методика выбора автоматических выключателей

для защиты электрических цепей

и электроустановок

Автоматические выключатели являются самыми распространенными аппаратами защиты цепей и потребителей от аварийных режимов. Они также предназначены для нечастых включений и отключений токов нагрузки (номинальных токов).

Автоматические выключатели рекомендуется выбирать по следующим основным техническим параметрам (см. п. 1.3): назначению, области применения и исполнению; роду тока и числу главных контактов; типу расцепителя, встроенного в выключатель; номинальному току расцепителя; кратности уставки тока отсечки к номинальному току расцепителя (для максимально-токовых расцепителей); номинальной уставке на ток срабатывания теплового расцепителя (для тепловых расцепителей); времени срабатывания теплового расцепителя в режиме перегрузки; предельной коммутационной способности выключателя; типу присоединения подводящих проводников; виду привода выключателя; способу установки выключателя в низковольтное комплектное устройство; климатическому исполнению, категории размещения и степени защиты; числу общих циклов коммутации и числу коммутаций под нагрузкой.

Разнообразие технических параметров автоматических выключателей делает их выбор достаточно сложным и трудоемким.

По исполнению автоматические выключатели различаются на нетокоограничивающие, токоограничивающие и селективные [1].

Нетокоограничивающие выключатели отключают цепь, когда короткое замыкание достигает установившегося ожидаемого значения.

Токоограничивающие выключатели ограничивают ток короткого замыкания путем быстрого введения в цепь дополнительного сопротивления электрической дуги и последующего быстрого отключения короткого замыкания. При этом ток короткого замыкания не достигает ожидаемого максимального значения. Подобные выключатели имеют специальную контактную систему и отличаются повышенным быстродействием.

Селективные выключатели позволяют в процессе эксплуатации регулировать ток и время срабатывания максимальной токовой защиты. Это дает возможность осуществить селективную (избирательную) защиту потребителей и цепей.

Токоограничивающие и селективные выключатели являются более сложными и дорогостоящими аппаратами и их применение должно быть технически и экономически обосновано.

Основным элементом выключателя, который контролирует состояние цепи и выдает команду на отключение при наличии ненормальных режимов, является встроенный в него расцепитель. Расцепитель служит измерительным органом и в зависимости от его па защищает цепь от той или иной аварийной ситуации. Электромагнитные расцепители выполняют функции защиты цепи от больших перегрузок по току или от КЗ.

Тепловые расцепители предназначены для защиты в области перегрузок, в 5–7 раз превышающих номинальный ток. Полупроводниковые расцепители имеют широкий спектр выполняемых защитных функций (защита от КЗ, перегрузок по току) с большими возможностями регулировки.

Минимальные и нулевые расцепители выполняют защитные функции от понижения напряжения в сети. Например, минимальный расцепитель обеспечивает отключение выключателя при напряжении 70–35% номинального, а нулевой расцепитель – при 35–10% номинального. Минимальные расцепители часто используются для дистанционного отключения автомата.

Независимые расцепители служат для дистанционного управления (отключения) автоматическим выключателем.

Современные автоматические выключатели имеют встроенные расцепители, устанавливаемые заводом-изготовителем и рассчитанные на заданные номинальные токи. Номинальный ток расцепителя (I_ном.р) отличается от номинального тока выключателя (I_ном.а ), но не превосходит его. Автоматический выключатель АК63 на номинальный ток 63 А может быть укомплектован расцепителями, рассчитанными на токи 0,63 – 63 А. Поэтому выбор выключателя производится по номинальному току его расцепителя.

Выключатели с максимальным токовым расцепителем снабжены отсечкой, кратность уставки которой по отношению к номинальному току расцепителя отстраивается от максимально возможного превышения тока над номинальным значением в процессе нормальной работы потребителя. Для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором отсечка выключателя отстраивается от ударного пускового тока двигателя, на 10…20% превышая его значение, т. е.

. (15)

При этом номинальная отсечка автоматического выключателя должна быть не меньше I_o , но не должна превышать минимального значения тока КЗ в цепи. В каталогах на автоматические выключатели значения отсечки приводятся в абсолютных или в относительных (в кратностях к номинальному току расцепителя) значениях.

Номинальная уставка на ток срабатывания теплового расцепителя выключателя I_ном.т. равна среднему значению между током несрабатывания расцепителя — 1,1 I_ном.р.и нормированным значением тока срабатывания — 1,45 I_ном.р., т.е.

(16)

Время срабатывания теплового расцепителя автоматического выключателя находится из его защитной характеристики по току перегрузки, длительно протекающему в цепи.

В выключателях широко используются два типа присоединения: переднее и заднее, а сами выключатели располагаются в распределительном устройстве в стационарном или выдвижном исполнении. Выключатели могут снабжаться ручным или двигательным и электромагнитным приводами в зависимости от типа выключателя и его номинального тока. Остальные технические параметры автоматических выключателей подробно описаны в п. 1.3.

