Руководство по устройству электроустановок - Защита цепей

G - Защита цепей
1 Общие положения

Элементы электрической сети и их защита определяются с учетом удовлетворения всех нормальных и аварийных эксплутационных ограничений
1.1 Методика и определение
Методика (см. Рис. G1)
После предварительного анализа потребляемой мощности установки, который описан в главе В пункт 4, проводится изучение кабельной сети* и её электрической защиты, начиная от источника, через промежуточные ступени к конечным цепям.
Кабельная сеть и ее защита на каждом уровне должны удовлетворять одновременно нескольким условиям, с целью обеспечения безопасности и надежности установки, например, сеть:
Должна проводить длительно ток полной нагрузки и нормальные кратковременные токи перегрузки.
Не должна вызывать падений напряжения, способных привести к низкой производительности при определенных нагрузках, например: чрезмерно долгий разгон двигателя и т.д.
Более того, защитные устройства (автоматические выключатели или предохранители) должны:
Защищать кабельные сети и шины от токовых перегрузок любой величины, включая токи короткого замыкания
Обеспечивать защиту персонала от опасности косвенного прикосновения, в особенности, в системах заземления TN и IT, где длина цепи может ограничивать величину токов короткого замыкания, таким образом, задерживая автоматическое отключение (нужно помнить, что установки с системой заземления TT обязательно защищены на входе устройством дифференциальной защиты (УЗО ), обычно на номинальный ток 300 мА).
G2
Площади поперечного сечения проводов определяются по общему методу, описанному в подпункте 1.2 текущей главы. Кроме этого метода, некоторые национальные стандарты могут предписывать минимальное значение площади поперечного сечения, которое необходимо соблюдать с целью обеспечения механической стойкости. Определенные нагрузки (как указывается в главе М) требуют, чтобы питающий их кабель имел увеличенное сечение, и чтобы защита цепи была необходимым образом модифицирована.

*Термин «кабельная сеть» в данной главе подразумевает все изолированные провода, включая многожильные и одножильные кабели и изолированные провода, проложенные в трубах, и т.д.

Рис. G : Логическая схема для выбора сечения кабеля и защитного устройства для заданной цепи.

Определения
Максимальный ток нагрузки: Ib
На последнем уровне цепи, этот ток соответствует номинальной мощности нагрузки. В случае запуска двигателя или других нагрузок, при которых возникает большой начальный бросок тока, в особенности там, где происходит быстрый запуск (напр. двигатели лифтов, точечная сварка и т.д.), должно быть учтено суммарное тепловое действие токовых перегрузок. Этому воздействию подвергаются как кабели, так и тепловые реле.
На всех верхних уровнях цепи этот ток соответствует полной потребляемой мощности, с учетом коэффициентов одновременности (разновременности) и использования, ks и ku соответственно, как показано на Рис G2.

