Руководство по устройству электроустановок - Автоматический выключатель

Автоматический выключатель/разъединитель выполняет все основные функции распределительного устройства, а при использовании вспомогательных элементов может обеспечивать многочисленные дополнительные функции.
Как показано на рис. H23, автоматический выключатель/разъединитель 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 (вкл-выкл-отключение при коротком замыкании); отключение по минимальному напряжению; дистанционное управление и др. Это делает автоматический выключатель/разъединитель основным элементом распределительного устройства для любой электроустановки.

Рис. H23 Функции, выполняемые автоматическим выключателем/разъединителем

Промышленные автоматические выключатели должны соответствовать стандартам IEC 60947-1 и 60947-2 или другим эквивалентным стандартам. Бытовые автоматические выключатели должны соответствовать стандарту IEC 60898 или другому эквивалентному стандарту.

Рис. H24. Основные элементы автоматического выключателя
4.1 Стандарты и описание
Стандарты
В отношении промышленных низковольтных электроустановок должны применяться следующие существующие или готовящиеся международные стандарты:
60947-1: общие правила
60947-2: часть 2: автоматические выключатели
60947-3: часть 3: выключатели, разъединители, выключатели-разъединители и комбинации с плавкими предохранителями
60947-4: часть 4: контакторы и пускатели электродвигателей
60947-5: часть 5: устройства и коммутационные аппараты для цепей управления
60947-6: часть 6: многофункциональные коммутационные устройства
60947-7: часть 7: вспомогательное оборудование
Для бытовых и аналогичных низковольтных электроустановок соответствующим стандартом является IEC 60898 или эквивалентный национальный стандарт.
Описание
На рис. H24 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 аномальных условий по току.
Этот механизм также соединен с ручкой управления выключателя.
исполнительное устройство расцепляющего механизма:
или: термомагнитный (комбинированный) расцепитель, в котором 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 нескольких типов контактных зажимов, которые в настоящее время используются для подсоединения основных проводников силовой цепи. Бытовые автоматические выключатели (рис. H25 на следующей странице), отвечающие стандарту IEC 60898 и аналогичным национальным стандартам, выполняют функции:
изолирования цепей
защиты от сверхтоков

Некоторые из моделей могут быть адаптированы для обнаружения с высокой чувствительностью (30 мА) токов утечки на землю и отключения цепи с помощью дополнительного модуля, как показано на рис. H26, а в других моделях (RCBOs) (отвечающих стандарту IEC 61009 и более новому стандарту IEC 60947-2, Приложение B (модель CBRs)) функция обнаружения дифференциального тока встроена в конструкцию автоматического выключателя.
Рис. H25. Бытовой автоматический выключатель, обеспечивающий функции защиты от сверхтоков и изолирование цепей

Рис. H26. Бытовой автоматический выключатель, аналогичный показанному на рис. H25, но дополнительно обеспечивающий защиту от поражения током за счет добавления модуля.

Рис. H28. Пример модульной конструкции промышленного автоматического выключателя (Compact NS), обладающего различными вспомогательными функциями

Рис. H29. Примеры промышленных автоматических выключателей для тяжелых условий эксплуатации. Выключатель Masterpact обладает множеством функций автоматизации благодаря использованию модуля расцепителя Micrologic
Помимо вышеуказанных функций, установка дополнительных модулей (как показано на рис. H27) позволяет базовому автоматическому выключателю выполнять вспомогательные функции, а именно дистанционное управление и индикацию (вкл.-выкл.-отключение при коротком замыкании).

Рис. H27. Система Multi 9, состоящая из низковольтных модульных коммутационных элементов
В настоящее время на рынке имеются промышленные автоматические выключатели в литом корпусе, отвечающие стандарту IEC 60947-2, которые с помощью соединенных регулируемых модулей обеспечивают аналогичный набор вспомогательных функций в дополнение к тем, которые были описаны выше (рис. H28).
Промышленные автоматические выключатели для тяжелых условий эксплуатации, рассчитанные на большие токи и удовлетворяющие стандарту IEC 947-2, имеют много встроенных электронных функций и функций связи (рис. H29).

