Электроснабжение промышленных предприятий Абрамова Е.Я

4 Выбор защитных аппаратов цеховой сети

4.1 Выбор и проверка электрических аппаратов выше 1000 В

Электрические аппараты работают в условиях эксплуатации в трех основных режимах: в длительном режиме, в режиме перегрузки и в режиме короткого замыкания.

Аппараты и проводники первичных цепей должны удовлетворять следующим требованиям:

-соответствию окружающей среды и роду установки;

-необходимой прочности изоляции для надежной работы в длительном режиме и в при кратковременных перенапряжениях;

-допустимому нагреву токами длительных режимов;

-стойкости в режиме короткого замыкания;

-технико-экономической целесообразности;

-достаточной механической прочности;

-допустимым потерям напряжения в нормальном и послеаварийном режимах;

-допустимым потерям на коронирование для проводников напряжением 35 кВ и выше.

Изоляция аппаратов и проводников соответствующего рабочего напряжения может быть нормальная и облегченная. Для выбора целесообразного вида изоляции необходимо учитывать род установки (в помещении, на открытом воздухе, в земле, в воде), температуру окружающей среды, влажность и загрязненность ее, высоту установки оборудования над уровнем моря.

Все номинальные параметры аппаратов, приводимых в справочниках, со-

ответствуют температуре окружающей среды θ0 ≤ 400 C и среднесуточной

θ0СР. ≤350 C . Высота над уровнем моря не больше 1000 м.

Каппаратам напряжением выше 1000 В относятся разъединители, плавкие предохранители, короткозамыкатели, отделители высоковольтные выключатели, выключатели нагрузки и т.д.

Набор высоковольтных аппаратов определяется схемой подключения цеховой трансформаторной подстанции.

4.1.1 Выбор высоковольтных выключателей

При передаче и распределении электрической энергии напряжением выше 1000 В включение, отключение и переключение электрических цепей производится под нагрузкой. Эти операции выполняются при помощи выключателей.

Выключатель должен включать и отключать токи как в нормальном, так и в аварийном режимах работы электроустановки, которые сопровождаются обычно большим увеличением токов. Следовательно, выключатель является наиболее ответственным элементом распределительного устройства.

Выключатели выбирают по номинальным значениям напряжения и тока, роду установки и условиям работы, конструктивному выполнению и коммутационной способности. Выбранные выключатели проверяют на стойкость при сквозных токах короткого замыкания.

1	Выбор выключателя по номинальному напряжению:
	Uном ≥Uном.с .	(25)
2	По току продолжительного режима:
	Iном ≥ I расч,	(26)

где в качестве расчетного тока продолжительного режима принимают ток послеаварийного режима.

3 По отключающей способности:

Iном.откл ≥ Iпτ ,

(27)

где Iпτ - действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания в момент расхождения контактов выключателя.

4 По термической стойкости:

I 2	t	терм	≥ B ,	(28)
терм			к

где Bк- расчетный тепловой импульс тока КЗ;

Iтерм. - предельный ток термической стойкости, равный предельному току отключения выключателя;

tтерм.- время протекания тока термической стойкости.

5 По электродинамической стойкости:

iдин. ≥iуд.,

(29)

где iдин.- ток динамической стойкости по каталогу;

iуд.- ударный ток трехфазного КЗ расчетный.

В распределительных устройствах 6-10 кВ применяют маломаслянные подвесные выключатели, а также элегазовые, вакуумные и другие выключатели.

Паспортные данные всех видов выключателей помещены в /2, 13, 14/.

4.1.2 Выбор выключателей нагрузки и предохранителей

В комплектных трансформаторных подстанциях (КТП) в шкафах ввода напряжения применяются выключатели нагрузки. Выключатели нагрузки способны отключать рабочие токи линий, трансформаторов и других электроприемников.