Рис. G .' Расчет максимального тока нагрузки Ib
Максимально допустимый ток: Iz
Это максимальный ток, который кабель может проводить неограниченно долго, без снижения его номинального срока службы.
Ток для данного сечения проводов зависит от нескольких параметров:
Тип кабеля и кабелепровода (проводники из меди или алюминия; изоляция из поливинилхлорида или пропилена и т.д.; количество активных проводников)
Температура окружающей среды
Способ монтажа
Влияние соседних цепей
Токовые перегрузки
Токовая перегрузка возникает каждый раз, когда величина тока превышает максимальное значение тока нагрузки Ib.
Этот ток необходимо отключать за кратчайшее время, которое зависит от его амплитуды, чтобы не допустить неустраняемое повреждение кабеля (и оборудования, если токовая перегрузка вызвана неисправным элементом нагрузки).
Однако токовые перегрузки относительно короткой продолжительности могут возникать во время нормальной работы; различают два типа токовых перегрузок:
Перегрузки
Эти токовые перегрузки могут возникать в исправных электрических цепях, например, из-за ряда небольших кратковременных нагрузок, случайно возникающих время от времени; нагрузки при запуске двигателя и т.д. Если любое из этих условий будет продолжаться дольше заданного времени (в зависимости от настроек защитных реле и параметров предохранителей), цепь будет автоматически отключена.
Токи короткого замыкания
Эти токи являются результатом пробоя изоляции между проводами под напряжением или/и между проводами под напряжением и землей (в системах с нейтральным проводом, заземленным через низкое сопротивление) в любой комбинации, а именно:
Короткое замыкание 3х фаз (и с нейтралью и/или землей, или нет)
Короткое замыкание 2х фаз (и с нейтралью и/или землей, или нет)
Короткое замыкание 1й фазы с нейтралью (и/или с землей)
1.2 Принципы защиты от токовых перегрузок
Защитное устройство установлено на входе рассматриваемой цепи (см. Рис. G3 и Рис. G4).
Срабатывает на отключение тока за время, меньшее, чем определяемое характеристикой I2t кабеля.
Но допускает протекание максимального тока нагрузки Ib неограниченно долго Характеристики изолированных проводов, когда по ним текут токи короткого замыкания, для промежутка времени до 5 секунд после возникновения короткого замыкания, могут быть приблизительно определены по формуле:
I2t = k2 S2, которая показывает, что допустимое количество вырабатываемого тепла
пропорционально квадрату площади поперечного сечения провода,
где
t: Продолжительность тока короткого замыкания (секунды)
S: Величины изолированного проводника (мм2)
I: Ток короткого замыкания (А, среднеквадр. значение)
k: Постоянная изолированного провода (значения k2 приведены на Рис^54)
Для данного изолированного провода, максимально допустимый ток изменяется в зависимости от
окружающей среды. Например, при высокой температуре окружающей среды (9a1 > 9a2), Iz1
меньше чем Iz2 (см. Рис. G5). 8 означает «температура».
Примечание:
Isc означает ток 3х-фазного короткого замыкания
Iscb означает номинальный ток отключения автоматического выключателя в режиме 3х-фазного короткого замыкания.

Рис. G : Защита цепи предохранителями
Ir (или Irth) означает регулируемую «номинальную» величину тока; например, автоматический выключатель на номинальный ток 50 А может быть отрегулирован на защитный диапазон, т.е. на стандартный уровень отключения при токовой перегрузке (см Рис. G6 на оборотной стороне листа), подобный диапазону автоматического выключателя на 30 А.
1.3 Практические значения для схемы защиты
Следующие методы основаны на правилах, изложенных в стандартах МЭК, и используются на практике во многих странах.
Общие правила
Защитное устройство (автоматический выключатель или предохранитель) работает исправно, если:
Его номинальный ток или ток уставки In больше, чем ток максимальной нагрузки Ib, но меньше, чем максимально допустимый ток Iz для цепи, т.е. Ib у In У Iz, что соответствует зоне «а» на Рис. G6
«Стандартная» уставка его тока отключения I2 меньше, чем 1.45 Iz, что соответствует зоне «b» на Рис. G6
G4

Рис. G : Защита цепи автоматическим выключателем
«Стандартная» уставка времени отключения может быть 1 или 2 часа, согласно местным стандартам и фактическому значению, выбранному для I2. Для предохранителей, I2 - это ток (обозначаемый как Ir), при котором предохранитель сработает со стандартной выдержкой времени.

Рис. Gi: Характеристика I2t изолированного провода для двух различных температур окружающей среды
о

Рис. в1: Величины тока для определения характеристик автоматического выключателя или предохранителя
Критерии для предохранителей: IB y In y Iz/k3 и ISCF u ISC.
Критерии для автоматических выключателей: IB y In y Iz и ISCB u ISC.

На практике такое расположение обычно используется в:
Соединении автоматических выключателей/предохранителей
Способ соединения, известном как «каскадное включение» или «режим последовательного включения», в котором высокие показатели по ограничению тока некоторых автоматических выключателей эффективно снижают серьезность коротких замыканий ниже по цепи. Возможные комбинации, которые были испытаны в лабораториях, указаны в соответствующих каталогах производителя.

