Руководство по устройству электроустановок - Выбор автоматического выключателя

Выбор типа автоматических выключателей определяется: электрическими характеристиками электроустановки, условиями эксплуатации, нагрузками и необходимостью дистанционного управления вместе с типом предусматриваемой в будущем телекоммуникационной системы.
Автоматические выключатели с некомпенсируемыми комбинированными расцепителями имеют уровень тока отключения, зависящий от окружающей температуры.
4.4 Выбор автоматического выключателя
Критерии выбора автоматического выключателя
Выбор автоматического выключателя производится с учетом:
электрических характеристик электроустановки, для которой предназначен этот автоматический выключатель
условий его эксплуатации: температуры окружающей среды, размещения в здании подстанции или корпусе распределительного щита, климатических условий и др.
требований к включающей и отключающей способности при коротких замыканиях, эксплуатационных требований: селективного отключения, требований к дистанционному управлению и индикации и соответствующим вспомогательным контактам, дополнительным расцепителям, соединениям.
правил устройства электроустановок, в частности требований в отношении обеспечения защиты людей
характеристик нагрузки, например электродвигателей, люминесцентного освещения, разделительных трансформаторов с обмотками низкого напряжения
Следующие замечания относятся к выбору низковольтного автоматического выключателя для использования в распределительных системах.
Выбор номинального тока с учетом окружающей температуры
Номинальный ток автоматического выключателя определяется для работы при определенной температуре окружающей среды, которая обычно составляет:
30°С для бытовых автоматических выключателей
40°С для промышленных автоматических выключателей
Функционирование этих автоматических выключателей при другой окружающей температуре зависит главным образом от технологии применяемых расцепителей (рис. H40).
Некомпенсируемые термомагнитные комбинированные расцепители

Автоматические выключатели с некомпенсируемыми термомагнитными расцепителями имеют порог тока отключения, который зависит от окружающей температуры. Если автоматический выключатель установлен в оболочке или в помещении с высокой температурой (например, в котельной), то ток, необходимый для отключения (срабатывания) этого автоматического выключателя при перегрузке, будет заметно ниже. Когда температура среды, в которой расположен автоматический выключатель, превышает оговоренную изготовителем температуру, его характеристики окажутся «заниженными». По этой причине изготовители автоматических выключателей приводят таблицы с поправочными коэффициентами, которые необходимо применять при температурах, отличных от оговоренной температуры функционирования автоматического выключателя. Из типичных примеров таких таблиц (рис. H41) следует, что при температуре ниже оговоренной изготовителем происходит повышение порога отключающего тока соответствующего автоматического выключателя. Кроме того, небольшие модульные автоматические выключатели, установленные бок о бок (рис. H27), обычно монтируются в небольшом закрытом металлическом корпусе. В таком случае вследствие взаимного нагрева при прохождении обычных токов нагрузки к их параметрам необходимо применять поправочный коэффициент 0,8.

Рис. H40. Температура окружающей среды
Автоматические выключатели C60a, C60H: кривая C. C60N: кривые B и C (Стандарт. температура: 30°С)

NS250N/H/L (Стандартная температура: 40°C)

    ** Для промышленного использования значения не регламентируются стандартами IEC. Указанные выше значения соответствуют тем, которые обычно используются.

* «О» означает операцию отключения.
«CO» означает операцию включения, за которой следует операция
отключения.