Кроме функций защиты, модуль Micrologic обеспечивает оптимизированные функции, такие как измерение (включая функции контроля качества электроэнергии), диагностика, связь, управление и мониторинг

Рис. H30. Пример автоматического выключателя NS630N с расцепителем STR23SE, отрегулированным на 0,9In (что дает Ir = 360 А)
4.2 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* или Irth1) и защиты от короткого замыкания (Im)1.
его отключающая способность при коротком замыкании (Icu - для промышленных автоматических выключателей и Icn - для бытовых автоматических выключателей).
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 возмущенным условиям (см. подпункт 4.3).
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.
Пример
Автоматический выключатель с номинальным током In = 125 А при температуре окружающей среды 40°C оснащенный отключающим реле максимального тока, откалиброванного соответствующим образом (настроенным на ток 125 А). Этот же автоматический выключатель может использоваться при более высоких температурах окружающей среды, но за счет занижения номинальных параметров. Например, при окружающей температуре 50°C этот выключатель сможет проводить бесконечно долго 117 А, а при 60°C - лишь 109 А при соблюдении установленных требований по допустимой температуре.
Занижение номинальных характеристик автоматического выключателя достигается за счет снижения уровня уставки его реле перегрузки по току отключения. Использование электронного отключающего устройства, предназначенного для работы при высоких температурах, обеспечивает возможность эксплуатации автоматических выключателей (с пониженными уровнями уставок по току) при окружающей температуре 60°С или даже 70°С.
Примечание: В автоматических выключателях, соответствующих стандарту IEC 60947-2, ток In равен обычно Iu для всего распределительного устройства, где Iu обозначает номинальный непрерывный ток.
Номинальный ток выключателя при использовании расцепителей с разными диапазонами уставок
Автоматическому выключателю, который может быть оборудован модулями отключения при сверхтоке, имеющими различные диапазоны уставок по току, присваивается номинальное значение, соответствующее номинальному значению отключающего элемента с наивысшим уровнем уставки по току отключения.
Пример
Автоматический выключатель NS630N может быть оснащен четырьмя электронными отключающими модулями (расцепителями) с номинальными токами от 150 А до 630 А. В таком случае номинальный ток такого автоматического выключателя составит 630 А.
Уставка реле перегрузки по току отключения (Irth или Ir)
За исключением небольших автоматических выключателей, которые легко заменяются, промышленные автоматические выключатели оснащаются сменными, т.е. заменяемыми, реле отключения максимального тока. Для того чтобы приспособить автоматический выключатель к требованиям цепи, которой он управляет, и избежать необходимости устанавливать кабели большего размера, отключающие реле обычно являются регулируемыми. Уставка по току отключения Ir или Irth (оба обозначения широко используются) представляет собой ток, при превышении которого данный автоматический выключатель отключит цепь. Кроме того, это - максимальный ток, который может проходить через автоматический выключатель без отключения цепи. Это значение должно быть обязательно больше максимального тока нагрузки Ib, но меньше максимально допустимого тока в данной цепи Iz (см. главу G, подпункт 1.3). Термореле обычно регулируются в диапазоне (0,7-1,0)In, но в случае использования для этой роли электронных устройств этот диапазон больше и обычно составляет (0,4-1,0)In.
Пример (рис. H30)
Автоматический выключатель NS630N, оснащенный расцепителем STR23SE на 400 А, который отрегулирован на 0,9 In, будет иметь уставку тока отключения: Ir = 400 x 0,9 = 360 А.
Примечание: Для цепей, оборудованных нерегулируемыми расцепителями, Ir = In. Пример: для автоматического выключателя C60N на 20 А Ir = In = 20 А.

*Величины уставки по току, которые относятся к термомагнитным (комбинированным) расцепителям мгновенного действия для защиты от перегрузки и короткого замыкания.

Уставка по току отключения при коротком замыкании (Im)
Расцепители мгновенного действия или срабатывающие с небольшой выдержкой времени предназначены для быстрого выключения автоматического выключателя в случае возникновения больших токов короткого замыкания. Порог их срабатывания Im:
для бытовых автоматических выключателей регламентируется стандартами, например IEC 60898, а
для промышленных автоматических выключателей указывается изготовителем согласно действующим стандартам, в частности IEC 60947-2.
Для промышленных выключателей имеется большой выбор расцепителей, что позволяет пользователю адаптировать защитные функции автоматического выключателя к конкретным требованиям нагрузки (см. рис. H31, рис. H32 и рис. H33 на следующей странице).

        50 In в стандарте IEC 60898, что, по мнению большинства европейских изготовителей, является нереально большим значением (M-G = 10-14 In).

Рис. H31. Диапазоны токов отключения устройств защиты от перегрузки и короткого замыкания для низковольтных автоматических выключателей

Ir: уставка по току отключения при перегрузке (тепловое реле
или реле с короткой выдержкой времени)
Im: уставка по току отключения при коротком замыкании
(магнитное реле или реле с большой выдержкой времени)
I: уставка расцепителя мгновенного действия по току
отключения при коротком замыкании
ICU: отключающая способность

Рис. H32. Кривая срабатывания термомагнитного комбинированного расцепителяавтоматического выключателя
Рис. H33 Кривая срабатывания электронного расцепителя автоматического выключателя