Защитное устройство, в общем случае, необходимо на входе каждой цепи

Рис. G7: Расположение защитных устройств
Расположение защитных устройств
Общее правило (см. Рис. G7a)
Защитное устройство необходимо на входе каждой цепи, где возникает снижение допустимой величины максимального тока.
Возможные варианты расположения в определенных
обстоятельствах (см. Рис. G7b)
Защитное устройство может располагаться не в начале цепи:
Если AB не имеет поблизости горючих материалов, и
Если на уровнях сети ниже АВ нет розеточных подключений или ответвлений сети На практике могут использоваться три случая:
Случай (1) на схеме
AB У 3 метра, и
AB установлен с целью уменьшить до практического минимума риск возникновения короткого замыкания (например, провода в толстостенной стальной трубе)
Случай(2)
Устройство P1 на верхнем уровне защищает участок АВ от коротких замыканий в соответствии с подпунктом 5.1
Случай (3)
Устройство защиты от перегрузки (S) установлено рядом с нагрузкой. Такое расположение удобно для цепей двигателей. Устройство (S) осуществляет защиту и управление (пуск/ останов) и защиту от перегрузки двигателя, а (SC) представляет собой либо автоматический выключатель (спроектированный для защиты двигателя), либо предохранители типа M.
Защита от короткого замыкания (SC), расположенная на входе цепи, соответствует принципам, изложенным в подпункте 5.1
Цепи без защиты (см. Рис. G7c )
Либо
Защитное устройство P1 калибровано для защиты кабеля S2 от перегрузок и коротких замыканий
Или
Там, где отключение цепи может вызывать опасность, например:
Цепи возбуждения вращающихся машин
Цепи больших подъемных электромагнитов
Вторичные цепи трансформаторов тока
Отключение цепей не допускается, поэтому защита кабеля имеет второстепенное значение.
Параллельное соединение проводов
Провода одинакового сечения, одинаковой длины и из одинакового материала могут быть соединены параллельно.
Максимально допустимый ток равен сумме максимальных токов каждого отдельного провода в жиле, с учетом явления взаимного нагрева, способа монтажа и т.д. Защита от перегрузок и коротких замыканий аналогична защите однопроводных цепей.
Необходимо принять следующие меры предосторожности во избежание опасности возникновение коротких замыканий параллельно соединенных кабелей:
Дополнительная защита от механических повреждений и влаги, путем введения дополнительных защит
Кабельная трасса не должна проходить в непосредственной близости от горючих материалов.

1.6 Пример расчета кабеля (см. Рис. G8)
Установка получает питание от трансформатора мощностью 1000 кВА. Процесс требует высокой степени надежности питания, что обеспечивается установкой резервного генератора мощностью 500 кВА, 400 В и выбором 3х-фазной 3х-проводной системы заземления IT на главном общем распределительном щите. Остальная часть установки изолирована трансформатором мощностью 400 кВА, 400/400 В. Изолированная сеть заземлена по 3х- фазной 4х-проводной системе ТТ. Однолинейная схема данной сети приведена ниже на Рис. G8, она представляет собой результаты компьютерных расчетов цепи С1, автоматического выключателя Q1, цепи С6 и автоматического выключателя Q6^™ расчеты выполнялись с помощью программы ECODIAL 3.3 (продукт компании Merlin Germ).
Далее приведены те же самые расчеты, выполненные по методу, описанному в данном руководстве.

Рис. GI: Пример схемы соединений

Расчет с использованием программы Ecodial 3.3

1. Его номинальный ток отключения для тока Зх-фазного КЗ больше, чем ток Зх-фазного короткого замыкания, существующий в месте его установки. Этому соответствует зона «с» на Рис. G6.

Применения

1. Защита автоматическим выключателем

Благодаря высокому уровню точности ток I2 всегда меньше, чем 1.45 In (или 1.45 Ir), поэтому условие I2 y 1.45 Iz (как указано выше в «общих правилах») будет всегда выполняться.

1. Частный случай

Если сам автоматический выключатель не защищает от перегрузок, необходимо, чтобы, во время наименьшего значения тока короткого замыкания, была обеспечена исправная работа устройства максимальной токовой защиты, защищающего цепь. Этот частный случай рассмотрен в подпункте 5.1.

1. Защита предохранителями

Условие I2 y 1.45 Iz должно быть также учтено, где I2 - ток перегорания предохранителя (уровень перегорания), равный k2 x In (k2 лежит в пределах от 1.6 до 1.9) в зависимости от конкретного предохранителя.
k2
Добавочный коэффициент кз был введен (кз = 1-45) с тем, чтобы условие I2 y 1.45 Iz выполнялось при In y Iz/кЗ. Для предохранителей типа gG: In < 16A ^ кЗ = 1.31 In u 16A ^ кЗ = 1.10
Более того, отключающая способность тока короткого замыкания предохранителя ISCF должна превышать величину тока при Зх-фазном коротком замыкании в месте установки предохранителя(ей).

