Параметры срабатывания любого устройства релейной защиты должны отвечать требованиям, изложенным ПУЭ [1] (см. главы 3.2, 5.3).
Для правильного выбора уставок срабатывания в руководствах по эксплуатации цифровых устройств релейной защиты, выпускаемых НТЦ «Механотроника», традиционно приводились методики их расчета только для наиболее сложных алгоритмов защиты.
В связи со значительным увеличением количества выпускаемых цифровых устройств и выдвижением новых требований организациями, проводящими аттестацию цифровых устройств для применения их на объектах ОАО «ФСК ЕЭС», в эксплуатационную документацию были введены методики расчета уставок для всех алгоритмов защиты, предусмотренных в цифровых устройствах производства НТЦ «Механотроника».
Для этого предприятие разработало методические указания по расчетам уставок, которые полностью учитывают:
- требования и рекомендации, изложенные в ПУЭ;
- особенности алгоритмов защиты, используемых в цифровых блоках серий БМРЗ и БМРЗ-100.
Разработка методических указаний была выполнена специалистами НТЦ «Механотроника» при участии к.т.н. Соловьёва А.Л., заведующего кафедрой релейной защиты и автоматики электрических станций, сетей и систем Петербургского Энергетического института повышения квалификации.
Настоящая публикация открывает серию статей в которых приведены методики расчета уставок, иллюстрированные практическими примерами.
Гарантированное разъединение
Автоматический выключатель пригоден для гарантированного разъединения цепи, если он удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к разъединителю (при его номинальном напряжении) в соответствующем стандарте (см. Функции низковольтной аппаратуры: изолирование (отключение)). 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 компании Schneider Electric: Multi 9, Compact NS и Masterpact.
Номинальный ток выключателя при использовании расцепителей с разными диапазонами уставок
Автоматическому выключателю, который может быть оборудован расцепителями, имеющими различные диапазоны уставок по току, присваивается номинальное значение, соответствующее номинальному значению расцепителя с наивысшим уровнем уставки по току отключения.
Пример:
Автоматический выключатель NS630N может быть оснащен четырьмя электронными расцепителями с номинальными токами от 150 до 630 А. В таком случае номинальный ток данного автоматического выключателя составит 630 А.
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 значений максимальной температуры 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.
Уменьшение номинального тока автоматического выключателя производится путем уменьшения уставки его теплового реле. Использование электронного расцепителя, который может работать при высоких температурах, обеспечивают возможность эксплуатации автоматических выключателей (с пониженными уставками по току) при окружающей температуре 60 °С или даже 70 °С.
Примечание:
в автоматических выключателях, соответствующих стандарту МЭК 60947-2, ток In равен обычно Iu для всего распределительного устройства, где Iu обозначает номинальный длительный ток.
Небольшая статья о функциях максимальной токовой защиты, выборе минимального и максимального значения тока срабатывания аппарата МТЗ Величина электрического тока – это, пожалуй, наиболее важный параметр работы электроустановки или электропривода. Превышение максимально допустимого значения тока может привести к разрушению проводников и выхода из строя оборудования. Причиной возрастания тока может быть не только короткое замыкание, но и перегрузка в цепи. В любом случае, любая электрическая цепь нуждается в защите от возникновений в ней токов недопустимых значений, которую в электротехнике принято называть максимально-токовой защитой (МТЗ). МТЗ цепей и оборудования реализуется с помощью таких элементов как автоматические выключатели, предохранители, плавкие вставки и, разумеется, максимально-токовые реле. Выбор номинала устройства или аппарата МТЗ – дело чрезвычайно ответственное. Ошибка в этом выборе приведет к тому, что защита будет отличаться частыми ложными срабатываниями, либо попросту будет неэффективной, что само собой недопустимо. Поэтому, оставив в стороне русское «авось», следует предельно точно рассчитать необходимый номинальный ток аппарата МТЗ. Минимальную величину «уставки» – тока срабатывания защиты – можно определить, исходя из мощности потребителей, включаемых в цепь на продолжительные промежутки времени. Для однофазных потребителей, (например, для линии розеток домашней электропроводки), будет достаточно поделить суммарную мощность в ваттах на напряжение сети – 220 вольт. Коэффициентом мощности в квартире можно пренебречь, полагая нагрузку чисто активной. Для трехфазных потребителей можно рассчитать ток в каждой фазе, пользуясь фазным напряжением и мощностью электроприемников, подключенных к этой фазе. Если МТЗ устанавливается для электродвигателя, то величину полученного электрического тока необходимо будет поделить на коэффициент мощности, примерно равный 0,7. Таким образом, достаточно выбрать аппарат с номиналом, немного превышающим расчетное значение тока, и получим защиту от короткого замыкания. При этом, конечно, не надо забывать, что подавляющее большинство аппаратов МТЗ имеют возможность регулирования уставки в некоторых пределах вокруг номинала. И, несмотря на то, что при проведении электромонтажных работ чаще всего и ограничиваются только выбором уставки МТЗ по максимальной нагрузке, нельзя пренебрегать и защитой от токов перегрузки. Очень важно соответствие характеристики автоматического выключателя типу потребителя. Так для «розеточной» сети проводки, как правило, выбирается «автомат» на 25 ампер типа «С». Для сетей освещения, обычно устанавливается автоматический выключатель на 16 или 10 ампер. Такой вариант проверен практикой и, безусловно, подойдёт для защиты электропроводки большинства жилых или офисных помещений. Тем не менее, для вводных автоматов и рубильников с плавкими вставками лучше определять и верхний предел уставки МТЗ. Ток короткого замыкания в цепи определяется косвенно: при отключенном электропитании фазная жила в конце кабельной линии соединяется с рабочей нулевой жилой. Затем измеряется полное сопротивление образовавшейся петли «фаза-нуль». Фазное напряжение делится на измеренное сопротивление. Полученный результат и будет значением тока короткого замыкания. При этом для точных измерений, конечно лучше использовать не мультиметр, а специальный поверенный прибор, определяющий активное сопротивление с высокой точностью.
