Руководство по устройству электроустановок - Низковольтные коммутационные аппараты

2 Коммутационные аппараты
2.1 Простые коммутационные устройства Разъединитель (или отделитель) (Рис. H5)
Он представляет собой ручной на два положения («включено» - «отключено») запираемый коммутационный аппарат, обеспечивающий при фиксации в разомкнутом положении безопасное изолирование цепи. Его характеристики определены в стандарте IEC 60947-3. Разъединитель не предназначен для того, чтобы включать или отключать токи* , и в стандартах не регламентируются номинальные значения для этих функций. Но он должен выдерживать прохождение токов короткого замыкания и для него устанавливается номинальный кратковременный выдерживаемый ток (обычно длительностью 1 с, если иное время не согласовано между пользователем и изготовителем). Эта величина обычно значительно превышает максимальные рабочие токи меньшей величины, действующие в течение более длительных периодов, например пусковые токи электродвигателей. Также должны выполняться стандартные требования по механической износостойкости, перенапряжениям и токам утечки.
Выключатель нагрузки (Рис. H6)
Этот управляющий выключатель обычно задействуется вручную (но иногда для удобства оператора снабжается электрическим приводом отключения) и является неавтоматическим двухпозиционным коммутационным аппаратом (вкл./выкл.).
Он используется для включения и отключения нагруженных цепей в нормальных условиях неповрежденных цепей.
Поэтому он не обеспечивает никакой защиты для управляемой им цепи.     I
Стандарт IEC 60947-3 устанавливает:
частоту коммутаций (не более 600 циклов включения/отключения в час)
механическую и коммутационную износостойкость (обычно меньшую, чем у контактора)
номинальные токи включения и выключения для нормальных и нечастых коммутаций
При включении выключателя с целью запитывания цепи всегда существует вероятность того, что в этой цепи произошло непредвиденное короткое замыкание. По этой причине для выключателей нагрузки задается максимальный ток включения на короткое замыкание, т.е. обеспечивается успешное замыкание цепи при наличии электродинамических усилий от тока короткого замыкания. Такие выключатели обычно называют "выключателями нагрузки на короткое замыкание». Отключение короткого замыкания обеспечивается вышерасположенными защитными устройствами.
Периодическая коммутация отдельных электродвигателей относится к категории AC-23. Включение/выключение конденсаторов или ламп накаливания должно быть предметом соглашения между изготовителем и пользователем.
Категории использования, указанные на рис. H7, не относятся к оборудованию, которое обычно используется для пуска, разгона и/или останова отдельных двигателей.
Пример
Выключатель нагрузки на 100 ампер, относящийся к категории AC-23 (индуктивная нагрузка), должен быть способен:
включать ток 10 In (= 1000 А) при коэффициенте мощности 0,35
отключать ток 8 In (= 800 А) при коэффициенте мощности 0.45

Рис. H5. Обозначение разъединителя

Рис. H6. Обозначение выключателя нагрузки
выдерживать при включении кратковременные токи короткого замыкания

Категории использования		Типичные применения	Cos ф	Ток	Ток
Частые	Нечастые			включения x In	отключения x In
коммутации	коммутации
AC-20A	AC-20B	Коммутация цепей без нагрузки
AC-21A	AC-21B	Коммутация активных нагрузок, включая умеренные перегрузки	0.95	1.5	1.5
AC-22A	AC-22B	Коммутация смешанных активных и индуктивных нагрузок, включая умеренные перегрузки	0.65	3	3
AC-23A	AC-23B	Коммутация нагрузок электродвигателя или других высокоиндуктивных нагрузок	0.45 for I У 100 A 0.35 for I > 100 A	10	8

Рис. H7. Категории использования низковольтных коммутационных аппаратов переменного тока согласно стандарту IEC 60947-3

Рис. H8. Обозначение двухпозиционного выключателя с дистанционным управлением

Рис. H9. Обозначение контактора
Широко применяются два типа низковольтных плавких предохранителей:
тип gG: для бытовых и аналогичных электроустановок
тип gG, gM или aM: для промышленных электроустановок

