4.5 Согласование характеристик автоматических выключателей
Каскадирование Определение метода каскадирования
Ограничивая пиковую величину тока короткого замыкания, проходящего через его токоограничивающий автоматический выключатель позволяет использовать во всех цепях, расположенных ниже места его установки, коммутационные аппараты и элементы цепей с гораздо меньшими отключающими способностями и термической и электродинамической устойчивостью по сравнению с теми, которые потребовались бы в противном случае. Меньшие физические размеры и сниженные требования к характеристикам приводят к значительной экономии и существенному упрощению монтажных работ. Стоит отметить, что хотя токоограничивающий автоматический выключатель влияет на нижерасположенные цепи, увеличивая, по-видимому, полное сопротивление источника питания при коротком замыкании, он не оказывает такого влияния в любое другое время; например, при включении крупного электродвигателя (когда низкое полное сопротивление источника питания весьма желательно). Особый интерес представляет новая серия токоограничивающих автоматических выключателей Compact с высокими ограничивающими характеристиками (NS 100, NS 160, NS 250 and NS 400).
В целом, для проверки того, что условия применения соответствуют требованиям национальных стандартов, требуются лабораторные испытания, а изготовителями должны поставляться совместимые комбинации коммутационных аппаратов.
Условия применения
Большинство национальных стандартов допускают применение метода каскадного включения коммутационных аппаратов при условии, что количество энергии, проходящей через токоограничивающий автоматический выключатель, меньше того, которое все нижерасположенные автоматические выключатели и элементы цепи способны выдержать без повреждений.
На практике это можно проверить только проведением лабораторных испытаний с автоматическими выключателями. Такие испытания проводятся изготовителями, которые сообщают их результаты в виде таблиц. Благодаря этому пользователи могут уверенно проектировать схему каскадного включения выключателей, основанную на комбинации рекомендованных типов автоматических выключателей. Например, на рис. H48 показаны возможности каскадирования автоматических выключателей типа C60, DT40N, C120 и NG125, расположенных ниже токоограничивающих автоматических выключателей типа NS 250 N, H or L в трехфазной электроустановке напряжением 230/400 В или 240/415 В.
Рис. H48. Пример возможностей каскадирования в трехфазной электроустановке напряжением 230/400 В или 240/415 В
Селективность отключения может быть полной или частичной и зависеть от принципов согласования уровней токов, времен выдержки или комбинации тех и других. Одна из последних разработок основана на использовании принципов логики. В системе, запатентованной Merlin Gerin, используются преимущества как токоограничения, так и селективности отключения.
Преимущества каскадирования
Ограничение тока дает преимущества всем нижерасположенным цепям, которые управляются
соответствующим токоограничивающим автоматическим выключателем.
Данный принцип не является ограничивающим, т.е. токоограничивающие автоматические
выключатели могут устанавливаться в любом месте электроустановки, в котором
нижерасположенные цепи имели бы в противном случае неадекватные характеристики.
Преимущества:
упрощение расчетов токов короткого замыкания
более широкий выбор нижерасположенных коммутационных аппаратов и бытовых приборов
использование коммутационных аппаратов и бытовых приборов, рассчитанных на более легкие условия эксплуатации и, следовательно, менее дорогих.
экономия пространства, поскольку оборудование, рассчитанное на меньшие токи, обычно является более компактным.
Селективное отключение
Селективность отключения обеспечивается автоматическими защитными устройствами и состоит в том, что короткое замыкание, возникшее в любом месте электроустановки, отключается защитным устройством, расположенным непосредственно выше этого места, а все остальные защитные устройства не отключаются (рис. H49).
Рис. H49. Полная и частичная селективность
Согласование характеристик (селективность срабатывания) автоматических выключателей A и B является полным, если максимальная величина тока короткого замыкания в цепи B (IscB) не превышает уставку автоматического выключателя A по току отключения (ImA). При этом условии только выключатель B будет отключчать ток (рис. Н50).
Согласование характеристик (селективность срабатывания) автоматических выключателей A и B является частичным, если максимально возможный ток короткого замыкания в цепи B превышает уставку автоматического выключателя A по току отключения. В таких условиях оба выключателя A и B будут отключать ток (рис. Н51).