Основные условия выбора выключателей нагрузки те же, что и для силовых выключателей, но при проверке выключателя нагрузки по току отключения за расчетный принимается ток форсированного режима, а не ток К З

Для отключения токов к.з. последние комплектуются кварцевыми предохранителями ПК. Такой комплект получил название ВКП (ранее ВНП).

Аппараты ВКП можно применять для присоединения трансформаторов мощностью до 1600 КВА, батареи конденсаторов до 400 КВар, электродвигателей 3 - 6 кВ мощностью 600 - 1500 кВт.

Рекомендуется установка выключателя нагрузки после предохранителя. Если при отключении выключателя нагрузки возникнут неполадки, то предохранители мгновенно отключат данную линию и возникшая авария ограничится пределами только данной камеры и не распространится на все распредустройство.

Предохранители автоматически отключают цепь при токах к.з. и перегрузках. Ценными свойствами предохранителей являются простота устройства, относительно малая стоимость, быстрое отключение поврежденной цепи, способность их ограничивать ток к.з.

Предохранители выбирают по конструктивному выполнению, номинальным значениям тока и напряжения, предельному отключаемому току, роду установки. Выбранные предохранители проверяют на стойкость при сквозных токах к.з. Наибольшая допустимая температура нагрева частей предохранителя в длительном режиме θ0 MAX . =1050 C .

1 Выбор предохранителей по номинальному напряжению:

	Uном. =Uном.с .	(30)
2	По току продолжительного режима:
	Iном. ≥ I расч .	(31)
3	По отключающей способности:
	Iном.откл. ≥ Iп0 ,	(32)

где Iп0 - действующее значение периодической составляющей тока к.з в начальный момент.

При выборе предохранителей следует обратить внимание на то, что их можно применять лишь в сетях и электроустановках с напряжением соответствующим номинальному напряжению предохранителя.

Паспортные данные выключателей нагрузки и предохранителей приво-

дится в /2, 13, 14/.

4.1.3 Выбор разъединителей

Разъединители используются в системах электроснабжения для отключения и включения цепей без тока.

Разъединители создают необходимый видимый разрыв электрической цепи, требуемый условиями эксплуатации электроустановок.

Разъединители выбирают по конструктивному исполнению, номинальным значениям напряжения и тока, роду установки, стойкости к токам к.з.

1 По номинальному напряжению:

Uном. ≥Uном.с .						(33)
2 По току продолжительного режима:
	Iном.		≥ I расч.			(34)
3 По термической стойкости:
I 2		t	терм	≥ B .		(35)
терм					к
4 По электродинамической стойкости:
iдин. ≥iуд.						(36)
Паспортные данные разъединителей приведены в /2, 13, 14/.

4.2 Выбор защитных аппаратов в сетях до 1000 В

В сетях напряжением до 1 кВ защиту выполняют плавкими предохранителями и расцепителями автоматических выключателей.

Во всех случаях, когда не требуется автоматического восстановления питания, рекомендуется применять предохранители с наполнителем с рубильником или блок “предохранитель - выключатель” (БПВ).

Плавкий предохранитель предназначен для защиты ЭП от токов КЗ и перегрузок.

Выбор предохранителей производится по нескольким условиям. 1 По номинальному напряжению:

Uном. =Uном.с .

(37)

2 По номинальному току:

Iном. ≥ I расч .

(38)

3 Номинальный ток предохранителя должен быть не меньше тока плавкой вставки.

Iном. ≥ Iвст.ном .

(39)

4 Плавкую вставку для инерционных предохранителей выбирают по длительно допустимому току линии:

Iвст.ном. ≥ Iдоп,

(40)

где Iвст.ном – номинальный ток плавкой вставки (калиброванное значение по справочным данным), А.

5 Для безинерционных предохранителей вставка выбирается с учётом следующих условий:

Iвст.ном. ≥ I расч;

(41)

Iвст.ном. ≥ КIпуск , (42) пер

где Iпуск – пусковой ток ЭП (для группы электродвигателей вместо пускового тока принимают пиковый ток), А;

Кпер – коэффициент перегрузки, учитывающий превышение тока двигателя сверх номинального значения в режиме пуска и принимаемый 1,6 - 2 для тяжёлых и 2,5 для лёгких условий пуска.

