеживает» уровень протекающего тока в защищаемой цепи и отключает ее при превышении током определенного значения.

Самым распространенным сочетанием в автоматических выключателях является комбинация теплового и электромагнитного расцепителя. Именно эти два вида расцепителей обеспечивают основную защиту цепей от сверхтоков.

Тепловой расцепитель предназначен для отключения токов перегрузки электрической цепи. Тепловой расцепитель конструктивно состоит из двух слоев металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения. Это и позволяет пластине изгибаться при нагреве и воздействовать на механизм свободного расцепления, в конечном итоге, отключая аппарат. Такой расцепитель еще называют термобиметаллическим расцепителем по названию основного элемента — биметаллической пластины.

Однако этот вид расцепителя обладает существенным недостатком — его свойства зависят от температуры окружающей среды. То есть, при слишком низкой температуре даже если цепь будет перегружена — тепловой расцепитель автоматического выключателя может не отключить линию. Возможна и обратная ситуация: в очень жаркую погоду автоматический выключатель может ложно отключать защищаемую линию, за счет нагрева биметаллической пластины окружающей средой. К тому же тепловой расцепитель потребляет электрическую энергию.

Электромагнитный расцепитель состоит из катушки и подвижного стального сердечника, удерживаемого пружиной. При превышении заданного значения тока, по закону электромагнитной индукции в катушке наводится электромагнитное поле, под действием которого сердечник втягивается внутрь катушки, преодолевая сопротивление пружины, и вызывает срабатывание механизма расцепления. В нормальном режиме работы в катушке также наводится электромагнитное поле, однако его силы не хватает, чтобы преодолеть сопротивление пружины и втянуть сердечник.

Устройство механизма электромагнитного расцепителя показано на примере АП50Б

Этот вид расцепителя не обладает таким большим потреблением электрической энергии, как тепловой расцепитель.

В настоящее время широкое распространение получили электронные расцепители на базе микроконтроллеров. С их помощью можно осуществлять точную настройку следующих параметров защиты:

  • уровень рабочего тока защиты
  • время защиты от перегрузки
  • время срабатывания в зоне перегрузки с функцией «тепловой памяти» и без нее
  • ток селективной отсечки
  • время селективной токовой отсечки

Реализованная функция проведения самотестирования работоспособности механизма свободного расцепления с помощью кнопки ТЕСТ позволяет проводить проверку аппарата потребителем.

Регулировка параметров настройки электрической цепи на лицевой панели устройства позволяет персоналу без лишнего труда понять, как настроена защита отходящей линии.

С помощью поворотных переключателей на лицевой панели устанавливается уровень рабочего тока цепи. Регулировка уставки рабочего тока расцепителя IR устанавливается в кратности: 0,4; 0,45; 0,5; 0,56; 0,63; 0,7; 0,8; 0,9; 0,95; 1,0 к номинальному току выключателя.

Существует два режима работы полупроводникового расцепителя при перегрузке электрической цепи:

  • с «тепловой памятью»;
  • без «тепловой памяти»

«Тепловая память» является эмуляцией работы теплового расцепителя (биметаллической пластины): микропроцессорный расцепитель программным способом задает время, которое потребовалось бы для остывания биметаллической пластины. Данная функция позволяет оборудованию и защищаемой цепи больше времени остывать и, соответственно, их срок службы не снижается.

Одним из преимуществ является установка уровня тока и времени срабатывания автоматического выключателя при коротком замыкании, что осуществляет необходимую селективность защиты. Это необходимо для того, чтобы вводной автоматический выключатель отключился позже, чем ближайшие к аварии аппараты. Важно отметить, что, в отличие от теплового расцепителя, уставки по времени в микропроцессорном расцепителе не меняются при изменении температуры окружающей среды.

Регулировка уставки тока селективной токовой отсечки выбирается кратно рабочему току IR: 1,5; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10.

Регулировка уставки времени селективной токовой отсечки выбирается в секундах: 0 (без выдержки времени); 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4.

Электромагнитная совместимость микропроцессорных расцепителей автоматических выключателей OptiMat D позволяет применять эти аппараты в общепромышленных электроустановках. В свою очередь, электромагнитные поля, создаваемые элементами микропроцессорного расцепителя не оказывают негативного влияния на окружающую технику.

Рассмотрим выбор уставок на примере микропроцессорного расцепителя MR1-D250 автоматического выключателя OptiMat D. Имеется асинхронный двигатель АИР250S2 с параметрами Р=75 кВт; cosφ=0,9; Iп/Iном=7,5; для которого нужно выбрать уставки защищающего аппарата (автоматический выключатель защищает непосредственно линию с данным электродвигателем). Примем следующие условия: пуск электродвигателя легкий и время пуска равное 2 с.

Выбираем для нашего двигателя уставку в 4 секунды с функцией тепловой памяти:

В нашем случае номинальный ток электродвигателя составляет 126,6 А. Соответственно, выставляем переключатель регулировки номинального тока выключателя на значение 0,56, чтобы ближайшее значение получилось 140 А.

Чтобы автоматический выключатель не срабатывал ложно от пусковых токов, кратность которых для выбранного двигателя составляет 7,5 примем уставку селективной токовой отсечки равную 8.

Т. к. данный выключатель будет устанавливаться непосредственно для защиты электродвигателя для обеспечения селективности в действии выключателей принимаем мгновенную селективную токовую отсечку (без выдержки по времени).

Следует также отметить, что при превышении током короткого замыкания значения в 3000 А выключатель будет срабатывать мгновенно, то есть без выдержки по времени.

Таким образом, мы рассмотрели пример выбора уставок микропроцессорного расцепителя, обеспечивающие защиту асинхронного двигателя. Данный пример выбора уставок микропроцессорного расцепителя не является техническим руководством. В конечном виде панель настройки микропроцессорного расцепителя автоматического выключателя будет выглядеть так:

Электромагнитная совместимость, соответствующая требованиям ГОСТ Р 50030.2-2010, и возможность внедрения в систему автоматизации делает автоматические выключатели Optimat D250 более надежными, удобными и выгодными решениями по многим показателям.

Источник