Лекции СЭС

Рис.6.8.: а - принципиальная схема, б - эквивалентная схема.

Рис.6.9. Векторные диаграммы: а - нормальный режим, б - однофазное замыкание.

Ток однофазного замыкания протекает через емкости проводников А, В, N. Напряжения на этих проводниках определяются по второму закону Кирхгофа:

Ec+Un-Uc=0, Uc=0,

Un = - Ec, Ea+Un-Ua=0, Ua=Ea+Un, Uв+Un-Uв=0, Uв=Eв+Un,

Токи Ia, Ib, In опережают соответствующие напряжения Ua, Ub, Un на 90 градусов, их геометрическая сумма равна току Iк. Модуль тока Iк:

Iк = Ia Cos300

+ Ib Cos30

0

+ In = 2

Uл

Cos300 +

Uф

=

Xc

Xc

2

3 Uф

3

+

Uф

= 3

Uф

+

UФ

= 4

Uф

=

Uф

;

Xc

2

Xc

Xc

Xc

Xc

(Xc / 4)

Последнее выражение соответствует эквивалентной схеме рис. 6.8.b, в которой распределенные емкости заменены сосредоточенным емкостным сопротивлением Хс/4, включенным между нейтралью трансформатора и землей.

6.4.3. Расчет напряжений прямого и косвенного прикосновений в сети IT.

Если в исправной сети IT человек сопротивлением Rч касается фазного провода (прямое прикосновение), то ток через тело человека Iк определяется сопротивлениями Хс/4 и Rч, включенными последовательно:

Iк =	Uф	=		Uф			.
	Z
				(Xc / 4)2	+ Rч 2

Рис.6.10. Векторная диаграмма: прямое прикосновение в сети IT.

Напряжение прямого прикосновения Uч = Iк * Rч.

Uч =

Uф Rч

=

Uф

.

(Xc / 4)2

+ Rч2

Xc / 4

2

(

)

+ 1

Rч

Если емкостное сопротивление Хс/4 велико (Хс/4>>Rч), то напряжение прямого прикосновения близко к нулю, Uч ≈ 0. Практически это имеет место в кабельной сети небольшой протяженности или в воздушной сети так как емкости таких сетей весьма незначительны.

Если, напротив, емкость сети настолько велика, что Хс/4<< Rч, то напряжение прямого прикосновения близко к фазному напряжению.

Напряжение смещения нейтрали по отношению к земле

Un = Iк * Xc/4:

	Un =		Uф Xc / 4		=		Uф				.
			(Xc / 4)2 + Rч2			1 + (		Rч	)2
								Xc / 4

При косвенном прикосновении к телу человека приложено падение напряжения на Ra, создаваемое током Iк (рис.6.11).

Рис.6.11. Косвенное прикосновение в сети IT, расчетная схема.

Полагая Xc/4 >> Ra и Rч >> Ra, можно записать:

	Iк =	4 Uф	,	Uч = Iк Ra.
		Xc

7. Автоматические выключатели

7.1 Определения

Аппаратом защиты называется коммутационный аппарат, автоматически отключающий защищаемую эл. цепь при аномальных режимах. В эл. сетях до 1 кВ наибольшее распространение получили плавкие предохранители, автоматические выключатели и УЗО.

Плавкий предохранитель – электрический аппарат, который вследствие расплавления калибровнных плавких вставок размыкает цепь, в которую он включен.

Автоматический выключатель (автомат) – механический коммутационный аппа-

рат, способный включать, проводить и отключать токи в нормальном режиме, при перегрузках и коротких замыканиях. Воздушный автомат – выключатель, контакты которого находятся в воздухе при атмосферном давлении.

Токограничивающий выключатель (автомат) – выключатель, обеспечивающий отключение тока КЗ в цепи 50 Гц за время менее 0,01 с, за которое ток не успевает достичь ожидаемого ударного значения.

Расцепитель – реле защиты, встроенное в автомат и предназначенное для освобождения его удерживающего механизма с целью отключения. Различают:

-тепловой расцепитель, время срабатывания которого обратно пропорционально току;

-электромагнитный (мгновенный) расцепитель;

-расцепитель тока утечки или дифференциального тока (УЗО в роли расцепителя);

-расцепитель минимального напряжения;

-независимый расцепитель (отключающая катушка).

Автоматический выключатель выполняет все основные функции распределительного устройства, а при использовании вспомогательных элементов может обеспечивать многочисленные дополнительные функции.

