Руководство по устройству электроустановок - Частные случаи тока короткого замыкания

Если защитное устройство должно защищать только от коротких замыканий, нужно удостовериться, что оно будет действовать при самом низком возможном уровне тока короткого замыкания, возникающего в цепи.
5.1 Расчет минимальных величин тока короткого замыкания
Обычно, в цепях с низким напряжением, одно защитное устройство защищает ото всех уровней токов, от порогового уровня перегрузки до максимального уровня тока короткого замыкания, при котором происходит отключение. В некоторых случаях, однако, используются отдельно защитное устройство от перегрузки и защитное устройство от короткого замыкания.
Примеры таких устройств
Рисунки с G42 по G44 показывают наиболее распространенные устройства, где защита от перегрузки и от коротких замыканий выполняется разными устройствами.

Рис. G4 : Цепь защищена плавкими предохранителями aM
Как показано на Рисунках G42 и G43, наиболее часто цепи, в которых используются отдельные устройства, защищают двигатели.
На рисунке G44a представлено еще одно отклонение от основных правил защиты, которое чаще всего используется для магистральных шин и для шин освещения.
Регулируемый привод

Рис. G4 : Защита цепи выключателем без реле тепловой защиты

Рис. G44i: Автоматический выключатель D обеспечивает защиту от коротких замыканий, с учетом нагрузки
Рисунок G44b показывает функции, обеспечиваемые регулируемым приводом, и при необходимости, некоторые дополнительные функции, выполняемые такими устройствами, как выключатель цепи, термореле, УЗО.

Рис. G44 : Защита, которая должна быть обеспечена для устройств регулируемого привода

Защитное устройство должно удовлетворять следующим условиям:
уставка мгновенного отключения Im < 1эсшн при защите цепи автоматическим выключателем;
ток плавления Ia < 1всмин при защите цепи плавкими предохранителями.
Условия, которые должны быть учтены
Таким образом, защитное устройство должно удовлетворять следующим двум условиям:
Номинал тока отключения короткого замыкания Its > Isc, тока 3-фазного короткого замыкания в точке его возникновения в цепи установки

Отключение минимально возможного тока короткого замыкания в цепи, за время tc, совместимое с параметрами термической стойкости проводов в цепи, где:

Сравнение кривых отключения или плавки защитных устройств с предельными кривыми термической стойкости для проводов показывает, что это условие соблюдено, если:
Isc (мин.) > Im (ток уставки автоматического выключателя для мгновенного или с незначительной выдержкой отключения цепи), (см. Рис. G45)
G34
Isc (мин.) > la при защите плавкими предохранителями. Значение тока Ia соответствует точке пересечения кривой плавкого предохранителя и кривой термической стойкости кабеля (см. Рис. G46 и G47)

На практике это означает, что длина цепи вниз по сети от защитного устройства не должна превышать вычисленную максимальную длину.

Практический способ вычисления Lmax
Должно быть рассчитано предельное влияние полного сопротивления проводов в длинной цепи на значение токов короткого замыкания, и в соответствии с этим должна быть ограничена длина цепи.
Метод вычисления максимально допустимой длины уже был показан на схемах заземления TN и IT для единичных и двойных замыканий на землю соответственно (см. главу F подпункт 6.2 и 7.2). Два случая рассмотрены ниже:
1 - вычисление Lmax для 3-фазной 3-проводной цепи
Минимальный ток короткого замыкания появляется тогда, когда возникает КЗ между двумя фазовыми проводами в удаленном конце цепи (см. рис. G48).

Рис G4 : вычисление длины для 3-фазной 3-проводной цепи
При использовании «традиционного метода» принимается, что напряжение в точке защиты Р составляет 80% номинального напряжения во время короткого замыкания, таким образом 0,8 U = Isc Zd, где:
Zd = полное сопротивление петли тока КЗ Isc = ток КЗ (фаза/фаза) U = междуфазное номинальное напряжение
Для кабелей сечением У120 мм , реактивное сопротивление можно не учитывать, таким образом  где:
р = удельное сопротивление меди*1' при средней температуре во время короткого замыкания и
Sph : сечение фазового провода в мм2 L = длина в метрах
Защита кабеля обеспечивается при Im J Isc, где Im - уставка тока срабатывания автоматического выключателя (автомата).
В результате ^
где U = 400 В
р = 1,25 x 0,018 = 0.023 Ом.мм2/м(3) Lmax - максимальная длина цепи в метрах.

2 - Вычисление Lmax для 3-фазной 4-проводной цепи на 230/400 В
Минимальное значение Isc имеет место, когда замыкание происходит между проводами «фаза» и «ноль»
Необходимо вычисление, сходное с приведенным в примере 1, но с использованием следующей формулы (для кабеля У120 мм2 (3)).

■ Где Sn для нейтрального провода = Sph для фазового провода

Для больших сечений, чем те, которые перечислены в таблице, значение реактивного сопротивления должно быть сложено со значением активного сопротивления, чтобы получить полное сопротивление. Реактивное сопротивление кабелей может быть принято равным 0,08 мОм/м (при 50 Гц). При 60 Гц эта величина равна 0,096 мОм/м.