1. Комбинация различных защитных устройств

Использование защитных устройств, отключающая способность которых ниже, чем фактические, существующие в месте их установки, разрешено МЭК и многими национальными стандартами при выполнении следующих условий:

1. На верхнем уровне цепи существует другое защитное устройство, которое имеет необходимые параметры срабатывания при коротких замыканиях, и
2. Ток и время срабатывания этого устройства, т.е. количество передаваемой энергии (I2t), поступающей в расположенную за ним установку (устройства защиты, кабели, оборудование), должно быть меньше того, что может выдержать оборудование защищаемой установки.

Рис. G9: Неполные результаты расчета, выполненного с помощью программы Ecodial (Merlin Gerin)
Такой же расчет с использованием упрощенного метода, рекомендуемого в данном руководстве Определение параметров цепи C1
Понижающий трансформатор мощностью 1000 кВА. имеет номинальное напряжение холостого хода 420 В. Цепь C1 должна быть способна проводить ток, равный:

Для каждой фазы будут использованы шесть параллельно соединенных одножильных кабелей с медными жилами, с изоляцией из поливинилхлорида. Эти кабели укладываются в кабельные лотки в соответствии с буквенным кодом F, характеризующим способ монтажа. Поправочные коэффициенты «K» имеют следующие значения: k1 = 1 (см. табл. G15, температура = 30 °C) k4 = 0.87 (см. табл. G20)
Прочие поправочные коэффициенты не относятся к данному примеру. Откорректированное значение тока нагрузки составит:

Таким образом, каждый провод будет проводить 263 А. На Рис. G23 видно, что нужна площадь поперечного сечения 95 мм2.

Активные и реактивные сопротивления шести проводов, соединенных параллельно, для участка длиной 5 метров:
= 0.20 мОм (сопротивление кабеля: 22,5 мОм.мм2/м) X = 0.08 x 5 = 0.40 мОм (реактивное сопротивление кабеля: 0,08 мОм/м) Определение параметров цепи C6
Цепь С6 питает 3х-фазный разделительный трансформатор мощностью 400 кВА, 400/400 В. Ток первмчной обмотки == 550 A
Предлагается использовать одножильный кабель, уложенный в кабельный лоток (без каких-либо других кабелей) при температуре окружающей среды 30 °С. Автоматический выключатель отрегулирован на 560 А.
Способ монтажа характеризуется соответствующей буквой F, все поправочные коэффициенты «K», равны единице.
Подходящей площадью поперечного сечения является 240 мм2. Активное и реактивное сопротивления соответственно равны:
= 1.4 мОм X = 0.08 x 15 = 1.2 мОм
Расчет токов короткого замыкания для выбора автоматических выключателей Q1 и Q 6 (см. Рис. G10)

Защитный провод
Требования по термической стойкости: На Рис. G60 и G61 показано, что при использовании адиабатического метода, площадь поперечного сечения защитного заземляющего провода (PE- провода) для цепи С1 будет равна:

Рис. G1 : Пример вычисления тока короткого замыкания
Таким образом, один провод площадью поперечного сечения 120 мм2, размеры которого рассчитаны согласно правилам, указанным ниже, подходит с большим запасом, при условии, что он удовлетворяет требованиям защиты от непрямого контакта (т.е. имеет достаточно низкое сопротивление).
Для цепи C6, площадь поперечного сечения её заземляющего провода должна быть:

В этом случае подходит провод площадью поперечного сечения 95 мм2, при условии, что также удовлетворяются условия защиты от косвенного прикосновения.
1 Общие положения
Защита от опасности косвенного прикосновения
Для цепи C6 на Рис. G8, Рис. F45 и F61, формула, приведенная на стр. F27 может быть использована для 3х-фазной 3-х проводной цепи. Максимально допустимая длина цепи определяется как:

(Значение произведения в знаменателе 630 x 11 = Im, т.е. величина тока, при котором происходит незамедлительное срабатывание электромагнитного расцепителя автоматического выключателя на 630 A при коротком замыкании). Таким образом, все 15 метров длины полностью защищены устройствами максимальной токовой защиты «мгновенного действия».
Падение напряжения
На Рис^29 можно видеть, что: ■ Для кабеля C1 (6 x 95мм2 на фазу)

G - Защита цепей
На клеммах разделительного (НН/НН) трансформатора падение напряжения, выраженное в процентах, равно AU% = 0.72%