Как показано табл.1, автоматический выключатель является единственным коммутационным аппаратом, способным одновременно выполнять все основные функции, необходимые в электроустановке.

Кроме того, за счет применения вспомогательных элементов, он может обеспечить широкий диапазон дополнительных функций таких как: индикация (включено, выключено, отключение при коротком замыкании); измерения; отключение по минимальному напряжению; дистанционное управление и др. Это делает автоматический выключатель основным элементом распределительного устройства для любой электроустановки.

Таблица 7.1.

Рис.7.1. Основные элементы автоматического выключателя.

7.2. Описание

На рис.7.1 схематически показаны основные части низковольтного автоматического выключателя и его четыре основные функции:

-узлы, осуществляющие отключение цепей, включая неподвижные и подвижные контакты и дугогасительную камеру;

-механизм блокировки, который разблокируется расцепителем при обнаружении сверхтоков. Этот механизм также соединен с ручкой управления выключателя.

-исполнительное устройство расцепляющего механизма, которым служит или термомагнитный (комбинированный) расцепитель, где биметаллическая пластина, чувствительная к изменению температуры, обнаруживает перегрузку, а электромагнитный расцепитель срабатывает при уровнях тока, характерных для условий короткого замыкания, или электронное реле, срабатывающее от измерительных трансформаторов тока, установленных по одному на каждой фазе. -место, предусмотренное для размещения контактных зажимов, которые используются для подсоединения проводников силовой цепи.

7.3 Основные характеристики автоматического выключателя

Основными характеристиками автоматического выключателя являются:

-его номинальное напряжение Ue

-его номинальный ток In

-его диапазоны регулировки уровней тока отключения для защиты от перегрузки Ir и защиты от короткого замыкания (Im).

-его отключающая способность при коротком замыкании (Icu – для промышленных автоматических выключателей и Icn – для бытовых автоматических выключателей).

Функция изолирования (разъединения)

Автоматический выключатель пригоден для электрического изолирования цепи, если он удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к разъединителю.

В таком случае его называют автоматическим выключателем - разъединителем и на его фронтальной поверхности наносят маркировку в виде символа .

Номинальное рабочее напряжение (Ue)

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

Для автоматического выключателя устанавливаются и другие значения напряжения, соответствующие более тяжелым условиям :

Номинальное напряжение изоляции (Ui)

Это – величина напряжения, относительно которого выбирается напряжение при испытании электрической прочности изоляции (оно обычно превышает 2 Ui) и определяется длина пути тока утечки.

Максимальная величина номинального рабочего напряжения не должна превышать величины номинального напряжения изоляции, т.е. Uраб макс ≤ Ui.

Номинальное выдерживаемое импульсное напряжение (Uimp)

Этот параметр представляет собой величину импульса напряжения (определенной формы и полярности) в кВ, который рассматриваемое оборудование может выдержать в условиях испытаний без разрушения.

Обычно для промышленных автоматических выключателей Uimp = 8 кВ, для бытовых автоматических выключателей Uimp = 6 кВ.

7.3.1. 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 максимальных температур токоведущих частей.

7.3.2. Наибольшая предельная отключающая способность (Icu или Icn)

Отключающая способность автоматического выключателя – это действующее значение максимального (ожидаемого) тока, который данный автоматический выключатель способен отключить и остаться в работоспособном состоянии. Эта номинальная величина (Icu) для промышленных автоматических выключателей и (Icn) для бытовых автоматических выключателей обычно указывается в кА.

Испытания для подтверждения номинальных отключающих способностей автоматических выключателей регламентируются стандартами и включают:

-коммутационные циклы, состоящие из последовательности операций, т.е. включения и отключения при коротком замыкании,

-определенный 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 типичными 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 таблице2, взятой из стандарта МЭК 60947_2, указаны соотношения между стандартными величинами cos φ для промышленных автоматических выключателей и их отключающей способностью Icu.

После проведения испытательного цикла на Icu "отключение – выдержка времени

-включение - отключение" (два отключения подряд) выполняются проверки, имеющие целью убедиться в том, что такие параметры, как:

-выдерживаемая выключателем диэлектрическая прочность,

-разъединяющая (изолирующая) способность (функция разъединителя),

-правильное срабатывание защиты от перегрузки не ухудшились в результате проведения этого испытания.

