Избор и съгласуване на автоматични прекъсвачи в уредби ниско напрежение

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 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 напрежениеИзбор и съгласуване на автоматични прекъсвачи в уредби ниско напрежение

Част 2. Избор на параметри, каскадиране, съгласуване и селективност.

Избор на параметрите на автоматични прекъсвачи
След като са изяснени оперативните изисквания към прекъсвачите, работното напрежение и максимално импулсно напрежение и максималните товари на електрическите табла, и е избран типът на прекъсвачите, следва изборът да се детайлизира, като се определят основните параметри по ток.

Критериите при избора са:
- термична и електродинамична устойчивост на прекъсвачите в режим на късо съединение;
- съгласуване на защитните криви на прекъсвачите с характеристиките на защитаваното оборудване и тоководещи части за целия диапазон от работния ток до максималния ток на късо съединение;
- осигуряване на селективност при изключване на последователни прекъсвачи и други защитни устройства.

Термична и електродинамична устойчивост на прекъсвачите в режим на късо съединение
Осигуряването на термична и електродинамична устойчивост на прекъсвачите се заключава в избор на прекъсвачи с такива параметри, които да удовлетворяват следните условия:
(1а) Icu і Ics > Iк.с. max,
или като минимум
(1б)  Icu > Iк.с. max > Ics
(2)   Icw> Iк.с. max
(3)  Icm> i(уд)к.с. max,
където Iк.с. max  е периодичната съставка на максималния ток на късо съединение, i(уд)к.с. max e амплитудата на ударния ток на максимално късо съединение.

При изпълнение на условие (1а), прекъсвачът е готов да бъде включен незабавно след изключването на късото съединение и да направи поне още един цикъл, докато при изпълнение само на условие (1б) прекъсвачът не бива да бъде включван веднага след изключването.

Условие (2) е релевантно само за прекъсвачи с възможност за нарочно забавяне на бързодействащата защита. Тогава стойността на Icw, с която извършваме проверката, се взема от таблиците на производителя за именно тази стойност на времезакъснението, която смятаме да използваме.

Стойността Icm (условие 3) нормално се указва само за големи прекъсвачи, за които се предполага, че се използват близо до захранващия трансформатор и са свързани към него с кабели (шинопроводи) с голямо сечение, така че очаквания коефициент на ударния ток е голям.

Изключвателна способност на прекъсвачите и каскадиране
Каскадирането е термин, който се прилага към последователното включване на два прекъсвача в дадена верига, като при това поне висшестоящият прекъсвач има т. нар. токоограничаване.

Физическата същност на токоограничаването се състои в това, че в процеса на отваряне на контактите на прекъсвача между тях възниква електрическа дъга, която добавя във веригата на тока на късо съединение както допълнително активно съпротивление, така и противоелектродвижещо напрежение, чиято големина зависи от скоростта, с която се раздалечават контактите.

Всеки прекъсвач, а така също и стопяемите предпазители има някакво токоограничаване, доколкото изключването на тока на късо съединение винаги е свързано с възникване на дъга. Съвременните производители на прекъсвачи обаче разработват специални технологии, за да увеличат възможно най-много ефекта на токоограничаване. Основно целта на всички тези технологии е намаляване времето, нужно на контактите да започнат да се отварят и увеличаване скоростта на раздалечаването им.

И така, когато това отваряне започне още в първия полупериод на тока на късо съединение, преди да е достигната първата му (и най-голяма, заради ударния ток) пикова стойност, имаме ефективно токоограничаване. При това токът, протичащ във веригата след прекъсвача, има по-малък от очаквания (изчислителен) ток на късо съединение. Добрите токоограничаващи прекъсвачи ограничават амплитудата на тока до около 10% от амплитудата на периодичната съставка на очаквания ток на късо съединение.

Токоограничаването има редица положителни ефекти от различно естество за уредбата, затова всеки от тях ще бъде разглеждан поотделно в следващите точки. Тук първо ще стане дума за най-очевидния от тях, а именно: след като имаме токоограничаващ прекъсвач на вишестояща позиция (например П1-1 от фиг.1), можем да изберем долустоящ прекъсвач (за примера – П2-1) с много по-малка изключвателна способност (Icu, Ics). За целта производителите предлагат криви, от които може да се определи колко ще бъде пиковата стойност на ограничения ток в зависимост от изчислената очаквана ефективна стойност на периодичната съставка на тока на късо съединение (фиг. 2а).