6 При защите электродвигателей ответственных механизмов, ток вставки выбирают по выражению

	Iвст.ном. ≥	Iпуск	(43)
		1,6

независимо от условий пуска электродвигателей.

7 Номинальный ток плавкой ставки для защиты ответвления, идущего к сварочному аппарату, выбирается из соотношения:

Iвст.ном. =1,2 Iсв.ном ПВ,

(44)

где Iсв.ном – номинальный ток сварочного аппарата при номинальной продолжительности включения, А;

ПВ – продолжительность включения сварочного аппарата в о.е.

8 Предохранители должны быть проверены на допустимый нагрев при протекании сквозных токов КЗ по условию:

Iвст.ном. ≤3 Iдл.доп ,

(45)

где Iдл.доп. – длительно допустимый ток провода или кабеля, защищаемого предохранителем, А.

9 С другой стороны следует проверить, чтобы выбранный предохранитель не являлся ограничителем пропускной способности выбранного сечения проводника по условию:

Iвст.ном. ≥ Iдл.доп

(46)

то есть

Iдл.доп ≤ Iвст.ном. ≤3 Iдл.доп

(47)

10 Предохранители должны быть проверены по чувствительности действия к токам КЗ – по коэффициенту чувствительности Kч, к 3-х фазным токам КЗ и к однофазным токам КЗ:

I (3)

Кч(3) = кз.min ≥1,5 (48)

Iвст.ном.

I (1)

Кч(1) = кз.min ≥3 (49)

Iвст.ном.

где Iкз(3.)min	= (0,8 −0,9)Iкз(3)	, кА;
Iкз(3.)min	= (0,8 −0,9)Iкз(3)	, кА.

Пример выбора предохранителей приведен в приложении В.

Наряду с плавкими предохранителями в установках напряжением до 1 кВ применяют автоматические воздушные выключатели, которые выпускаются с расцепителями трёх видов:

а) тепловым с обратно зависимой от тока нагрузки выдержкой времени;

б) электромагнитным, осуществляющим мгновенное отключение выключателя при токах КЗ, больших тока уставки;

в) комбинированными, имеющими тепловой и электромагнитный элементы.

Автоматы выпускаются также с полупроводниковыми расцепителями, на которых имеется:

а) зона регулирования тока при нагрузке с установкой тока трогания и регулированием времени срабатывания 4, 8, 16 с;

б) зона регулирования при КЗ с установкой тока трогания (3-10) Iном и регулированием времени срабатывания 0,1; 0,25; 0,4 с. Электромагнитный расцепитель при этом отсутствует.

Автоматические выключатели включают вручную или электродвигательным приводом.

1 Выбор автоматических выключателей производится по условиям:

Uном. ≥Uном.с ;

Iном. ≥ I расч ;	(50)
Iоткл.ном. ≥ Iп0 .

2 Номинальный ток расцепителя любого типа выбирается по расчётному току из условий:

Iср.т. р. ≥ I расч ;

(51)

Iср.э. р. ≥ I расч ,

где Iср.т.р. - номинальный ток теплового расцепителя, кА;

Iср.э.р. - номинальный ток электромагнитного расцепителя, кА.

3 Номинальный ток для комбинированных расцепителей выбирается по соотношению:

Iср.э. р. ≥ Кзащ Iпуск ,

(52)

где Kзащ – коэффициент защиты определяется по таблице В1.

4 Найденные значения Iср.т.р. и Iср.э.р. округляются до стандартных значений (указываются в справочной литературе /3, 8, 14/.

На промышленных предприятиях рекомендуются к установке автоматические выключатели серий АВМ, “Электрон”, А-3700, АЕ-2000, ВА и др.