7.3.3. Наибольшая рабочая отключающая способность (Ics)

Предельная отключающая способность (Icu) или (Icn) представляет собой действующее значение максимального тока короткого замыкания, который автоматический выключатель может успешно отключить без повреждения. Вероятность возникновения такого тока крайне мала и в нормальных обстоятельствах токи короткого замыкания гораздо ниже номинальной отключающей способности (Icu) автоматического выключателя. С другой стороны важно, чтобы большие токи (имеющие низкую вероятность) выключались бы так, чтобы этот автоматический выключатель был бы сразу готов для повторного включения тока после восстановления поврежденной цепи. Именно по этим причинам для промышленных автоматических выключателей была введена новая характеристика (Ics), выраженная в процентах от Icu: 25, 50, 75 и 100%. Стандартная последовательность испытаний является следующей:

O - ВO - ВO (при токе Ics), т.е. три отключения подряд.

После этого испытательного цикла автоматический выключатель должен находиться в работоспособном состоянии и быть готовым к нормальной эксплуатации.

В Европе обычной практикой в промышленности является Ics =100%, т.е. Ics = Icu.

Номинальная включающая способность (Icm)

Icm – величина максимального мгновенного значения тока (ударного тока), который данный автоматический выключатель может включить при номинальном напряжении в оговоренных условиях эксплуатации. В системах переменного тока эта мгновенное пиковое значение связано с Icu (т.е. с номинальным предельным током отключения) ударным коэффициентом k, зависящим от коэффициента мощности (cosφ) контура короткого замыкания (табл.2).

Таблица 2. Соотношение между наибольшей отключающей способностью Icu и номинальной включающей способностью Icm при разных величинах коэффициента мощности цепи КЗ (стандарт МЭК 60947).

7.3.4. Времятоковые характеристики расцепителей

Весь диапазон токов, которые могут проходить через выключатель разделяется на несколько зон (рис.2):

Рис.2. Время-токовые характеристики автомата.

-IΔn – уставка дифференциального тока (тока утечки);

-Ig – уставка защиты от однофазных замыканий;

-Ir– номинальный ток расцепителя;

-tr – выдержка времени при перегрузке;

-0 – Ir – зона рабочих токов.

-Im – уставка тока селективной отсечки;

-Ir – Im –зона токов перегрузки. Стандартом определены условные токи срабатывания (1,05*Ir) и несрабатывания (1,3*Ir) защиты.

-tsd – выдержка времени селективной отсечки;

-Ii – уставка тока мгновенной отсечки;

-Im – Ii – зона селективной токовой отсечки, предназначенная для селективной защиты от КЗ;

-Icu – предельная отключающая способность;

-Ii – Icu – зона мгновенной токовой отсечки – для мгновенной защиты от больших токов КЗ.

7.3.5Типы расцепителей

-Магнитотермический или комбинированный расцепитель состоит из теплового, с

помощью которого формируется обратно-зависимая часть время-токовой характеристики и электромагнитного, предназначенного для отсечки. Обычно настраивается на заводе – изготовителе и не может быть перестроен в эксплуатации.

-Электронный расцепитель формирует времятоковую характеристику с помощью аналоговой электронной схемы, обычно имеет возможность регулировки в эксплуатации.

-Микропроцессорный (цифровой) расцепитель формирует время-токовую характеристику при помощи программы, заложенной в микропроцессор. Его чаще называют блоком измерения, защиты, контроля и управления, т.к. его функции значительно расширены и дополнительно к управлению отключением включают в себя:

а). Измерение тока, напряжения, мощности, расхода энергии, максиметр мощности; б). Последние отключения (дата, время, ток, напряжение и т.д.); в). Контроль качества электроэнергии (коэффициенты несинусоидальности и гармо-

ники напряжения и тока, коэффициенты несимметрии, Cosφ, ток утечки на землю). г).Логическую селективность; д). Связь с компьютером диспетчера, т.е. работу в составе АСУЭ (состояние, управ-

ление, уставки, измерения, аварийные сигналы и т.п.)

Рис.7.3. Автоматический выключатель «Masterpact»

смикропроцессорным расцепителем «Micrologic»

7.3.6.Категория применения (A или B) и номинальный кратковременно выдерживаемый ток (Icw)

Стандарты МЭК 60947_2 и ГОСТ Р 50030.2 устанавливает две категории низковольтной промышленной коммутационной аппаратуры - A и B.

К категории применения A относятся аппараты, для которых не предусмотрена преднамеренная задержка срабатывания расцепителя мгновенного действия при коротком замыкании (рис.7.4).