Ефектът от каскадирането се мултиплицира, ако в каскадата са включени повече от един токоограничаващи прекъсвачи, като всеки от тях работи в режим на токоограничение. Физически, това се основава на факта, че токоограничаващото действие на един прекъсвач не е непременно свързано с последващо изключване. Когато се получи късо съединение с достатъчно голям ток след долустоящия прекъсвач, бързодействащите елементи от защитите и на двата прекъсвача започват отделяне на техните контакти, възниква дъга и се осъществява токоограничаването. При това, ако прекъсвачите са подбрани със селективни защитни характеристики, долустоящият прекъсвач ще изключи по-бързо и контактите на висшестоящия ще се върнат във включено положение, като така се съхрани и принципът на селективност. За съжаление, ефектът от последователното токоограничаване не е пропорционален, а по-малък, защото, както се вижда от кривата, ефектът на токоограничаване намалява с намаляване на стойността на очаквания ток на късо съединение.

Съгласуване на защитните криви на прекъсвачите с характеристиките на защитаваното оборудване и тоководещи части
По същество това означава първо: избор на прекъсвач с подходяща за защитавания обект защитна характеристика и второ: избор на настройките на тази характеристика, ако има настройваеми такива.

Фиг. 3 и фиг. 4 изобразяват характеристиките на два от най-често срещаните обекти за защита - кабел и асинхронен електродвигател.

Кабелите са чувствителни към термичното въздействие на протичащия през тях ток. Термичната устойчивост на един примерен кабел като функция на допустимата продължителност на протичане на тока от големината му е изобразена със синята крива на фиг. 3. В установен режим (по-дълъг от 1 до 6 часа, в зависимост от кабела) съществува равновесие между отделената в резултат на протичането на тока топлина и отдадената в околната среда топлина. При това, в зависимост от големината на тока, температурата на равновесното състояние е различна. Производителите на кабели указват максималния работен ток на кабела така, че температурата му в установен режим да не превишава максимално допустимата за дадения тип кабел температура. Този ток е изобразен с вертикалния участък 1 от характеристиката на кабела. При продължително превишаване на максимално допустимия работен ток, респективно температура, изолацията на кабела старее бързо и в определен момент се стига до пробив. Задължително се указват също така условията на полагане на кабелите и температурата на околната среда, при които е даден максимално допустимият продължителен ток. При отклонения от стандартните условия се използват коефициенти за корекция на тази стойност.

В режим на късо съединение (с времетраене до 10 s) процесът е адиабатен, т. е. отделената в резултат от протичане на тока топлина няма време да се отдели в околното пространство, а отива изцяло за повишаване температурата на кабела. В резултат температурата се повишава толкова, че може да се стигне до незабавна повреда на кабела. Кривата на тока, при който се достига максимално допустимата кратковременна температура за дадения тип кабел, се описва със зависимостта I2t = k2S2, където I е токът, t – продължителността на протичането му, а S – сечението на кабела, k е коефициент, който зависи от материала на проводника и от материала на изолацията. Тази зависимост е изобразена с участък 3 от характеристиката на кабела.

Междинният случай на токове на претоварване, по-големи от максимално допустимия продължителен ток с продължителност от 10 секунди до 1 час е изобразен с пунктирания участък 2 от характеристиката на кабела. Нормално производителите не предоставят данни, характеризиращи този процес, а и не е нужно. По същество в този диапазон попадат претоварвания, свързани с включване на допълнителни товари или увеличаване на мощността им. За разлика от пусковите токове на електродвигатели, които нормално траят под 10 s и могат да се предвидят при проектирането както по големина, така и по продължителност, токът на претоварвания от оперативно естество може да бъде предвиден, но не и точната му продължителност. Ето защо практически кабелите линии се избират при проектиране с максимално допустим ток, по-голям от максималния работен ток на линията, включващ и такива претоварвания, отчетени с подходящ избор на коефициентите на едновременност на всички консуматори.