Приведенные в таблице значения Lmax
На Рис. G49 приведены максимальные длины цепей (Lmax) в метрах для:
3-фазных 4-проводных цепей на 400 В (т.е. с нейтральным проводом) и
1-фазных 2-проводных цепей на 230 В, защищаемых автоматическими выключателями общего назначения.
В других случаях следует применять поправочные коэффициенты (приведенные на Рисунке G53) к полученной длине. Вычисления основаны на указанных ниже методах, и ток отключения при коротком замыкании должен быть в пределах ± 20% от регулируемого значения Im. Для сечения 50 мм2 , вычисления основаны на реальном сечении 47,5 мм2

Рис. G49: Максимальная длина цепи в метрах для медных проводов (для алюминиевых длина должна быть умножена на 0,62)
G36

Рис. G5t: Максимальная длина в метрах цепей с медными проводами, защищенных автоматическими выключателями цепи типа B

Рис. G5 : Максимальная длина в метрах цепей с медными проводам, защищенных автоматическими выключателями типа C

Рис : Максимальная длина в метрах цепей с медными проводам, защищенных автоматическими выключателями типа D

Рис. G51: Поправочные коэффициенты должны быть применены к длине полученной из Рис. с G49 по G52
Примечание: Стандарт МЭК 60898 дает интервал для верхнего предела отключения при токе КЗ, равный 10-50 In для автоматических выключателей типа D. Европейские стандарты, и Рисунок G52, однако, основаны на интервале 10-20 In, который подходит для большинства бытовых и подобных им установок.

Примеры Пример 1
В 1-фазной 2-проводной установке защита производится автоматическим выключателем на 50 А типа NS80HMA, уставка срабатывания автоматического выключателя равна 500 А (с точностью ± 20%), т.е. в самом худшем случае понадобится 500 x 1,2 = 600 A, чтобы отключить цепь. Сечение кабеля = 10 мм2, провод изготовлен из меди. На Рисунке G49, строка Im = 500 A пересекается со столбцом сечения = 10 мм2 со значением Lmax равным 67 м. Таким образом, автоматический выключатель защищает кабель от коротких замыканий, при условии, что длина кабеля не превышает 67 метров.
Пример 2
В 3-фазной 3-проводной цепи на 400 В (без нейтрального провода), защита производится автоматическим выключателем на 220 A типа NS250N, уставка мгновенного отключения по току КЗ устройства типа MA установлена на 2,000 A (± 20%), т.е. в самом худшем случае отключение произойдет при 2,400 A. Сечение кабеля = 120 мм2, провод изготовлен из меди. На Рисунке G49 строка lm = 2,000 A пересекается со столбцом сечения = 120 мм2 со значением Lmax равным 200 м. Так как это 3-фазная 3-проводная цепь на 400 В (без нейтрального провода), должен быть применен поправочный коэффициент Рисунка G53 . Этот коэффициент должен составлять 1.73. Автоматический выключатель, таким образом, будет защищать кабель от тока короткого замыкания, если длина кабеля не будет превышать 200 x 1.73= 346 метров.

Обычно проверка термической стойкости кабелей не требуется, кроме тех случаев, когда кабели небольшого сечения установлены близко или непосредственно подсоединены к главному распределительному щиту.
5.2 Проверка кабелей по току короткого замыкания (т.е. на термическую стойкость при коротких замыканиях)
Температурные ограничения
Когда ток короткого замыкания не продолжителен (от десятых долей секунды и максимум до 5 секунд), производимое тепло остается в проводе, таким образом, он нагревается. Если принять, что процесс нагревания является адиабатическим, то это предположение упрощает расчеты и приводит к неутешительным результатам, где температура провода получается выше, чем в действительности, т.к. на практике, некоторое количество тепла из провода перейдет на изоляционный материал.
Для периода в пять секунд или менее, равенство I2t = k2S2 показывает время в секундах, за которое провод сечением S (в мм2) может выдержать ток в I ампер, прежде чем температура поднимется настолько, что повредит изоляционный материал. Коэффициент k2 показан на Рисунке G54 ниже.

Рис. G55 : Значение константы k2
Метод проверки заключается в подтверждении того, что тепловая энергия i2t на 1 Ом в материале провода, которую пропустит защитный автоматический выключатель (из каталога изготовителя), меньше установленной разрешенной энергии для данного провода (как показано на Рис. G55 ниже).

Рис. 651: Максимально допустимая тепловая нагрузка для кабелей (выражено в амперах2 x секунду x 106)

Пример
Может ли автоматический выключатель C60N надежно защитить медный кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена с сечением 4 мм2?
Рисунок G55 показывает, что значение l2t для кабеля составляет 0.3272 x 106, в то время, как максимальное «пропускаемое значение» для выключателя, указанное в каталоге производителя, намного ниже (< 0,1.106 А%).
Таким образом, кабель надежно защищен автоматическим выключателем при его полной отключающей способности.
Ограничения по электродинамической стойкости
Для всех типов цепей (отдельных проводов или шин), важно учитывать электродинамический фактор.
Чтобы выдержать электродинамические перегрузки, провода должны быть прочно закреплены и прочно соединены.
G39
Для шинопроводов и кабелепроводов заводского изготовления, шин и т.д., также важно удостовериться, что характеристики электродинамической стойкости, при прохождении тока короткого замыкания, удовлетворительны. Максимальная величина тока, ограничиваемая автоматическим выключателем или плавким предохранителем, должна быть меньше, чем это значение для шин. Как правило, производители публикуют таблицы с указанием наиболее адекватных условий защиты и эксплуатации своих товаров, что является основным преимуществом таких систем.