Отключающая способность низковольтного автоматического выключателя (приблизительно) связана с коэффициентом мощности (cos <р) поврежденного участка цепи. В ряде стандартов приводятся стандартные значения такого соотношения.
Функция изолирования (разъединения)
Автоматический выключатель пригоден для электрического изолирования цепи, если он удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к разъединителю (при его номинальном напряжении) в соответствующем стандарте (см. подпункт 1.2). В таком случае его называют автоматическим выключателем-разъединителем и на его фронтальной поверхности наносят маркировку в виде символа
К этой категории относятся все низковольтные коммутационные аппараты торговой марки Merlin Gerin (Multi 9, Compact NS и Masterpact).
Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu или Icn)
Отключающая способность автоматического выключателя - максимальный (ожидаемый) ток, который данный автоматический выключатель способен отключить и остаться в работоспособном состоянии. Упоминаемая в стандартах величина тока представляет собой действующее значение периодической составляющей тока замыкания, т.е. при расчете этой стандартной величины предполагается, что апериодическая составляющая тока в переходном процессе (которая всегда присутствует в наихудшем возможном случае короткого замыкания) равна нулю. Эта номинальная величина (Icu) для промышленных автоматических выключателей и (Icn) для бытовых автоматических выключателей обычно указывается в кА. Icu (номинальная предельная отключающая способность) и Ics (номинальная эксплуатационная отключающая способность) определены в стандарте IEC 60947-2 вместе с таблицей соотношений Ics и Icu для различных категорий использования A (мгновенное отключение) и B (отключение с выдержкой времени), рассмотренных в подпункте 4.3.
Проверки 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
фазовый сдвиг между током и напряжением. Когда ток в цепи находится в фазе с напряжением питания (cos ф = 1), отключение тока осуществить легче, чем при любом другом коэффициенте мощности. Гораздо труднее осуществлять отключение тока при низких отстающих величинах cos<, при этом отключение тока в цепи с нулевым коэффициентом мощности является (теоретически) 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 таблице, приведенной на рис. H34 и взятой из стандарта IEC 60947-2, указаны соотношения между стандартными величинами cos < для промышленных автоматических выключателей и их номинальными токами (отключающей способности) Icu.
■ после проведения цикла отключение - выдержка времени - включение/ отключение для проверки отключающей способности (Icu) автоматического выключателя выполняются следующие испытания, имеющие целью убедиться в том, что
выдерживаемая им диэлектрическая прочность
разъединяющая (изолирующая) способность и
правильное срабатывание защиты от перегрузки не ухудшились в результате проведения этого испытания.

Рис. H34. Соотношение между Icu и коэффициентом мощности (cos <) цепи короткого замыкания (IEC 60947-2)

Знакомство с приведенными ниже менее важными характеристиками низковольтных автоматических выключателей часто оказывается необходимым при окончательном выборе модели.
4.3 Другие характеристики автоматического выключателя 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. Ue = 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.
Категория (A или B) и номинальный выдерживаемый кратковременный ток (Icw)
Как уже упоминалось выше (подпункт 4.2), стандарт IEC 60947-2 устанавливает две категории низковольтной промышленной коммутационной аппаратуры, A и B:
к категории A относятся аппараты, для которых не предусмотрена преднамеренная задержка срабатывания магнитного расцепителя мгновенного действия при коротком замыкании (рис. H35). Это, как правило, автоматические выключатели в литом корпусе.
к категории B относятся аппараты, в которых с целью согласования их с другими последовательно соединенными автоматическими выключателями по времени срабатывания, предусмотрена возможность задержки отключения автоматического выключателя, в котором уровень тока короткого замыкания ниже уровня максимального выдерживаемого им кратковременного тока (Icw) (рис. H36). Это обычно имеет место в больших открытых автоматических выключателях и в некоторых типах автоматических выключателях в литом корпусе, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации. Ток Icw - максимальный ток, который автоматический выключатель категории B может выдержать термически и электродинамически без получения повреждений в течение периода времени, указанного изготовителем.
Номинальная включающая способность (Icm)

Рис. H35. Автоматический выключатель категории A

Рис. H36. Автоматический выключатель категории B
Icm - величина максимального мгновенного значения 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 током отключения) коэффициентом k, зависящим от коэффициента мощности (cos ф) контура короткого замыкания (рис. H37).