Така че зоната на нормална работа (зелената щриховка на фиг. 4) представлява правоъгълник, ограничен отдясно от големината на максимално допустимия ток на кабела. Зоната на повреда (червената щриховка) се намира надясно от кривата на термична устойчивост на кабела.

Правилно подбраната защита на един кабел трябва да има характеристика (сивата щриховка), изцяло разположена в зоната между зоната на нормална работа и зоната на повреда. Така постигаме едновременно защита на кабела от повреда и неизключване на консуматорите в нормален работен режим. На практика изборът на защитните параметри на автоматичен прекъсвач за защита на кабел се извършва по три точки:
1) Ток на термична защита.
Необходимо е Iраб< Ir< Iкаб,
където Iраб е максималният ток на товара, а Iкаб – максимално допустимият продължителен ток на кабела.
2) Изключване на минимален ток на късо съединение.

Необходимо е продължителността на въздействие на тока да е достатъчно малка, така че да не се превиши максимално допустимата температура на кабела. С други думи, пресечната точка t1 на кривата на изключване на прекъсвача и вертикалната права, описваща минималния ток на късо съединение, да бъде под кривата на термична устойчивост на кабела. За да се извърши тази проверка, всъщност не е нужно да се построява кривата на термична устойчивост на кабела. Достатъчно е да е изпълнено I2t Ј k2S2. Продължителността на протичане на тока t се отчита от защитната характеристика на прекъсвача за стойността на тока на късо съединение.
3) Изключване на максимален ток на късо съединение. Аналогично на горното.

Освен тези три точки, останалите части от характеристиката на прекъсвача нямат пряко отношение към защитата на кабела. Тях обаче подбираме така, че да се постигне селективност с долустоящите прекъсвачи и, ако защитаваме едновременно кабела заедно с присъединените към него консуматори, съгласуване с характеристиките и на консуматора.

Такъв случай е илюстриран на фиг. 4 - защита на асинхронен електродвигател и захранващия го кабел. Тук са представени кривата на термична устойчивост на кабела (отново в синьо) и пусковата крива и кривата на термична устойчивост на електродвигателя (с червено). Избраният кабел е с максимално допустим ток, по-голям от номиналния ток на двигателя, което е практически достатъчна гаранция, че той е с по-голяма термична устойчивост от двигателя във всеки режим на работа. Зоната на повреда е обединението на зоните на повреда на кабела и на двигателя. Защитата трябва да осигури изключване под прага на термична устойчивост на двигателя при претоварване и късо съединение и под прага на термична устойчивост на кабела при късо съединение в коя да е точка по неговата дължина. Зоната на нормална работа съществено се отличава от зоната за кабели. Тук е необходимо защитата да не изключва пусковия ток на двигателя, който нормално трае от 1 до 10 s в зависимост от двигателя и задвижвания механизъм и се изменя във времето, както е показано на фигурата.

Удобно е за защита на двигатели да се прилагат специално конструирани за целта автоматични прекъсвачи, тъй като формата на защитните им криви пасва добре на характеристиките на двигателите, използвани в практиката. Изобразената на фиг. 4 крива е типична за такъв прекъсвач. Той има термичен изключвател с настройваема характеристика и електромагнитен изключвател с фиксирана или настройваема характеристика, без закъснение. Освен прекъсвачи с комбинирана термична и електромагнитна защита, понякога се налага да се използва комбинация от две отделни устройства. Например електромагнитен прекъсвач заедно с отделно термично реле, въздействащо на контактора. Този вариант е особено удачен при схема за пускане звезда-триъгълник, като термичното реле се свързва към фазния ток и така осигурява прецизна защита и в двата режима на работа на двигателя и то с по-малко термично реле. Също така се използва комбинация от електромагнитен прекъсвач и отделно пусково-регулиращо устройство като софтстартер или честотен преобразувател с вградена защита от претоварване. В тези случаи при избора на електромагнитен прекъсвач се държи сметка за съгласуването на защитната му характеристика и с характеристиката на термична устойчивост на въпросното допълнително защитно устройство по същия начин, както се процедира с изходящия кабел.

Някои други основни категории консуматори са:
- Линии с луминесцентно осветление. Имат пусков ток, чиято големина и продължителност зависят силно от вида на стартовото устройство.
- Линии за битови консуматори, които са предимно електротермични прибори и лампи с нажежаема жичка. Имат малък пусков ток.
- Електронни устройства. Обикновено имат малка термична устойчивост.

