Избор и съгласуване на автоматични прекъсвачи в уредби ниско напрежение

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2012

Избор и съгласуване на автоматични прекъсвачи в уредби ниско напрежениеИзбор и съгласуване на автоматични прекъсвачи в уредби ниско напрежениеИзбор и съгласуване на автоматични прекъсвачи в уредби ниско напрежение

Част 1. Етапи на проектиране на инсталациите, специфики и параметри на автоматичните прекъсвачи

  Специфицирането на параметрите и съгласуването на автоматичните прекъсвачи е част от процеса на планиране и проектиране на една уредба ниско напрежение (НН) и поради това е обвързан с предварителните етапи от този процес. На фиг. 1 са показани условно стъпките, които трябва да се извършат преди да се стигне до етапа “избор и съгласуване на прекъсвачи”, а в следващите абзаци съвсем общо са описани обхватът и смисълът на всеки един етап.

Изборът на автоматични прекъсвачи като етап от проектирането на уредба НН
Изборът на структура е първият етап от планирането на уредбата.
Критериите за определяне на структурата са от технологичен характер като: тип и големина на товарите, пространствено разпределение на товарите, и от експлоатационен характер – изисквания за сигурност (непрекъсваемост) и осигуреност (резервиране) на захранването за целия обект или за отделни консуматори, предвижданията и концепциите за бъдещо развитие, ремонтопригодност и др. На този етап се определят:
- захранващи източници
- топология на разпределителната мрежа

Вторият етап от планирането включва определяне броя, вида, основните функции и мощността на отделните елементи на електрооборудването:
- трансформатори СН/НН
- резервни генератори
- тоководещи елементи
- табла НН
- UPS
- филтри, устройства за коригиране на фактора на мощността.

На третия етап се оформят технически решения за всеки от горните елементи. В случая с таблата НН това включва избор на тип и структура на таблата и вида на комутационната апаратура в тях. Съставя се еднолинейната им схема. Критериите тук са мястото и функцията на таблото в структурата на уредбата, наред със специфичните експлоатационни изисквания като безопасност, въздействие на околната среда, енергийна ефективност, електромагнитна съвместимост и не на последно място - концепцията на потребителя за експлоатация и обслужване на уредбата, в това число степен на автоматизация, квалификация на обслужващия персонал и др. Цената естествено също играе своята роля в по-голяма или малка степен, в зависимост от възможностите на потребителя. В редица случаи на този или на по-ранен етап потребителят поставя изисквания за използване на определени производители и определени модели апаратура.

Комутационната апаратура в уредби ниско напрежение (НН) изпълнява комплекс от функции, които могат да бъдат обобщени в следните категории:
- Електрическа защита на тоководещи елементи (кабели, шини) и крайни електрически консуматори (електродвигатели, електроника, битова техника и т. н.)
- Защита на хора и животни от поражения от електрически ток
- Разединяване (с цел безопасност при обслужване)
- Управление (оперативно/функционално превключване или взаимни блокировки на електрически вериги под товар; може да бъде ръчно или автоматично, местно или дистанционно)

Видовете комутационни апарати, които използваме за реализиране на желаните функции, са:
- разединители
- товарови прекъсвачи
- автоматични прекъсвачи
- други устройства за електрическа защита
- контактори
- стопяеми предпазители
- дефектнотокови защити
- защити от пренапрежение.

При определени условия един автоматичен прекъсвач може да изпълнява едновременно, наред с основната си функция – електрическа защита, и още една или две от изброените функции, поради което автоматичните прекъсвачи са най-широко разпространеният тип комутационни апарати в уредби НН.

В така дефинираните с известна условност първи три етапа на планиране, ролята за вземане на решения често е поделена между потребителя и проектанта/доставчика, като съотношението може да варира в широки граници. Процесът е итеративен, тъй като изчисленията и качествените съображения, направени в даден етап, могат да предизвикат коригиране на решенията от предходни етапи.