Рис. H10. Графическое обозначение плавких предохранителей
Двухпозиционный выключатель с дистанционным управлением (Рис. H8)
Этот коммутационный аппарат широко используется для управления осветительными цепями, когда при нажатии кнопочного выключателя (на пульте дистанционного управления) отключается уже включенный или включается отключенный двухпозиционный выключатель. Типичные применения:
Двухпозиционная коммутация на лестничных клетках больших зданий
Схемы сценического освещения
Освещение фабрик и др.
Существуют вспомогательные устройства для реализации функций:
дистанционной индикации его положения в любой момент времени
выдержки времени
фиксации контактов
Контактор (Рис. H9)
Контактор представляет собой коммутационный аппарат с электромагнитным управлением, который обычно удерживается в замкнутом положении током (уменьшенной величины), проходящим через включающий соленоид (хотя для специальных применений существуют различные типы с механической блокировкой (защелкой)). Контакторы предназначены для выполнения многократных циклов включения/отключения и обычно управляются дистанционно с помощью двухпозиционных нажимных кнопок. Большое количество повторных циклов срабатывания стандартизировано в таблице VIII стандарта IEC 60947-4-1 по:
продолжительности работы: 8 часов; непрерывно; периодически; кратковременно в течение 3, 10, 30, 60 и 90 минут.
категории использования: например, контактор категории AC3 можно использовать для пуска и останова асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
циклам пуска-останова (1 ■ 1200 циклов в час)
механической износостойкости (количеству коммутаций без нагрузки)
коммутационной износостойкости (количеству коммутаций под нагрузкой)
номинальному току включения и отключения в зависимости от категории использования
Пример:
Контактор на ток 150 А категории AC3 должен иметь минимальный ток отключения 8 In (1200 А) и минимальный ток включения 10 In (1500 А) при коэффициенте мощности 0,35 при индкутивной нагрузке.
Контактор с тепловым реле
Контакторы, оснащенные тепловым реле для защиты от перегрузки, широко используются для дистанционного кнопочного управления осветительными цепями и др. и, как отмечалось в подпункте 2.2 «Комбинированные коммутационные аппараты», могут также рассматриваться как важный элемент в управлении двигателем. Такой коммутационный аппарат не эквивалентен автоматическому выключателю, поскольку его отключающая способность при коротком замыкании ограничена величиной 8 или 10 In. Поэтому для защиты от короткого замыкания необходимо последовательно с контактами контактора, оснащенного термореле, и выше их по цепи устанавливать или плавкие предохранители или автоматический выключатель.
Плавкие предохранители (Рис. H10)
Первая буква указывает на диапазон отключающих токов:
плавкие вставки "g" (отключающая способность во всем диапазоне)
плавкие вставки "a" (отключающая способность в части диапазона)
Вторая буква указывает на категорию использования; она с точностью определяет времятоковые
характеристики, условные времена и токи:
Например
"gG" обозначает плавкие вставки общего применения с отключающей способностью во всем диапазоне
"gM" обозначает плавкие вставки с отключающей способностью во всем диапазоне, предназначенные для защиты цепей электродвигателей
"aM" обозначает плавкие вставки с отключающей способностью в части диапазона, предназначенные для защиты цепей электродвигателей
Существуют предохранители с механическими индикаторами «перегорания» и без них. Плавкие предохранители отключают цепь в результате управляемого расплавления плавкого элемента, когда в течение соответствующего периода времени ток превышает установленную величину; соотношение тока и времени представляется в форме рабочей характеристики каждого типа предохранителя. В стандартах определены два класса предохранителей:
предохранители для применения в бытовых электроустановках, изготовляемые в форме патрона, рассчитанные на токи до 100 А и обозначаемые в стандартах IEC 60269-1 и 3 типом gG.
предохранители для промышленного применения, обозначаемые в стандартах IEC 60269-1 and 2 как gG (общего применения) и gM и aM (для цепей электродвигателей)
При использовании предохранителей типа gM требуется применение отдельного реле перегрузки, описанного в примечании, помещенном в конце подпункта 2.1.
Бытовые и промышленные предохранители различаются в основном уровнями номинальных напряжений и токов (предохранители на большие напряжения и токи имеют гораздо большие размеры) и отключающей способностью при коротком замыкании. Плавкие вставки типа gG часто применяются для защиты цепей электродвигателей, что возможно, если их характеристики позволяют без повреждений выдерживать пусковой ток.

*т.е. низковольтный разъединитель фактически является коммутационным аппаратом обесточенной системы, который должен задействоваться при отсутствии напряжения на обеих его сторонах, в частности при включении, поскольку существует возможность неожиданного короткого замыкания в нижерасположенной части цепи. Часто используется блокировка с помощью вышерасположенного выключателя или автоматического выключателя.