Тук е мястото да се спомене, че има случаи, когато стопяемите предпазители са за предпочитане пред автоматичните прекъсвачи, въпреки че не предлагат толкова гъвкави и прецизни защитни характеристики и удобство при експлоатацията. Преди всичко, добре подбраните стопяемите предпазители могат да осигурят по-голямо бързодействие от кой да е автоматичен прекъсвач, а за вериги с ниска термична устойчивост това е от решаващо значение.

Ефект на токоограничаването при защита на консуматори и тоководещи части
Фиг. 3 и 4. представят случаи с доста скромни токове на късо съединение. Ако обаче токовете на късо съединение са достатъчно големи, те могат да предизвикат недопустимо прегряване на защитавания обект, дори изключването на прекъсвача да е в диапазона на мигновената му защита. Изразено графично, това се случва, когато точки t1 и/или t2 от фиг. 3 попадат надясно, в зоната на повреда, а аналитично – когато не се изпълнява условието I2t Ј k2S2. В този случай има четири възможни решения, всяко от които влияе върху един от четирите параметъра на формулата:
- Избор на прекъсвач или стопяем предпазител с по-голямо бързодействие. Вероятността за решаване на проблема по този начин не е много голяма, особено ако има причини да не може да заменим автоматичния прекъсвач със стопяем предпазител. Бързодействието на различните прекъсвачи в зоната на мигновената защита не се различава толкова драматично.
- Избор на кабел с изолация XPLE, вместо такъв с РVС изолация. Коефициентът к в първия случай е по-голям.
- Избор на кабел с по-голямо сечение. В този случай се получава оскъпяване на проекта, а може да възникнат и проблеми с монтажа.
-Използване на токоограничаващи прекъсвачи, при което се намалява токът на късо съединение.

Последният вариант предлага най-голям диапазон за подобрение и е икономически най-ефективен. Трябва също да се има предвид, че токоограничаващият прекъсвач облекчава условията по термична устойчивост на всички устройства след себе си, включително прекъсвачи от по-ниско ниво, а това дава възможност за избор на по-прости и по-евтини такива.

Производителите на токоограничаващи прекъсвачи предоставят криви, от които в зависимост от теоретичния изчислителен ток на късо съединение се отчита директно реалната очаквана стойност на израза I2t, наречен джаулов интеграл - фиг. 2б.

Селективност
Принципът на селективност изисква, когато два прекъсвача са разположени един след друг по дадена верига и се появи късо съединение или претоварване след долустоящия, повредата да бъде изключена от последния. Висшестоящият прекъсвач трябва да изключи само в случай на отказ на долустоящия. Например, в уредбата, изобразена на фиг. 1, трябва да се осигури селективност на прекъсвачите П1-1 и П2-1. Ако при някаква стойност на тока на повредата имаме изключване на висшестоящия, или и на двата прекъсвача, тогава има "неселективно изключване".

Селективността се постига, като се подберат подходящи характеристики на двата прекъсвача, или, казано с други думи, прекъсвачите се съгласуват един с друг. При това, разбира се, не трябва да се нарушава коментираното по-горе съгласуване на прекъсвачите със защитаваните обекти.

Съгласуването може да се постигне, като се подбират две основни групи параметри на защитните характеристики на прекъсвачите:
Съгласуване по ток - вж. фиг. 5. Токовете на термичната и на бързодействащата защити на висшестоящия прекъсвач се избират по-високи от тези на долустоящия. Надеждно съгласуване (жаргонно наричано "отстройване по ток") се получава, когато съотношенията Ir.висшестоящ/Ir.долустоящ, съответно Isd.висшестоящ/Isd.долустоящ или Im.висшестоящ/Im.долустоящ надминават определена стойност. Тази стойност е различна за различни типове прекъсвачи и типове защити на различни производители и следва да се търси в справочната литература, предоставяна от фирмите, в което се състои и основната трудност при съгласуването на прекъсвачите. За най-простите и масово използвани автоматични прекъсвачи - миниатюрните прекъсвачи, може да се каже, че съгласуване по ток се постига между всеки две съседни нива на стандартните номинални токове, стига типовете на изключвателните им криви да са еднакви, или да се подреждат по възходящ ред в последователност B-C-D.