Рис. H37. Соотношение между номинальной отключающей способностью Icu и номинальной включающей способностью Icm при разных величинах коэффициента мощности цепи короткого замыкания (стандарт IEC 60947-2)

В правильно спроектированной электроустановке автоматический выключатель не работает при своем максимальном токе отключения Icu. По этой причине была введена новая характеристика Ics. Согласно стандарту IEC 60947-2, она выражается в процентах от Icu (25, 50, 75, 100%).
Пример: Автоматический выключатель Masterpact NW08H2 имеет
номинальную отключающую способность Icu=100 кА. Пиковая величина его номинальной
включающей способности Icm составит 100 x 2,2 = 220 кА.
Номинальная эксплуатационная отключающая способность при КЗ (Ics)
Номинальная отключающая способность (Icu) или (Icn) представляет собой максимальный ток 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 проверок является следующей:
О - CO - CO* (при токе Ics)
Проверки, проводимые после этой последовательности, предназначены для проверки того, что испытуемый автоматический выключатель находится в работоспособном состоянии и готов к нормальной эксплуатации.
Для бытовых автоматических выключателей Ics = k Icn. Значения коэффициента k приведены в стандарте IEC 60898 (таблица XIV).
В Европе обычной практикой в промышленности является использование k=100%, и поэтому Ics = Icu.
Многие конструкции низковольтных автоматических выключателей обладают способностью ограничивать ток короткого замыкания, благодаря которой ток снижается и не достигает своего максимального пикового значения, которое в противном случае он бы достиг (рис. H35). Токоограничивающая способность таких автоматических выключателей представляется в форме графиков, типичный из которых показан на рис. H39 (график(a)).
Ограничение тока короткого замыкания
Способность автоматического выключателя ограничивать ток короткого замыкания заключается в том, что с большей или меньшей эффективностью он может предотвращать протекание максималь­ного ожидаемого тока короткого замыкания и допускать лишь ограниченный ток (рис. H38.). Токоограничивающая способность указывается изготовителем автоматических выключателей в форме кривых (рис. H39).
Диаграмма (a) показывает ограниченное пиковое значение тока в зависимости от действующего значения периодической составляющей ожидаемого тока короткого замыкания («ожидаемый» ток короткого замыкания представляет собой ток короткого замыкания, который протекал бы, если бы данный автоматический выключатель не обладал токоограничивающей способностью).
Ограничение тока значительно снижает температурные напряжения (пропорциональные I2t), что отражено на рис. H39 на кривой (b), построенной тоже в зависимости от действующего значения переодической составляющей ожидаемого тока короткого замыкания.
В некоторых стандартах, например в европейском стандарте EN 60 898, классифицируются низковольтные автоматические выключатели для бытовых и аналогичных применений. Автоматические выключатели, принадлежащие к классу (ограничителей тока) имеют стандарт­ные ограничивающие величину I2t характеристики, предусмотренные для этого класса. В этих случаях изготовители, как правило, не указывают кривые срабатывания выключателей.

Рис. Н39. Кривые срабатывания типичного низковольтного токоограничивающего автоматического выключателя

Ограничение тока снижает температурные и электродинамические напряжения во всех элементах цепи, через которые этот ток проходит, благодаря чему продлевается срок их эксплуатации. Кроме того, токоограничивающая функция дает возможность использовать методы «каскадного» включения (см. раздел 4.5), что позволяет значительно снизить затраты на проектные и монтажные работы.

Рис. H38. Ожидаемый и фактический токи
Преимущества ограничения тока
Использование токоограничивающих автоматических выключателей дает много преимуществ:
улучшенная сохранность цепей электроустановки: такие автоматические выключатели резко ослабляют все нежелательные последствия, связанные с протеканием токов короткого замыкания.
снижение термических эффектов: значительно снижается нагрев проводников и соответственно изоляции, благодаря чему удлиняется срок службы кабелей.
снижение механических эффектов: силы, обусловленные электромагнитным отталкиванием, оказываются меньше, в результате чего снижается риск деформации, возможного разрушения, чрезмерного выгорания контактов и др.
снижение влияния электромагнитных помех
□ Меньшее негативное влияние на измерительные приборы и соответствующие цепи, телекоммуникационные системы и др.
Таким образом, такие автоматические выключатели способствуют более эффективной эксплуатации:
кабелей и проводки
кабелепроводов заводского изготовления
коммутационных аппаратов
и тем самым замедляют старение данной электроустановки. Пример
В системе, имеющей ожидаемый ток короткого замыкания 150 кА, автоматический выключатель Compact L ограничивает ток до величины менее чем 10% от расчетного ожидаемого пика тока, а термические эффекты снижаются до уровня менее 1% от расчетного. Каскадное включение нескольких уровней распределения в электроустановке, расположенных ниже токоограничивающего автоматического выключателя, также приведет к значительной экономии средств.
Фактически, метод каскадирования, описанный в подпункте 4.5, обеспечивает значительную экономию (до 20% в целом) на коммутационной аппаратуре (ниже токоограничивающего автоматического выключателя или выключателей могут применяться аппараты с пониженными эксплуатационными характеристиками).
Использование автоматических выключателей серии Compact NS позволяет реализовать схемы селективной защиты и каскадирования и обеспечить полную отключающую способность коммутационной аппаратуры.