Рис. H41. Примеры таблицдля определения коэффициентов понижения/повышения уставок по току отключения, которые должны применяться к автоматическим выключателям с некомпенсируемыми тепловыми расцепителями в зависимости от температуры
Пример
Какой номинальный ток (In) следует выбрать для автоматического выключателя C60 N? Этот аппарат:
обеспечивает защиту цепи, в которой максимальный расчетный ток нагрузки составляет 34 А
установлен вплотную к другим автоматическим выключателям в закрытой распределительной коробке
эксплуатируется при окружающей температуре 50°С.
При окружающей температуре 50°С уставка автоматического выключателя C60N с номинальным током 40 А снизится до 35,6 А (см. таблицу на рис. H41). Взаимный нагрев в замкнутом пространстве учитывается поправочным коэффициентом 0,8. Таким образом, получим 35,6 x 0,8 = 28,5 А, что не приемлемо для тока нагрузки 34 А.
Поэтому будет выбран автоматический выключатель на 50 А и соответствующая скорректированная уставка по току составит 44 x 0,8 = 35,2 А.
Компенсированные комбинированные расцепители
Эти расцепители содержат биметаллическую компенсирующую пластину, которая обеспечивает возможность регулировки уставки по току отключения при перегрузке (Ir или Irth) в установленных пределах независимо от температуры окружающей среды. Например:
в некоторых странах система заземления TT является стандартной в низковольтных распределительных системах, а бытовые (и аналогичные) электроустановки защищаются в месте ввода автоматическим выключателем, который устанавливается соответствующей энерго- снабжающей организацией. Такой автоматический выключатель, помимо защиты от косвенного прикосновения, обеспечит отключение цепей при перегрузках, если потребитель превысит уровень потребляемого тока, оговоренный в его контракте с энергоснабжающей организацией. Регулировка уставок автоматического выключателя с номинальным током менее 60 А возможна в диапазоне температур от -5 до +40°С.
Электронные расцепители
Важным преимуществом электронных расцепителей является их устойчивая работа при изменении температурных условий. Однако само распределительное устройство часто налагает эксплуатационные ограничения при повышенных температурах, поэтому изготовители обычно приводят рабочую диаграмму, на которой указываются максимальные значения допустимых уровней отключающих токов в зависимости от окружающей температуры (рис. H42).
Электронные расцепители устойчиво функционируют при изменении окружающей температуры

Рис. H42. Снижение уровня уставки автоматического выключателя Masterpact NW20 в зависимости от температуры
низковольтные автоматические выключатели с номинальным током менее 630 А обычно оснаща­ются компенсируемыми расцепителями для этого температурного диапазона (-5 до +40 °С).
Выбор уставок срабатывания без выдержки времени или с кратковременной выдержкой
Ниже на рис. H43 представлены сводные основные характеристики расцепителей, срабатывающих мгновенно или с короткой выдержкой времени.

Рис. H43. Различные расцепители (мгновенного действия или срабатывающие с короткой выдержкой времени)

Для установки низковольтного автоматического выключателя требуется, чтобы его отключающая способность (или отключающая способность выключателя вместе с соответствующим устройством) была бы равна или превышала расчетный ожидаемый ток короткого замыкания в месте его установки.
Автоматический выключатель, установленный на вы/ходе самого маленького трансформатора, должен иметь отключающую способность по короткому замыканию, которая превышает отключающую способность любого из других низковольтных автоматических вы/ключателей трансформаторов.
Выбор автоматического выключателя с учетом требований по отключающей способности при КЗ
Автоматический выключатель, предназначенный для использования в низковольтной электроустановке, должен удовлетворять одному из двух следующих условий:
или иметь номинальную отключающую способность Icu (or Icn), которая равна или превышает ожидаемый ток короткого замыкания, рассчитанный для этого места установки, или
если это не выполняется, то использоваться совместно с другим устройством, расположенным выше по цепи и имеющим требуемую отключающую способность.
Во втором случае характеристики этих двух устройств должны быть согласованы так, чтобы ток, который может проходить через вышерасположенное устройство, не превышал максимальный ток, который способны выдержать нижерасположенный выключатель и все соответствующие кабели, провода и другие элементы цепи без какого-либо повреждения. Данный метод целесообразен при использовании:
комбинаций плавких предохранителей и автоматических выключателей
комбинаций токоограничивающих автоматических выключателей и стандартных автоматических выключателей. Этот метод называют «каскадированием» (см. подпункт 4.5 данной главы)
Выбор автоматических выключателей вводных и отходящих линий Случай применения одного трансформатора
Если трансформатор расположен на потребительской подстанции, то в некоторых националь­ных стандартах требуется применение низковольтного автоматического выключателя, в котором были бы явно видны разомкнутые контакты, такого как, например, Compact NS выкатной выключатель.
Пример (рис. H44 на противоположной странице)
Какой тип автоматического выключателя пригоден для главного автомата защиты электроустановки, питаемой от трехфазного понижающего трансформатора мощностью 250 кВА и напряжением во вторичной обмотке 400 В, установленного на потребительской подстанции? Ток трансформатора In = 360 А Ток (трехфазный) Isc = 8,9 кА
Для таких условий подходящим вариантом будет автоматический выключатель Compact NS400N с диапазоном регулировки расцепителя 160 А - 400 А и отключающей способностью (Icu) 45 кА.