Съгласуване по време - вж. фиг. 6 и фиг. 7. Може да се постигне, когато бързодействащата защита на висшестоящия прекъсвач има времезакъснение на задействане. Съгласуването по време е допълнение към съгласуването по ток, така че изискванията за “отстройване” по ток остават същите, затова е по-правилно да говорим в случая за “съгласуване по ток и време”.

Както се вижда на фиг. 5, когато прекъсвачите са съгласувани само по ток, селективността съществува до определена граница, а именно – до точката, в която характеристиките на мигновената защита на двата прекъсвача се приближат твърде много една до друга или с други думи, когато токът е толкова голям, че задействат мигновените защити и на двата прекъсвача. В този случай се говори за “частична селективност”.

При съгласуването по време са възможни два варианта:
При висшестоящ прекъсвач, за който Icw<Icu, защитната характеристика има чупка за I= Icw, при която се реализира мигновено изключване. Ако в този случай Icw.висшестоящ< Icu.долустоящ, то отново има частична селективност. Това е случаят, илюстриран на фиг. 6.

Ако Icw.висшестоящ > Icu.долустоящ, то точката на задействане на мигновената защита на висшестоящия прекъсвач излиза извън диапазона на използване на прекъсвачите (надясно от полето на графиката), защото долустоящият прекъсвач трябва да е избран така, че неговата изключвателна способност Icu.долустоящ да е по-голяма от максималния ток на късо съединение. В този случай има пълна селективност. По същите съображения, когато за висшестоящия прекъсвач е в сила Icw=Icu и това му позволява да работи с изведена мигновена защита, има винаги пълна селективност. Случаят на пълна селективност е илюстриран на фиг. 7.

Двойка прекъсвачи, които имат частична селективност, могат да се използват без нарушаване принципа на селективност в дадената уредба, стига максималният ток на късо съединение да е по-малък от границата на селективност.

Производителите на прекъсвачи разработват таблици за селективност на своите прекъсвачи или софтуерни продукти, които позволяват лесно и надеждно избиране на двойки селективни прекъсвачи с отчитане границата на селективност.

Благодарение на специално разработени технологии и извършени изпитвания, производителите могат да постигнат разширяване на времевата селективност и след границата, от която задействат едновременно и двете мигновени защити. Това няма как да бъде надеждно оценено само като се сравняват кривите на защита. Единствено резултатите от заводските изпитания могат да гарантират такова разширение на селективността.

Подобряване на селективността при използване на токоограничаващи прекъсвачи
Когато долустоящият прекъсвач ограничи тока на късо съединение дотолкова, че точката на задействие на висшестоящия да се придвижи наляво по характеристиката до зона с по-голямо времезакъснение, се получава допълнително разширение на селективността по време.

Логическа селективност
Логическата селективност може да се прилага при големи прекъсвачи, чиито защити имат възможност за избираемо времезакъснение на бързодействащата защита и възможности за комуникация между защитните блокове на прекъсвачите от различни нива. Принципът на действие на този метод е:
Висшестоящият прекъсвач е настроен с минимално времезакъснение на бързодействащата защита. При възникване на повреда след долустоящия прекъсвач, неговият защитен блок регистрира повредата и едновременно подава сигнал към защитния блок на висшестоящия прекъсвач. В резултат, последният превключва характеристиката на бързодействащата защита на по-голямо времезакъснение. Така се дава време на долустоящия прекъсвач да изключи селективно повредата. Ако за това време долустоящият прекъсвач не изключи, най-вероятно става дума за негов отказ и висшестоящият прекъсвач изключва повредата в качеството си на резервна защита.
Когато късото съединение е между двата прекъсвача, а това предполага, че то е и с по-голям ток, защитата на долустоящия прекъсвач не регистрира повреда и защитата на висшестоящия изключва бързо, без външно предизвиканото забавяне.

Така описаният принцип може да се прилага и към повече от два прекъсвача, свързани последователно във веригата на късото съединение. По този начин се постига едновременно и пълна селективност, и бързодействие при изключване на къси съединения в по-високите нива на уредбата, следователно, облекчава се задачата за обезпечаване на термичната устойчивост на елементите от тези нива.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top