В последния, четвърти етап се извършва детайлно проектиране на системата, в частност на таблата НН, и на този етап става специфицирането на параметрите на комутационната апаратура. Необходимо е параметрите на всеки един апарат да бъдат съгласувани с параметрите на останалата комутационна апаратура, тоководещите части и консуматорите. Този етап е обикновено прерогатив единствено на проектанта. Добре е още на предишните етапи, в които става планирането на структурата и нейните елементи, проектантът да има яснота какви типове комутационна апаратура са подходящи за използване на различни позиции в структурата. В противен случай, в процеса на реализиране на етапа детайлно проектиране може да се наложат корекции в избраните на предишните етапи концепции, а това не винаги е желателно, особено ако тези концепции вече са съгласувани с потребителя.

Специфики на автоматичните прекъсвачи в зависимост от мястото им в структурата на уредбата
На фигура 2 е показана типична структура на уредба НН. В лентите отстрани са показани типовете прекъсвачи, подходящи за използване на различните нива на уредбата.

ГРТ е главно разпределително табло. Функцията му е да захранва междинните и крайни електрически табла, както и отделни големи консуматори. Входящите прекъсвачи (П0-0) често изпълняват функции за превключване между захранващите източници, ръчно или автоматично (АВР). Изходящите прекъсвачи (П0-1) служат за защита на изходящите линии или на отделни големи крайни консуматори. Автоматично или дистанционно управление на изходящите прекъсвачи се налага да има сравнително рядко. Типичните стойности на работните токове на ГРТ е от няколкостотин до няколко хиляди ампера.

МРТ е междинно разпределително табло, откъдето се захранват крайни разпределителни табла или отделни, по-големи консуматори. Междинни разпределителни табла присъстват в големи уредби НН. В по-малки уредби крайните разпределителни табла (КРТ) могат да се захранват директно от ГРТ. Изходящите прекъсвачи (П1-1) в МРТ захранват крайните разпределителни табла или отделни, по-големи консуматори. КРТ захранват отделни консуматори, в това число и линии с разпределени консуматори.

Нормално е при планиране структурата на разпределителната уредба първо да бъдат определени местата на крайните разпределителни табла, като разпределението може да е по функционално и/или пространствено разпределение на товарите, като оптималното положение на всяко табло е в т. нар. център на товарите. На същите принципи става и планирането на разположението на таблата от по-високите нива – МРТ и ГРТ. Добре планираната мрежа дава минимален разход на инвестиции в линии и минимални загуби в тях. Понякога присъствието на междинни табла се налага и от чисто функционални или търговски причини. Например, когато мрежата НН принадлежи на един собственик или оператор, а крайните табла – на друг. Роля в планирането на крайните и междинни разпределителни табла играят и съображения за термична устойчивост на консуматорите и тоководещите линии в режим на късо съединение. Изнасянето на дадено табло, захранващо сравнително малка мощност по-далече от ГРТ автоматично внася импеданса на захранващата му линия във веригата на късо съединение, като по този начин ограничава и периодичната съставка на тока на късо съединение и ударния коефициент. Освен това присъствието на един или повече токоограничаващи прекъсвачи във веригата между захранващия източник и дадена линия или краен консуматор носи още по-голямо намаляване на тока на късо съединение. Това позволява намаляване на сеченията на крайните изходящи линии до максимално-допустимия им ток в установен режим и използване на по-евтини прекъсвачи за защита на крайните консуматори, а тези прекъсвачи са най-много на брой в една типична уредба.

Автоматично или дистанционно управление на изходящите прекъсвачи в КРТ и МРТ се налага много рядко. Що се отнася до входящите комутационни апарати на КРТ и МРТ (П1-0 и П2-0), те нямат значение за защитата на електрическите вериги, поради което на тези позиции не се налага поставяне на автоматични прекъсвачи. Изобразените на фиг. 2 апарати са товарови прекъсвачи. С тях се осигурява оптимален компромис между цената и удобството при експлоатация на таблото, а така също се постига по-добра селективност, тъй като въпросните прекъсвачи няма да се явяват като допълнителни звена във веригата последователни прекъсвачи. В редица случаи обаче поставянето на автоматични прекъсвачи на тези позиции се налага от други съображения – например, когато таблото се намира далече от висшестоящото табло или, когато последното не е достъпно за потребителите на долустоящото такова. Тогава е по-удачно евентуално късо съединение на шините на долустоящото табло да се изключи от неговия собствен входящ автомат. В редки случаи се налага да има АВР на междинни или крайни разпределителни табла, за което отново е удобно да се използват входящи автомати.