Несколько трансформаторов, включенных параллельно (рис. H45)
Каждый из автоматических выключателей CBP, установленных на линиях, отходящих от низковольтного распределительного щита, должен быть способен отключать суммарный ток короткого замыкания от всех трансформаторов, подсоединенных к шинам, т.е. Isc1 + Isc2 + Isc3.
Автоматические выключатели CBM, каждый из которых контролирует выход соответствующего трансформатора, должны быть способны отключать максимальный ток короткого замыкания, например, только ток Isc2 + Isc3 если короткое замыкании возникло в месте, расположенном выше выключателя CBM1.
Из этих соображений понятно, что в таких обстоятельствах автоматический выключатель самого маленького трансформатора будет подвергаться самому большому току короткого замыкания, а автоматический выключатель самого большого трансформатора будет пропускать наименьший ток короткого замыкания.
Номинальные токи отключения автоматических выключателей CBM должны выбираться в зависимости от номинальной мощности к КВА соответствующих трансформаторов.
Примечание: Необходимыми условиями для успешной параллельной работы трехфазных трансформаторов являются следующие:
фазовый сдвиг напряжений во вторичной и первичной обмотках должен быть одинаков во всех параллельно включенных трансформаторах
Отношение напряжений холостого хода в первичной и вторичной обмотках должно быть одинаковым для всех трансформаторов.
Напряжения короткого замыкания (Zsc%) должно быть одинаковыми для всех трансформаторов.
Например, трансформатор мощностью 750 кВА с Zsc = 6% будет правильно делить нагрузку с трансформатором мощностью 1000 кВА, имеющим Zsc = 6%, т.е. эти трансформаторы будут автоматически нагружаться пропорционально их мощностям. Для трансформаторов, у которых отношение номинальных мощностей превышает 2, параллельная работа не рекомендуется. В таблице, приведенной на рис. H46, указаны максимальные токи короткого замыкания, которым подвергаются автоматические выключатели вводных и отходящих линий (соответственно CBM и CBP на рис. H45), для самой распространенной схемы параллельной работы (2 или 3 трансформа­тора одинаковой мощности). Приведенные данные базируются на следующих допущениях:
трехфазная мощность короткого замыкания на стороне высокого напряжения трансформатора составляет 500 МВА
трансформаторы являются стандартными распределительными трансформаторами напряжением 20/0,4 кВ, характеристики которых приведены в таблице
кабели от каждого трансформатора к его низковольтному автоматическому выключателю состоят из одножильных проводников длиной 5 метров
между каждым автоматическим выключателем вводной цепи (CBM) и каждым автоматическим выключателем отходящей цепи (CBP) имеется шина питания длиной 1 м.
распределительное устройство расположено в напольном закрытом распределительном щите, температура окружающего воздуха - 30°С).
Кроме того, в этой таблице указаны модели автоматических выключателей серии производства Merlin Gerin, рекомендуемые для применения в каждом случае в качестве автоматических выключателей вводных и отходящих линий.
Пример (рис. H47 на следующей странице)
выбор автоматического выключателя вводной линии (CBM):
Для трансформатора мощностью 800 кВА In= 1126 А, Icu (минимальный ток)= 38 кА (из рис. H46). При таких характеристиках таблица рекомендует использовать модель Compact NS1250N (Icu = 50 кА)
выбор автоматического выключателя отходящей линии (CBP):
Из рис. H46 требуемая отключающая способность (Icu) для таких автоматических выключателей составляет 56 кА

Рис. H44. Пример установки автоматического выключателя на выходе трансформатора, расположенного на потребительской подстанции

Рис. H45. Параллельное включение трансформаторов
Для трех отходящих линий 1, 2 и 3 рекомендуется использовать токоограничивающие автоматические выключатели типа NS400 L, NS250 L и NS 100 L. В каждом случае номинальная отключающая способность Icu=150 кА.