Пример 2. Выбор автоматических выключателей с учетом селективности их работы

Выбрать автоматические выключатели с максимальным токовым расцепителем (отсечкой) для селективной защиты цепи радиальной схемы питания электродвигателей с короткозамкнутым ротором (см. рис. 2) при возникновении короткого замыкания на зажимах двигателя М2, учитывая, что двигатели в схеме одинаковы (см. прим. 1). Параметры схемы следующие:

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫБОРА АППАРАТОВ

1. Предварительный расчет

Определяются параметры нагрузки, в данном случае номинальный и пусковой токи двигателя М2:

Определяется ожидаемый ток в цепи при трехфазном коротком замыкании на зажимах двигателя в точке 1, на сборке в точке 2 и на зажимах КТП в точке 3 (см. рис.2). Для этого необходимо выбрать сечение соединительных кабелей l₂ и l₃ . Согласно [4] выбираем алюминиевые треxжильные кабели с резиновой изоляцией, проложенные в одной трубке. Их сечения, для участка l₂ =2,5 мм², для l₃ =8 мм².

При этом удельное электрическое сопротивление кабелей с алюминиевыми жилами при температуре проводника 65 °C составляет [3]:

Активное и индуктивное электрическое сопротивление кабелей:

Активное и индуктивное сопротивления трансформатора 6(10)/0,4 кВ мощностью 630 кВА, напряжением КЗ 5,5% при соединении обмоток треугольник-звезда с нейтралью [3]:

Принимая переходное сопротивление контактов равным 15 мОм находим суммарные активное и индуктивное сопротивления от трансформатора Т1 до места КЗ (в точке 1):

Модуль полного сопротивления до места короткого замыкания составит:

Ток трехфазного короткого замыкания в точке 1 равен:

Ток двухфазного короткого замыкания в цепях с изолированной нейтралью равен:

Ударный ток короткого замыкания:

Аналогично определяем ток трехфазного короткого замыкания в точке 2 (см. рис. 2):

Зная мощность питающего трансформатора и соотношение , определяем ток трехфазного короткого замыкания на зажимах КТП в точке 3. Для этого используем известные зависимости [3]. Получим:

При этом учитывается r_пк.

2. Выбор автоматического выключателя Q4 (см. рис. 2)

Автоматический выключатель ближайший к защищаемому объекту (асинхронному двигателю М2) выбирается:

Выбирается автоматический выключатель, номинальная отсечка которого превышает 198,6 А, либо кратность уставки тока отсечки к номинальному току расцепителя превышает . Подобным требованиям удовлетворяет выключатель ВА14-26-34 с номинальным током расцепителя 20 А и номинальной отсечкой на 200 А (кратность уставки тока отсечки к номинальному ­ 10);

в) по предельной коммутационной способности выключателя, значение которого должно быть не меньше тока короткого замыкания в точке 1 - I_кз1⁽³⁾=686А . Выбранный выключатель имеет предельную коммутационную способность, равную 4,5 кА;

г) из условия нормального пуска (самозапуска) асинхронного двигателя

I_кз1⁽³⁾/I_п ≥ 2 - при легком пуске двигателя (t ≤5c );

I_кз1⁽³⁾/I_п ≥ 3,5 ­ при тяжелом пуске двигателя (t ≥5c ).

В данном случае I_кз1⁽³⁾/I_п=686/98?2=7 , и условие самозапуска двигателя выполняется.

Выбранный таким образом автоматический выключатель относится к классу нетокоограничивающих выключателей, трехполюсного исполнения, с электромагнитым расцепителем, ручным приводом, стационарного исполнения.

В табл. 7 приведены технические параметры выбранного аппарата.

3. Выбор автоматического выключателя Q3 (см. рис. 2)

Выбор автоматического выключателя, защищающего распределительное устройство РУ1, проводится в следующей последовательности:

а) по номинальному току расцепителя

I_ном.р≥ I_ном.,

где I_ном. — номинальный ток в линии l₂ , I_ном.=30,2А.

Выбирается выключатель с номинальным током расцепителя

I_ном=32 А ,

б) по номинальной отсечке расцепителя автоматического выключателя Q3

I_ном.Q3≥ k_н.о I_ном.Q4,

где k_н.о — коэффициент надежности согласования, принимается равным 1,3…1,5 или рассчитывается с учетом разбросов срабатывания отсечек (см. [9]).

Ток номинальной отсечки расцепителя выключателя Q3 определяется

I_ном.Q3=1,3*200=260 А.

При этом кратность уставки тока отсечки к номинальному току расцепителя выбирается равной 10.