Основни параметри и типове на автоматични прекъсвачи
Автоматичните прекъсвачи, използвани на различните позиции в структурата на уредбата, работят при различни порядъци на работните токове и токовете на късо съединение, а така също имат и различни специфики на функциите, които изпълняват.

Основните параметри на автоматичните прекъсвачи съгласно БДС EN 60947-2 са:
In - Номинален ток. Задължително се указва за каква околна температура. Обикновено производителите предоставят таблици за корекция в зависимост от температурата.
Icu - Максимален изключвателен ток. Дава се в kА ефективна стойност на периодичната съставка на тока на к.с.*
Ics - Работен изключвателен ток. Това е токът, при който след изключване прекъсвачът може да се въведе незабавно в работа. Дава се в проценти от Icu.
Icw - Ток на термична устойчивост. Обикновено се указва само за въздушни прекъсвачи с възможност за голямо (до 1 s) времезакъснение на бързодействащата защита.
Icm - Максимален ток на включване. Дава се в kА пикова стойност на тока на к.с.*
Ui - Номинално напрежение на изолацията
Ue - Номинално работно напрежение.
Uimp - Издържано импулсно напрежение.
tbr - Собствено време за изключване (от подаване на импулса до загасване на дъгата).
tm - Време за включване.

Функция за разединяване - указва се дали удовлетворява изискванията на БДС EN 60947-3 за използване в качеството на разединител.

Механична и електрическа износоустойчивост - указва се в брой цикли съответно без ток и при номинален ток.

Параметри на максималнотоковите защити на прекъсвачите
Ir - Ток на термична защита. Съгласно БДС EN 60947-2 продължителният (2 или 1 часа) ток на неизключване е 1.05 Ir, а продължителният ток на изключване – 1.3 Ir**. При електромеханични термични защити без температурна компенсация тези стойности могат чувствително да се променят при температура на околната среда, различна от стандартната, което следва да се указва от производителя и да се има предвид при използване. Тук се отчита както работната температура в помещението, така и установената работна температура вътре в таблото. Значение има също началното термично състояние на самия прекъсвач: топло или студено, като производителят може да даде два комплекта характеристики за двата случая.

Isd (Im) - Ток на бързодействащата защита. Означението Im се използва за прекъсвачи с електромагнитен изключвател без времезакъснение.
tsd - Времезакъснение на бързодействащата защита.
Ii - Ток на мигновената защита. При прекъсвачи с електромагнитен изключвател без отделен защитен блок, мигновената защита и бързодействащата защита са едно и също нещо и величината Ii не се специфицира.

В зависимост от сложността на защитата, на настройка подлежат по-голям или по-малък брой параметри. На фигура 3 е изобразена характеристика, включваща повечето нормално подлежащи на настройка параметри. На тази илюстрация характеристиката е изобразена като линия. В действителност, винаги съществува толеранс на задействането и реалната характеристика представлява зона, ограничена между две успоредни криви.

Характеристиката на термичната защита е крива, описваща се със зависимост от типа:
T = ((A/((I.Ir)a – 1) + B) . k . tr
При настройка на Ir се получава семейство от криви, изместени в хоризонтално направление. При настройка на tr се получава отместване във вертикално направление. При настройка на степента a (всъщност стъпален избор между няколко стандартни стойности) се получава различна форма (вдлъбнатост) на характеристиката.

Бързодействащата защита, независимо дали е снабдена или не с настройваемо времезакъснение, нормално има независима от тока характеристика. Но най-сложните защити позволяват използване и на обратнозависима характеристика t = f(I), от същия вид като тази на термичната защита.

Най-простите автоматични прекъсвачи, каквито са миниатюрните прекъсвачи, нямат настройка на защитите. Изключвателните характеристики на миниатюрните прекъсвачи са стандартизирани по БДС EN 60898 за апаратите с приложение в бита и БДС EN 60947-2 за тези с промишлено приложение. Характеристиките на термичните им защити съгласно тези стандарти са описани по-горе. Кривата на термичните защити има форма, подобна на тази на настройваемите защити на големите прекъсвачи, и се получава в резултат от термично действие на тока при протичането му през елементите на електромеханичния изключвател. Токът на термичната защита Ir на миниатюрните прекъсвачи винаги е равен на номиналния им ток.