**В стандартах IEC не дано определение данного термина, но он широко используется в нескольких странах

В последнее время МЭК стандартизовал новый тип предохранителей gM для защиты цепей двигателей, способных функционировать при пусковых токах и токах короткого замыкания. В одних странах этот тип предохранителей распространен больше, чем в других, но в настоящее время расширяется применение предохранителя типа aM в сочетании с термореле перегрузки. Для плавкой вставки типа gM предусмотрены две номинальных величины тока. Первая величина In соответствует номинальному току плавкой вставки и номинальный ток патрона предохранителя; вторая величина Ich обозначает времятоковую характеристику данной плавкой вставки, определяемую по таблицам II, III и VI, приведенным в стандарте IEC 60269-1. Эти две номинальных величины разделяются буквой, указывающей категорию использования. Например, In M Ich обозначает предохранитель, предназначенный для защиты цепей электродвигателей и имеющий характеристику G. Первая величина In соответствует максимальному непрерывному току для всего предохранителя, а вторая, Ich - характеристике G его плавкой вставки. Дополнительная информация содержится в примечании, помещенном в конце подпункта 2.1.
Плавкая вставка aM характеризуется одной величиной тока In и времятоковой характеристикой, показанной далее на рис. H14.
Важное замечание: В некоторых национальных стандартах используется тип предохранителя gI (промышленный), аналогичный по всем основным параметрам предохранителям типа gG. Вместе с тем предохранители типа gI не должны использоваться в бытовых и аналогичных электроустановках.
Зоны плавления - условные токи
Условия плавления предохранителей определены стандартами в зависимости от их класса. Предохранители класса gG
Эти предохранители обеспечивают защиту от перегрузок и коротких замыканий. Стандартизованы условные токи неплавления и плавления (рис. H12 и рис. H13).
Условный ток неплавления Inf - это величина тока, который данный плавкий элемент может выдержать установленное время без плавления.
Пример: Предохранитель на 32 А, проводящий ток 1,25 In (т.е. 40 А), не должен расплавиться менее чем за час (таблица G13).
Условный ток плавления If (= I2 in на рис. H12) - это величина тока, который вызовет плавление плавкого элемента до истечения установленного времени.
Пример: Предохранитель на 32 А, проводящий ток 1,6 In (т.е. 52,1 А), должен расплавиться за 1 час или менее.
В стандарте IEC 60269-1 описаны испытания, требующие того, чтобы рабочая кривая конкретного испытываемого предохранителя лежала между двумя предельными кривыми, показанными на рис. H12. Это означает, что при низких уровнях перегрузки по току два предохранителя, удовлетворяющие данному испытанию, могут иметь значительно различающиеся времена срабатывания.

Рис. H12. Зоны плавления и неплавления предохранителей типов gG и gM (в соответствии со стандартом 60269-2-1)

Номинальный ток In (A)	Условный ток неплавления, Inf	Условный ток плавления, I2	Условное время, час
In i 4 A	1.5 In	2.1 In	1
4 < In < 16 A	1.5 In	1.9 In	1
16 < In i 63 A	1.25 In	1.6 In	1
63 < In i 160 A	1.25 In	1.6 In	2
160 < In i 400 A	1.25 In	1.6 In	3
400 < In	1.25 In	1.6 In	4

Рис. H13. Зоны плавления и неплавления для низковольтных плавких предохранителей типов gG и gM (в соответствии со стандартами IEC 60269-1 и 60269-2-1)

Рис. H14. Стандартные зоны плавления предохранителей класса aM (все номинальные токи)