в) проверяется выключатель Q3 на способность коммутировать ток короткого замыкания в точке 2

I_кз2⁽³⁾=1714 А.

Ток предельной коммутационной способности выбранного выключателя составляет 3 кА, что выше тока I_кз2⁽³⁾ .

В качестве выключателя Q3 выбирается аналогичный Q4 тип аппарата, технические параметры которого приведены в табл. 7.

4. Выбор автоматического выключателя Q1 (см. рис. 2).

Выключатель, расположенный на КТП, защищает силовой трансформатор и энергосистему и должен отличаться высокой надежностью работы.

Как правило, это селективные выключатели. Они выбираются:

а) по номинальному току расцепителя

I_ном.р≥ I_Еном.,

где I_Еном. — суммарный ток, протекающий в цепи выключателя Q1, при одновременной работе всех двигателей.

В данном случае I_Еном.≈136 А .

Выбирается выключатель серии А3716Ф с номинальным током расцепителя I_ном.р =160 А .

б) по номинальной отсечке расцепителя автомата Q1:

I_ном.Q1≥ k_н.о I_ном.Q3,

где I_ном.Q3 — наибольший из токов срабатывания отсечек нижестоящих выключателей, т. е. принимается: I_ном.Q1≥1,3*260=338 А .

Кратность уставки тока отсечки к номинальному току расцепителя выбираем равной 3,9.

в) из условия отключения тока трехфазного короткого замыкания в точке 3 —I_кз3⁽³⁾=12000 А .

Ток предельной коммутационной способности выбранного выключателя достигает 15 кА.

Если согласовать отсечки всех выключателей в цепи не удастся, то выключатель на КТП выбирается селективным по времени. При этом ток мгновенного срабатывания третьей ступени защиты (выключателя Q1 ) I_с.мгн должен превосходить I_кз3⁽³⁾ в точке 3 [3].

Технические параметры выбранного выключателя приведены в табл. 7.

Пример 3. Выбор автоматического выключателя для защиты цепи от КЗ и перегрузки в асинхронном двигателе

Выбрать автоматический выключатель с максимальным токовым и тепловым расцепителями в цепи питания асинхронного двигателя 4А. Параметры двигателя, электрической цепи, а также результаты их предварительного расчета приведены в примерах 1 и 2.

Необходимо выбрать автоматический выключатель с электромагнитным и тепловым расцепителями (либо с комбинированным расцепителем). Автомат должен соответствовать основным техническим параметрам и иметь наибольшую износостойкость (число циклов коммутации под нагрузкой) с весовым коэффициентом показателя 0,8 и наименьший объем с весовым коэффициентом 0,2.

Последовательность выбора аппаратов следующая.

1. Выбираем нетокоограничивающий установочный выключатель с ручным приводом, стационарного исполнения и передним присоединением проводов.

2. Номинальное напряжение выключателя 380В, с тремя главными контактами.

3. Номинальный ток комбинированного расцепителя выбирается из условия

I_ном.р≥ I_ном.дв=15,1 А

Выбираем выключатель серии АЕ2026 с электромагнитным и тепловым расцепителями на I_ном.р=16 А.

4. Кратность уставки тока отсечки к номинальному току расцепителя должна находится в пределах

Выбранный выключатель имеет отсечку равную 12, что удовлетворяет заданным условиям.

5. Предельная коммутационная способность выключателя должна превышать ток короткого замыкания на зажимах двигателя.

Предельная коммутационная способность выбранного выключателя достигает 2 кА, что выше тока короткого замыкания.

6. Тепловой элемент комбинированного расцепителя проверяется по номинальной уставке на ток срабатывания теплового расцепителя. Предварительно определяется ток срабатывания теплового расцепителя согласно (16):

I=(1,1*16+1,45*16)/2=20,4 A

и ищется ближайшее нормированное значение I_нт. Определяются пределы его регулирования (они составляют 0,9…1,15). По защитной характеристике автоматического выключателя определяется время срабатывания t_cр теплового расцепителя при перегрузке и проверяется условие согласования нагрузочной характеристики асинхронного двигателя и защитной характеристики выключателя:

В табл. 8 приведены результаты выбора выключателей по основным техническим параметрам.

7. Определим наилучший, с учетом заданных технико-экономических показателей и их «веса», аппарат, используя результаты выбора по основным техническим параметрам.

В табл. 8 выключатели размещены по мере ухудшения их технико-экономических показателей. Наибольшее предпочтение следует отдать автоматическому выключателю серии АЕ2026, удовлетворяющему всем заданным технико-экономическим условиям и имеющему наибольшее число циклов коммутации под нагрузкой при наименьшем объеме выключателя.

Выбор автоматических выключателей в рассмотренных примерах проводился с использованием баз данных и СУБД «Выбор 2.2» [8].