Изключвателните характеристики на бързодействащите защити на миниатюрните прекъсвачи са определени от същите стандарти, както следва:
Битови миниатюрни прекъсвачи:
Крива В: 3In Ј Im і 5In
Крива C: 5In Ј Im і 10In
Крива D: 10In Ј Im і 20In
Промишлени миниатюрни прекъсвачи:
Крива K: 8In Ј Im і 12In
Крива Z: 2In Ј Im і 4In

Въздушни прекъсвачи – приложение в ГРТ
Поради близостта до захранващите трансформатори, токовете на късо съединение, протичащи през прекъсвачите на ГРТ, могат да бъдат от няколко десетки до над 100 килоампера. Пак по същата причина, съотношението между реактивния и активен импеданс X/R във веригата на тока на късо съединение е сравнително голямо, което обуславя и значителен ударен ток на късо съединение. Ето защо основно изискване към такива прекъсвачи е да имат голяма изключвателна способност (Icu) и голяма електродинамична устойчивост. Подходящи за тази позиция са въздушните прекъсвачи, които се конструират основно с оглед да покриват тези изисквания.

Типични стойности на номиналните токове на такива прекъсвачи са между 630 и 6300 А.
Въздушните прекъсвачи НН се задействат от пружинен механизъм. Като правило този механизъм е с моторно зареждане, но се предлагат и въздушни прекъсвачи с ръчно зареждане. Изключването нормално се осъществява чрез освобождаване на механизма от изключвателна бобина, задействана от отделно обособен блок за защита. Въздушните прекъсвачи имат предвидени електрически вериги за управление и сигнализация на състоянието, които участват в схемите за автоматично и/или дистанционно управление. Предлагат се аксесоари като минималнонапреженови изключвателни бобини, допълнителни сигнализиращи контакти за различни състояния (включен/изключен от защита, състояние на пружината, положение на количката и т. н.), механично заключване, електрически и механични взаимни блокировки със съседни прекъсвачи и др. Произвеждат се във фиксирано или в изваждаемо (на количка) изпълнение.

Въздушните прекъсвачи се комплектоват със сменяеми електронни блокове за многостъпална максималнотокова защита с голям брой настройваеми елементи. Като опция се предлагат и функции за земна защита, високочувствителна земна защита със сумиращи токови трансформатори, напреженови, честотни и други защити. Блоковете за защита могат да имат графични дисплеи за визуализация на моментните и интегрални електрически величини, за исторически данни и за регистрация на аварийни процеси и могат да се интегрират в цифрови системи за управление.

Важна особеност за прекъсвачите от горните нива на уредбата е, че техните бързодействащи защити се настройват да сработват с времезакъснение, за да дадат възможност на долустоящите прекъсвачи да изключат селективно късо съединение след тях. Такива прекъсвачи се квалифицират по БДС EN 60947-2 като категория В, за разлика от прекъсвачите тип А, при които бързодействащата защита задейства без нарочна задръжка по време. Следователно, прекъсвачите от категория В трябва да имат и голяма термична устойчивост на тока на късо съединение (Icw). Прекъсвачите, осигуряващи пълна селективност при токове на късо съединение до максимално допустимата стойност Iк.с. = Icu, могат да издържат този ток за максималното предвидено време за задържане на бързодействащата защита, т. е. за тези прекъсвачи Icw= Icu.

Мигновената защита няма настройка по време, а може да има такава само по ток – Ii. При прекъсвачи от тип В с Icw= Icu, тази защита може да бъде извеждана изцяло. При прекъсвачи с Icw < Icu, мигновената защита трябва да сработва задължително при ток на късо съединение Iк.с. і Icu, така че да предпази самия прекъсвач от повреда. Някои производители снабдяват прекъсвачите си с директна мигновена защита, неподлежаща на пренастройка, която сработва независимо от защитния блок. Изключването се осъществява от механизъм, задействан директно от електродинамичните сили, създадени от протичането на тока през конструктивните елементи на контактите на прекъсвача.