Это, как правило, автоматические выключатели, устанавливаемые на средних и низших ступенях схемы.

Кратность тока отсечки Im у автоматов категории А обозначается латинскими буквами.

Бытовые автоматы: «B» - Im = (3 – 5) Ir, «C» - Im = (5 – 10) Ir, «D» - Im = (10 – 20) Ir). Промышленные автоматы: «Z» - Im = 4 Ir, «L» - Im = 8 Ir, «K» - Im = 12 Ir .

К категории B (рис.7.5) относятся аппараты, в которых с целью согласования их с другими последовательно соединенными автоматическими выключателями по времени срабатывания, предусмотрена возможность задержки отключения. При этом протекающий во время задержки ток короткого замыкания должен быть ниже уровня максимально выдерживаемого им кратковременного тока (Icw). Это обычно имеет место в больших автоматических выключателях, установленных на высших ступенях схемы, например во вводном шкафу ТП или на ГРЩ . Ток Icw – максимальный ток, который автоматический выключатель категории B может выдержать термически и электродинамически без получения повреждений в течение периода времени, указанного изготовителем (обычно 1 с). Иногда этот параметр называется допустимым сквозным током КЗ.

Рис.7. 4. Автоматический выключатель	Рис.5. Автоматический выключатель
категории А.	категории В.

7.4. Ограничение тока короткого замыкания, токоограничивающие автоматы

Специальная форма подвижного и неподвижного контактов выключателя приводит к тому, что при протекании большого тока КЗ электродинамическая сила их отталкивания превышает усилие сжимающей пружины, контакты расходятся, сопротивление появившейся дуги ограничивает ток КЗ и затем срабатывает расцепитель, окончательно отключая автомат.

Способность токограничивающего выключателя ограничивать ток короткого замыкания заключается в том, что он может предотвращать протекание максимального ожидаемого тока короткого замыкания и допускать лишь ограниченный ток (рис.6). Ожидаемый ток КЗ - это ток, который протекал бы в цепи при отсутствии токоограничения.

Токоограничение предполагает отключение токов КЗ менее, чем за полупериод переменного тока. Поэтому установившийся ток КЗ не существует и необходимо учитывать только ударный ток КЗ. Ожидаемый ударный ток, как известно, зависит от действующего значения ожидаемого тока КЗ и от отношения X / R цепи КЗ (от Cosφ). Ограниченный ударный ток зависит от степени ограничения тока выключателем, которая приводится изготовителем в виде кривых токоограничения (рис.7).

Рис.7.6. Ожидаемый и фактический токи КЗ.

Рис.7.7. Кривая токоограничения.

Ограничение тока значительно снижает количество тепла, пропорциональное I 2t (рис.8). Например, при снижении ударного тока до 10% от ожидаемого, ко-

личество тепла будет снижено до

1%.

Положительный эффект токоограничения складывается из нескольких составляющих:

- Электромагнитная - снижение электромагнитных помех , могущих вызвать нарушения в работе слаботочных приборов и устройств.

- Тепловая - уменьшение нагрева оборудования и кабелей.

- Механическая - уменьшение электродинамических сил и, следовательно, снижение опасности деформаций и разрушений.

Рис.7.8. Нагрев электроаппаратов и проводников.

7.5. Согласование характеристик автоматических выключателей, каскадирование

Метод каскадирования (filiation – фр) заключается в ограничении тока короткого замыкания с помощью токоограничивающего автоматического выключателя, что позволяет использовать во всех цепях, расположенных ниже места его установки, коммутационные аппараты с гораздо меньшими отключающими способностями и термической и электродинамической устойчивостью (по сравнению с отсутствием токоограничения). Меньшие габариты электрооборудования и сниженные требования к характеристикам приводят к значительной экономии и существенному упрощению монтажных работ. При большой величине тока КЗ токоограничивающий автоматический выключатель разводит контакты и появившаяся дуга увеличивает полное сопротивление цепи КЗ, снижая таким образом ток КЗ.

Место замыкания при этом отключается ближайшим "слабым" автоматом, которому вышерасположенный токоограничивающий автомат "помогает", слегка разводя свои контакты и вновь замыкая их после отключения тока КЗ "слабым" автоматом. Таким образом обеспечивается селективность работы защиты.

Большинство национальных стандартов допускают применение метода каскадного включения коммутационных аппаратов при условии, что количество энергии, проходящей через токоограничивающий автоматический выключатель, меньше