Защита от перегрузки: селективность отключения, основанная на уровнях токов (Рис. Н52а)
Данный метод реализуется посредством задания последовательности порогов отключения на разных уровнях электроустановки, от более низких уставок по току для нижерасположенных коммутационных элементов к более высоким уставкам по мере приближения к источнику питания. Как указывалось в предыдущих примерах, в зависимости от конкретных условий селективность может быть полной или частичной. Практически селективность отключения обеспечивается, когда
Защита от малых токов короткого замыкания: селективность отключения, основанная на дискретных временах выдержки (Рис. H52b)
Данный метод реализуется посредством регулировки расцепителей, срабатывающих с выдержкой времени, при этом нижерасположенные реле имеют самые короткие времена срабатывания, а по мере приближения реле к источнику питания время выдержки последовательно возрастает.
В показанной двухуровневой схеме вышерасположенный автоматический выключатель A имеет достаточное время выдержки, чтобы обеспечить полное согласование с характеристиками выключателя B (например, выключатель типа Masterpact с электронным расцепителем). Селективность отключения, основанная на комбинации методов 1 и 2 (Рис. H52c)
Механизм временной выдержки, добавленный к схеме, основанной на согласовании уровней токов, может повысить общую эффективность селективного отключения
Селективность является полной, если Isc B < Irm A (мгновенное срабатывание). Вышерасположенный автоматический выключатель имеет две уставки быстродействующего магнитного расцепителя:
Irm A (с выдержкой времени) или SD1 (электронный таймер)
Irm A (мгновенное срабатывание) стандартная уставка (выключатель Compact типа SA)
Защита от больших токов короткого замыкания: селективность отключения, основанная на уровнях энергии дуги:
Эта технология, реализованная в токоограничивающих автоматических выключателях серии Compact NS, очень эффективна для обеспечения полной селективности.
Принцип действия: когда очень большой ток короткого замыкания обнаруживается двумя автоматическими выключателями A и B, контакты одновременно размыкаются, в результате чего величина этого тока ограничивается.
Очень высокий уровень энергии дуги (B) вызывает отключение автоматического выключателя B.
После этого уровень энергии дуги ограничивается уровнем A и эта величина энергии недостаточна для того, чтобы вызвать отключение автоматического выключателя A.
Поскольку нижерасположенный автоматический выключатель имеет меньшие параметры, он будет ограничивать ток на более низком уровне, чем вышерасположенный автоматический выключатель.
Практически селективность отключения автоматических выключателей Compact NS обычно является полной, если соотношение номинальных токов выключателей A и B превышает 2,5.
Селективность на основе уровней токов
Селективность на основе уровней токов достигается за счет использования дискретных уставок максимальных расцепителей мгновенного действия по току.
Селективность на основе уровней токов достигается использованием автоматических выключателей, предпочтительно токоограничивающего типа, и дискретных уставок максимальных расцепителей мгновенного действия по току.
Нижерасположенный автоматический выключатель не является ограничителем тока.
В такой ситуации абсолютная селективность практически невозможна, поскольку токи Isc A и Isc B примерно равны, поэтому оба автоматических выключателя будут, как правило, отключать цепи одновременно. В этом случае селективность является частичной и ограниченной величиной тока Irm вышестоящего автоматического выключателя (Рис. Н51).
Нижерасположенный автоматический выключатель является ограничителем тока. Улучшенное селективное отключение можно получить, установив его в ниже расположенном месте.
В случае короткого замыкания в месте, расположенном ниже выключателя B, ограниченный уровень пикового тока IB вызовет срабатывание соответствующим образом настроенного максимального расцепителя выключателя B, но будет недостаточен для того, чтобы вызвать отключение автоматического выключателя A.
Рис. Н50. Полное согласование характеристик автоматических выключателей A и B
Рис. H51. Частичное согласование характеристик автоматических выключателей A и B
Рис. H52. Селективное отключение
Примечание: Всем рассмотренным здесь низковольтным выключателям присуща некоторая степень токоограничения, даже тем, которые не относятся к токоограничивающим. Это является причиной нелинейной характеристики, показанной для стандартного автоматического выключателя A на рис. Н53. Однако для нормальной работы такой схемы необходимы тщательные расчеты и испытания.
Рис. H53. Нижерасположенный токоограничивающий автоматический выключатель B
■ Вышерасположенный автоматический выключатель является быстродействующим и срабатывает с короткой выдержкой времени. Такие выключатели оснащаются расцепителями, обеспечивающими нерегулируемую механическую короткую задержку срабатывания. Эта задержка является достаточной, чтобы обеспечить полную селективность с любым нижерасположенным быстродействующим автоматическим выключателем при любом токе короткого замыкания вплоть до Irms (рис. H54).