5 При определении токов срабатывания расцепителей должны быть учтены коэффициенты разброса Kр и надёжности Кн, которые могут быть взяты сле-

дующими: Kр = 1 - 1,1; Кн = 1,1 - 1,3;

Iср.т. р. ≥ Кр Кн I расч ;

(53)

Iср.э. р. ≥ Кр Кн Iпуск .

Токи тепловых и электромагнитных расцепителей округляются до ближайших стандартных значений.

6 Автоматы также должны быть проверены по чувствительности к токам

КЗ:

I (3)

Кч(3) = кз.min ≥1,5 ;

Iср.э. р.

(54)

I (1)

К(1) = кз.min ≥3 .

ч Iср.э. р.

7 Сечения проводов, защищаемых автоматами, должны быть проверены по условию:

Iдл.доп ≤ Iср.э. р. ≤ 4,5 Iдл.доп .

(55)

8 Для автоматов с нерегулируемой характеристикой:

Iср.т. р. ≤ Iдл.доп .

(56)

9 Для автоматов с регулируемой характеристикой:

Iср.т. р. ≤1,25 Iдл.доп .

(57)

10 Автоматические выключатели также должны быть проверены на динамическую стойкость по условию:

iдин ≤iуд .

(58)

Примеры выбора автоматических выключателей приведены в приложении К.

5 Построение карты селективности

Проблемой защиты сетей напряжением до 1 кВ является обеспечение селективности защиты. Число ступеней защиты должно быть не более 2 или 3: ответвление к ЭП, к распределительному шкафу или шинопроводу и главная магистраль.

Для проверки селективности защиты в установках напряжением до 1 кВ строится карта селективности защиты.

Предварительно составляется расчётная схема установки трёхступенчатой защиты (рисунок 6), для которой определяется расчётные, пиковые токи и токи КЗ в указанных точках.

М – асинхронный двигатель; СП – силовой пункт;

Q1, Q2, Q3 – защитные аппараты (выключатели или предохранители); К1, К2, К3 – точки КЗ.

Рисунок 6 - Расчётная схема селективной защиты в установках до 1000 В

Карта селективности, рисунок 7, строится в логарифмическом масштабе: по оси абсцисс откладываются токи – расчетные, пиковые и токи КЗ; по оси ординат – времена продолжительности пиковых токов и времена срабатывания защит по защитным характеристикам.

Пусковой ток небольших двигателей изображается в виде прямоугольника вследствие того, что при сжатии масштаба времени постепенное снижение пускового тока можно заменить горизонтальной линией. Аналогично изображается и пиковый ток в линии, подходящей к силовому пункту – прямоугольником, переходящим в расчётный ток этой линии.

1- номинальный ток двигателя; 2- пусковой ток двигатели; 3 - максимальный ток питания силового пункта СП; 4 - пиковый ток силового пункта СП; 5,6 и 7 - токи к.з. в точках K1, K2 и КЗ; 8 — характеристика плавкой вставки 80 А; 9 - характеристика плавкой вставки 200 А; 10 - характеристика автомата АЕ2000 с расцепителем 30 А; 11характеристика автомата АВМ4 с расцепителем типа 2 200 А; 12 - характеристика автомата АВМ20 с расцепителем типа 2 2000 А; 13 - то же, с расцепителем типа 3 2000 А.

Рисунок 7 – Карта селективности защиты в установках до 1000 В.

Карта селективности на рисунке 7 представлена в двух вариантах: на шинах подстанции и на СП могут устанавливаться как автоматы (Q1 и Q3), так и предохранители, на выходе трансформатора всегда устанавливаются подстанционные автоматы.

При токах КЗ в точках К3 и К2 защита должна работать селективно с необходимыми интервалами времени при отказе защиты нижней ступени. При защите предохранителей на двух ступенях автомат трансформатора может иметь независимую выдержку времени не более 0,25 с. При защите автоматами Q2 должен иметь выдержку времени 0,25 с, а Q3 – 0,4 с.

Дальнейшее увеличение выдержки времени нежелательно вследствие утяжеления работы электрооборудования при затянувшемся КЗ и по условиям