Прекъсвачи в лят корпус-приложение в ГРТ и МРТ
Основното приложение на прекъсвачите в лят корпус, чийто типичен диапазон на работни токове е от 16 до 1600 А, е в междинните разпределителни табла, а при по-малки уредби – в ГРТ. Този вид прекъсвачи също се конструират с голяма изключвателна способност (до 150 kА). Същевременно по-малките работни токове предполагат присъединяване на проводници с по-малко сечение и консуматори с по-малка термична и електродинамична устойчивост на късо съединение. Ето защо съществено отличие на този тип прекъсвачи е изискването за голямо бързодействие при големи токове и голямо токоограничаване. Същевременно термичната устойчивост Icw на този тип прекъсвачи е по-малка, което спомага за намаляване на размерите и цената им. Прекъсвачите в лят корпус могат да бъдат снабдени с различни по сложност защити:

- Настройваема термична защита (с механично действие на основа на биметална пластинка) и фиксирана мигновена електромагнитна защита (с електромагнит, въздействащ директно върху механизма на контактната система). Тази концепция се прилага в по-малки прекъсвачи (до 100 А).

- Сменяем електромеханичен блок с настройваема термична защита и фиксирана или настройваема електромагнитна защита в този случай се предлагат серии от блокове за различни обхвати по работен ток. По този начин, в зависимост от подбраната защита, прекъсвач от един типоразмер може да защитава ефективно вериги с диапазон от десетина процента до 100% In.

- Сменяем електронен защитен блок. Функциите са подобни на тези, предлагани към въздушните прекъсвачи, но обикновено с по-малък брой настройваеми параметри.

В повечето случаи бързодействащата защита на прекъсвачите с лят корпус е без времезакъснение (категория А). Изключение могат да правят само най-големите прекъсвачи от този клас. Използват се и директни механизми за изключване на електродинамичен принцип с голямо бързодействие, независимо от защитния блок
Прекъсвачите с лят корпус по-често са с ръчно зареждане на пружината, но могат да се надграждат с моторно задвижване и всички аксесоари за дистанционно управление и сигнализация, каквито се предлагат за въздушните прекъсвачи. Предлагат се за фиксиран монтаж, изваждаеми на цокъл и на количка.

Защити на крайни консуматори - приложение в КРТ
Изходящите прекъсвачи на крайните разпределителни табла биват основно две категории:
- Миниатюрни прекъсвачи
- Прекъсвачи за моторна защита

Диапазонът на номиналните токове на миниатюрните прекъсвачи обикновено е от 0,5 до 125 А, а изключвателната им способност – до 50 kА.

Миниатюрните прекъсвачи са снабдени обикновено с термичен и електромагнитен изключвател с фиксирани настройки. Сравнително по-рядко се използват прекъсвачи само с електромагнитен изключвател (характеристика МА). Те се използват за защита на електродвигатели само от ток на късо съединение, докато за защитата от претоварване се предвижда отделен апарат.

При избор на миниатюрни прекъсвачи защитните им характеристики се избират с оглед оптимално съгласуване с характеристиките на защитаваните консуматори. Съвременните миниатюрни прекъсвачи се изработват със стандартизирани размери за монтаж на DIN шина. Предлагат се допълнителни модули за сигнализация и възможност за надграждане с дефектнотокова защита.

Прекъсвачите за моторна защита имат номинални токове в диапазона на миниатюрните прекъсвачи. Те са снабдени с настройваема термична защита и с електромагнитна защита, задействаща при фиксирана кратност на тока на термичната защита. Типична кратност за моторни прекъсвачи е 12 ё 14 Ir. Някои производители предлагат допълнителни модули не само за сигнализация, но и бобини за дистанционно изключване или минималнонапреженови бобини.

* Стандартът взема предвид типичните съотношения X/R във веригите на тока на късо съединение, които обуславят големината на ударния ток, като предписва различни коефициенти за различни големини на периодичната съставка. Така че при прекъсвачи, произведени по БДС EN 60947-2, електродинамичната устойчивост е гарантирана по подразбиране.

** БДС EN 60947-2 се отнася за прекъсвачи с промишлено предназначение. Битовите прекъсвачи са обект на стандарт БДС EN 60898. Границите на задействане на термичния изключвател от продължителен ток за битови прекъсвачи се дефинират по този стандарт съответно: 1,13In Ј Ir і 1.45(2,55)In . Числото в скоби е за студено състояние на прекъсвача, а това без скоби – за топло.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top