Tf: Время плавления предохранителя до возникновения дуги
Ta: Время существования дуги
Ttc: Общее время отключения короткого замыкания
Предохранители типа aM обеспечивают защиту только от коротких замыканий и должны/ применяться в комбинации с устройством защит от перегрузок.
Рис. H15. Ограничение тока плавким предохранителем
Приведенные выше два примера для предохранителя на ток 32 А в сочетании с предшествующими примечаниями в отношении требований испытаний объясняют, почему эти предохранители неэффективны при низких уровнях перегрузки.
Поэтому чтобы избежать последствий возможной длительной перегрузки (худший случай: перегрузка 60% в пределах часа), необходимо устанавливать кабель, рассчитанный на более высокую допустимую токовую нагрузку в амперах, чем тот, который обычно требуется для цепи. Для сравнения, автоматический выключатель с аналогичным номинальным током:
не должен отключать цепи в течение менее часа при прохождении тока 1,05 In, а
при прохождении тока 1,25 In должен отключать цепь в течение часа или менее (худший случай: перегрузка 25% в пределах часа).
Предохранители типа aM (для электродвигателей)
Эти предохранители обеспечивают защиту только от токов короткого замыкания и должны обязательно применяться в сочетании с другим коммутационным аппаратом (например, контакторами, оснащенными тепловым реле, или автоматическими выключателями) с тем, чтобы обеспечить защиту от перегрузки при токах < 4 In. Поэтому они не могут применяться автономно. Поскольку предохранители типа aM не предназначены для защиты от малых токов перегрузки, для них не устанавливаются уровни условных токов плавления и неплавления. Рабочие кривые для испытаний этих предохранителей приводятся для токов замыкания, превышающих приблизительно 4 In (рис. H14), и рабочие кривые предохранителей, тестированных по стандарту IEC 60269, должны располагаться в заштрихованной области. Примечание: Маленькие стрелки на диаграмме указывают граничные времятоковые величины для различных тестируемых предохранителей (стандарт IEC 60269).
Номинальная отключающая способность при коротком замыкании
Особенностью современных патронных плавких предохранителей является то, что благодаря быстроте плавления вставки при больших уровнях токов короткого замыкания отключение тока начинается до появления первого большого пика тока, поэтому ток замыкания никогда не достигает своего ожидаемого максимального значения (рис. H15).
Такое ограничение тока значительно снижает термические и динамические напряжения, которые иначе бы возникли, и тем самым сводит к минимуму опасность и степень ущерба в том месте, где произошло короткое замыкание. Поэтому номинальная отключающая способность предохранителя определяется действующим значением переменной составляющей ожидаемого тока короткого замыкания.
Для плавких предохранителей не устанавливается номинальный ток включения на короткое замыкание.
Напоминание
В начальный момент токи короткого замыкания содержат постоянные составляющие, амплитуда и длительность которых зависят от соотношения XL/R поврежденного участка цепи. Вблизи источника питания (понижающего трансформатора) соотношение Ipeak/Irms - действующее значение периодической составляющей тока непосредственно сразу после момента короткого замыкания может достигать 2,5 (это регламентировано стандартами IEC и показано на рис. H16). Как отмечалось выше, на нижних уровнях распределения питания в электроустановке величина XL мала по сравнению с R и поэтому для оконечных цепей Ipeak / Irms - 1,41 (это условие отражено на рис. H15).
Эффект ограничения пикового тока происходит только тогда, когда ожидаемое действующее значение переменной составляющей тока короткого замыкания достигает определенного уровня. Например, на приведенном выше графике 100-амперный предохранитель начнет отключать пиковый ток при ожидаемом действующем значении тока замыкания 2 кА (a). Тот же предохранитель при ожидаемом действующем значении тока замыкания 20 кА ограничит пиковый ток до 10 кА (b). В последнем случае при отсутствии токоограничивающего предохранителя пиковый ток мог бы достичь 50 кА (c). Как уже упоминалось, на нижних уровнях распределения , R значительно превос­ходит XL и уровни токов замыкания обычно небольшие. Это означает, что уровень тока короткого замыкания может не достичь достаточно высоких значений для того, чтобы вызвать ограничение пикового тока. С другой стороны, как уже отмечалось, в данном случае апериодические составляющие тока в переходном процессе имеют незначительное влияние на величину пика тока Примечание: О номинальных токах срабатывания предохранителей типа gM Предохранитель типа gM представляет собой фактически предохранитель типа gG, плавкий элемент которого рассчитан на ток Ich, который может, например, составлять 63 А. Это - испытательное значение, принятое в стандартах IEC, поэтому его времятоковая характеристика аналогична такой же характеристике предохранителя типа gG на 63 А.
Это значение (63 А) выбрано для того, чтобы выдержать большие пусковые токи электродвигателя, рабочий ток которого в нормальном режиме (In) может находиться в диапазоне 10-20 А. Это означает, что можно использовать меньшие по размерам патрон и металлические части предохранителя, поскольку отвод тепла, который требуется при нормальных условиях эксплуатации, относится к сниженным значениям тока (10-20 А). Стандартный предохранитель типа gM, пригодный для такого случая, обозначался бы как 32M63 (т.е. In M Ich).
Первый номинальный ток (In) характеризует тепловые характеристики плавкой вставки при установившейся нагрузке, а второй номинальный ток (Ich) относится к ее функционированию при кратковременном пусковом токе. Вполне очевидно, что хотя предохранитель пригоден для защиты электродвигателя от коротких замыканий, он не обеспечивает его защиты от перегрузок и поэтому