Рис. H54. Использование вышерасположенного «селективного» автоматического выключателя
Для реализации принципа селективности, основанного на отключении цепей с выдержкой времени, используются автоматические выключатели, которые в некоторых странах называют «селективными». Применение таких выключателей является относительно простым и заключается в задерживании момента выключения нескольких последовательно соединенных автоматических выключателей.
Пример
Автоматический выключатель A: серия Compact NS250 N с расцепителем, имеющим короткую задержку срабатывания
Ir = 250 А, максимальный расцепитель настроен на ток отключения 2000 А Автоматический выключатель B: Compact NS100N Ir = 100 А
В каталоге выключателей Merlin Gerin указан предельный ток при селективном отключении 3000 А (что превышает величину 2500 А, полученную при использовании стандартного расцепителя).
Селективность по времени срабатывания
Для реализации этого метода необходимо:
■ встроить «таймеры» в механизмы расцепителей автоматических выключателей
использовать автоматические выключатели, способные выдерживать тепловые и механические нагрузки при повышенных уровнях токов и предполагаемых выдержках времени. Два последовательно соединенных автоматических выключателя A и B (т.е. пропускающих один и тот же ток) являются селективными, если период выключения тока нижерасположенным выключателем B меньше, чем время невыключения выключателя A.
Селективность на нескольких уровнях
Пример практической схемы с использованием автоматических выключателей Masterpact (MG) (с электронными устройствами защиты). Эти выключатели могут быть оснащены регулируемыми таймерами, имеющими 4 дискретные временные уставки, при этом:
выдержка, соответствующая данному уровню, превышает общее время выключения тока на следующем ниже расположенном уровне.
выдержка, соответствующая первому уровню, превышает общее время выключения короткого замыкания быстродействующего автоматического выключателя (например, типа Compact NS) или плавких предохранителей (рис. H55)
Рис. H55. Селективность по временной выдержке
Возможны схемы селективного выключения, основанные на методах логики с использованием автоматических вы/ключателей с электронными расцепителями, предназначенными для этой цели (Compact, Masterpact) и соединенных цепями управления.
Логическая схема селективности
Для этой системы селективного отключения требуются автоматические выключатели, оснащенные специальными электронными расцепителями, вместе с цепями управления для обмена данными между автоматическими выключателями. При наличии двух уровней A и B (рис. H56), автоматический выключатель A настраивается на мгновенное отключение, если реле автоматического выключателя B не отправит сигнал подтверждения того, что ниже выключателя B произошло короткое замыкание. Этот сигнал вызовет задержку срабатывания расцепителя выключателя A и тем самым обеспечит резервную защиту в случае, если выключатель B не сможет выключить это короткое замыкание и т.д. Кроме того, эта система, запатентованная под торговой маркой Merlin Gerin, позволяет быстро обнаружить место короткого замыкания.
Рис. H56. Логическая схема селективного отключения
4.6 Селективное отключение трансформатора на потребительской подстанции
Обычно трансформатор на потребительской подстанции защищается высоковольтными плавкими предохранителями, имеющими соответствующий этому трансформатору номинал, в соответствии с принципами, изложенными в стандартах IEC 60787 и IEC 60420, и рекомендациями изготовителя указанных предохранителей.
Основное требование состоит в том, чтобы высоковольтный плавкий предохранитель не срабатывал при низковольтных коротких замыканиях, происходящих ниже низковольтного автоматического выключателя этого трансформатора с тем, чтобы кривая отключения этого выключателя располагалась слева от кривой плавления высоковольтного предохранителя. Это требование обычно определяет максимальные уставки срабатывания защиты, обеспечиваемой низковольтным автоматическим выключателем:
максимальная уставка магнитного расцепителя по отключаемому току короткого замыкания
максимальное время выдержки, допустимое для данного расцепителя (рис. H59)
мощность короткого замыкания на высоковольтных вводах трансформатора: 250 МВА
Рис. H59. Пример
трансформатор: 1250 кВА, 20/0,4 кВ
высоковольтные предохранители: 63 А
кабели между трансформатором и низковольтным автоматическим выключателем: 10- метровые одножильные
низковольтный автоматический выключатель: Compact NS 2000, настроенный на ток 1800 А (Ir) Какова максимальная уставка по отключаемому току короткого замыкания и максимально допустимое время выдержки?
График на рис. H60 показывают, что селективное отключение обеспечивается, если расцепитель автоматического выключателя, имеющий короткую задержку срабатывания, настроен на:
ток у 6 Ir = 10,8 кА
выдержку времени O или A
Рис. H60. Кривые срабатывания высоковольтных плавких предохранителей и низковольтного автоматического
выключателя