Рис. H46. Максимальные токи короткого замыкания, которые должны отключаться автоматическими выключателями вводных и отходящих линий (соответственно CBM и CBP) при параллельной работе нескольких трансформаторов

Уровни токов короткого замыкания в любом месте электроустановки можно определить с помощью таблиц.
Эти автоматические выключатели обеспечивают преимущества:
полного согласования с характеристиками вышерасположенных автоматических выключателей (CBM), т.е. селективность срабатывания защит
использования метода «каскадирования» с соответствующей экономией затрат в отношении всех элементов, расположенных ниже по цепи.
Выбор автоматических выключателей отходящих и оконечных линий Использование таблицы G40
С помощью этой таблицы можно быстро определить величину трехфазного тока короткого замыкания в любом месте электроустановки, зная:
величину тока короткого замыкания в точке, расположенной выше места, предназначенного для установки соответствующего автоматического выключателя
длину, сечение и материал проводников между этими двумя точками.
После этого можно выбрать автоматический выключатель, у которого отключающая способность превышает полученное табличное значение.
Детальный расчет тока короткого замыкания
Для того чтобы более точно рассчитать величину тока короткого замыкания, особенно в случае, когда отключающая способность автоматического выключателя чуть меньше величины, полученной из таблицы, необходимо использовать метод, описанный в пункте 4 главы G.
Двухполюсные автоматические выключатели (для фазы и нейтрали) с одним защищенным полюсом
Такие автоматические выключатели обычно имеют устройство максимальной защиты только на полюсе фазы и могут применяться в системах TT, TN-S и IT. В системе IT должны выполняться следующие условия:
условие (B) из таблицы G67 для максимальной защиты нулевого проводника в случае двойного короткого замыкания
отключающая способность при КЗ: двухполюсный автоматический выключатель (фаза- нейтраль) должен быть способен отключать на одном полюсе (при линейном напряжении) ток двойного короткого замыкания, равный 15% трехфазного тока короткого замыкания в месте его установки, если этот ток не превышает 10 кА; или 25% трехфазного тока короткого замыкания, если он превышает 10 кА.
защита от косвенного прикосновения: такая защита обеспечивается в соответствии с правилами, предусмотренными для систем заземления IT.
Недостаточная отключающая способность при КЗ
В низковольтных распределительных системах, особенно сетях, эксплуатируемых в тяжелых условиях, иногда случается, что рассчитанный ток Isc превышает отключающую способность Icu автоматических выключателей, имеющихся в наличии для установки, или же изменения, произошедшие в системе выше, привели к превышению отключающих способностей автоматических выключателей.
Решение 1: Убедитесь в том, что соответствующие автоматические выключатели, расположенные выше тех, которых это коснулось,являются тогоограничивающими, поскольку в таком случае можно использовать принцип каскадного включения (см. подпункт 4.5).
Решение 2: Установите несколько автоматических выключателей с более высокой отключающей способностью. Такое решение представляется экономически целесообразно в том случае, если затронуты один или два автоматических выключателя.
Решение 3: Установите последовательно с затронутыми автоматическими выключателями и выше по цепи токоограничивающие плавкие предохранители (типа gG или aM). При этом такая схема должна отвечать следующим условиям:
предохранитель должен иметь соответствующий номинал.

Рис. H47. Параллельная работа трансформаторов
предохранитель не должен устанавливаться в цепи нулевого проводника за исключением определенных электроустановок системы IT, в которых при двойном коротком замыкании в нулевом проводнике возникает ток, превышающий отключающую способность автоматического выключателя. В этом случае расплавление предохранителя в нулевом проводнике приведет к тому, что этот автоматический выключатель отключит все фазы.

Метод «каскадирования» основан на использовании токоограничивающих автоматических выключателей и позволяет устанавливать ниже их по цепи коммутационные аппараты, кабели и другие элементы цепи со значительно сниженными номинальными характеристиками по сравнению с теми, которые бы иначе потребовались. Благодаря этому упрощается и удешевляется электроустановка.