при применении предохранителей типа gM всегда необходимо устанавливать отдельное тепловое реле. Таким образом, единственное преимущество предохранителей gM перед предохранителями типа aM заключается в том, что они меньше по размерам и немного дешевле.
2.2 Комбинированные коммутационные аппараты
Отдельные элементы коммутационной аппаратуры в целом не удовлетворяют всем требованиям трех основных функций, а именно: защиты, управления и разъединение (изолирования). В тех случаях, когда установка автоматического выключателя нецелесообразна (например, там, где высокая частота коммутаций в течение продолжительных периодов), используются комбинации элементов, специально предназначенных для таких функций. Ниже описаны наиболее распространенные комбинации коммутационных аппаратов.
Комбинации выключателей и плавких предохранителей
Рассматриваются два случая:
Тип, в котором срабатывание одного или нескольких предохранителей вызывает отключение выключателя. Это достигается путем использования предохранителей, снабженных бойками, и системы отключающих пружин и шарнирных механизмов (рис. H17)
Тип, в котором неавтоматический выключатель соединен с комплектом предохранителей в едином корпусе.
В некоторых странах и в стандарте 60947-3 термины «выключатель-предохранитель» и «предохранитель-выключатель» имеют специальный смысл, а именно:
выключатель-предохранитель состоит из выключателя (обычно с двумя разрывами на полюс), установленного перед тремя стационарными патронами предохранителей, в которые вставлены плавкие вставки (рис. H18)
предохранитель-выключатель состоит из трех ножевых контактов, каждый из которых имеет двойной разрыв на каждой фазе.

Ich для предохранителей класса gM

Для токов, превышающих определенный уровень, в зависимости от номинального тока предохранителя, как показано ниже на рис. H16.
Диапазон токов для этих устройств ограничен 100 А в трехфазной сети напряжением 400 В, хотя их основное применение - в бытовых и аналогичных электроустановках. Чтобы избежать путаницы между первой группой (т.е. автоматическим отключением) и второй группой, термин «выключатель-предохранитель» должен использоваться с прилагательными «автоматический» или «неавтоматический».
Предохранитель-разъединитель + контактор с тепловым реле и предохранитель- выключатель-разъединитель + контактор с тепловым реле
Как указывалось выше, контактор с тепловым реле не обеспечивает защиты от токов короткого замыкания. Поэтому вместе с ним необходимо применять предохранители (обычно типа aM). Такая комбинация используется главным образом в цепях управления электродвигателями, разъединитель или выключатель-разъединитель обеспечивают возможность безопасного проведения операций технического обслуживания, включая:

1. замену плавких вставок (при отключенной цепи)
2. работы на участке цепи ниже контактора с тепловым реле (риск дистанционного включения этого контактора с тепловым реле)

Предохранитель-разъединитель и контактор с тепловым реле должны соединяться так, чтобы было невозможно отключение или включение предохранителя-разъединителя, если контактор с тепловым реле не отключен (рис. H20), поскольку такой предохранитель-разъединитель не обеспечивает функцию включения нагрузки.
Очевидно, что для комбинации предохранитель-выключатель-разъединитель блокировка не требуется (рис. H21). Если данная цепь питает электродвигатель, этот выключатель должен быть класса AC22 или AC23.
Автоматический выключатель + контактор и автоматический выключатель + контактор с тепловым реле
Эти комбинации используются в системах распределения с дистанционным управлением, для которых характерна высокая частота коммутаций, или для управления и защиты цепи питания электродвигателей

Рис.Н16. Зависимость ограниченного пикового тока от ожидаемых действующих значений переменной составляющей тока короткого замыкания для низковольтных плавких предохранителей

Рис. H17. Обозначение автоматического выключателя-предохранителя.


Рис. Н18. Обозначение неавтоматического выключателя-предохранителя Рис. Н19. Обозначение неавтоматического предохранителя-выключателя
Эти ножевые контакты не являются непрерывными по длине и каждый имеет промежуток в центре, который перекрывается патроном плавкого предохранителя. В некоторых конструкциях имеется только один разрыв на фазу (рис. H18 и H19).