Характеристика Z
Также имеет разброс при работе на постоянном и переменном напряжении и предназначен для обеспечения максимальной защиты электронных устройств управления. Кривая работы приведена ниже:
При работе на переменном напряжении отключение происходит при достижении 2 – 3 номиналов, при постоянном 2 – 5.
Как видим, выбор автоматического выключателя для защиты электрических цепей не такая уж и простая задача, как кажется на первый взгляд. Поэтому при выборе автоматического выключателя необходимо сопоставлять не только номинальные данные (напряжение, ток, фазность), но и знать характеристики работы системы, для которой выбирается автомат, чтобы выбранный вами автоматический выключатель в полной мере обеспечивал защиту вашего оборудования.
Возмущающие воздействия на процесс
Внешние и внутренние причины, вызывающие отклонение регулируемого параметра процесса от заданного значения уставки называются «возмущающими воздействиями» или просто «возмущением».
Даже в простой системе имеется ряд точек, в которых может возникнуть возмущение. Например, течь в трубопроводе могла бы вызывать возмущающее воздействие по линии питания. Это уменьшило бы количество воды, подаваемой в резервуар, вызывая изменения в условиях процесса. Другие возмущения по вводу могли бы возникнуть по причине увеличения давления в трубопроводе или непредвиденного падения температуры (мороз).
Возмущения могут также происходить и со стороны целевого выхода. Одним из видов такого возмущения могло бы быть увеличение или уменьшение задания на целевой продукт. Остановка на ремонт или техобслуживание одного из участков процесса вызывает необходимость изменения целевого выхода другой части системы.
Третьим источником возмущений процесса могло бы быть само технологическое оборудование непосредственно. Например, возмущение может быть вызвано отказом насоса на линии подачи или на линии откачки.
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 Iв, но меньше максимально допустимого тока в данной цепи Iz (см. Практические значения для схемы защиты).
Термореле обычно регулируются в диапазоне 0,7-1,0 In, но в случае использования 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.
Рис. H30:
Пример автоматического выключателя NS630N с расцепителем STR23SE, отрегулированным на 0,9In (Ir = 360 А)
Время-токовые характеристики автоматов
Срабатывание автоматических выключателей происходит за счет действия его основных элементов – теплового и электромагнитного расцепителя. Конструкция теплового расцепителя состоит из биметаллической пластины, нагревающейся под действием протекающего тока. В результате, она изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Для срабатывания необходима длительная нагрузка, обратно пропорциональная выдержке по времени. Уровень перегрузки напрямую влияет на нагрев пластинки и время срабатывания теплового расцепителя.
Основными составляющими электромагнитного расцепителя служат катушка и сердечник. При достижении током определенного уровня, магнитное поле катушки втягивает сердечник, под действием которого срабатывает расцепляющий механизм. Устройство мгновенно срабатывает при коротких замыканиях, не дожидаясь нагрева теплового расцепителя. Время срабатывания автомата зависит от силы тока, проходящего через автоматический выключатель. Данная зависимость как раз и представляет собой времятоковую характеристику защитного устройства.
На корпусе каждого прибора наносятся латинские символы В, С и D. Каждый из них соответствует кратности уставки электромагнитного расцепителя к номинальному значению автомата. То есть, с помощью этих букв отображается ток мгновенного срабатывания расцепителя или чувствительность автоматического выключателя. Данный параметр обозначает минимальный ток, при котором происходит мгновенное отключение защитного устройства. Таким образом, латинскими буквами обозначается времятоковая характеристика каждого конкретного автомата. Символ «В» соответствует характеристикам 3-5 х ln, «С» – 5-10 х ln и «D» – 10-20 х ln.
Значение этих цифр необходимо рассмотреть на примере двух автоматов, равных по мощности, то есть, с одинаковым номинальным током, например, модели В16 и С16. Для выключателя В16 диапазон срабатывания электромагнитного расцепителя составит 16 х (3-5) = 48-80 А. Соответственно, у автомата С16 этот диапазон будет находиться в пределах 16 х (5-10) = 80-160 ампер. Таким образом, при наличии тока в 100 А, произойдет мгновенное отключение модели В16, а устройство С16 отключится лишь через несколько секунд после нагрева биметаллической пластины.
Для жилых и административных зданий наиболее подходящими вариантами считаются автоматы с маркировкой В и С. Это связано с отсутствием больших пусковых токов и крайне редким включением электродвигателей повышенной мощности. Автоматы категории D используются в основном на тех объектах, где имеются мощные электродвигатели и другие устройства с большими пусковыми токами.
График время токовой характеристики обязательно учитывает температуру самого защитного устройства. В случае первого срабатывания времени на отключение затрачивается больше, поскольку биметаллическая пластинка холодная. При повторном срабатывании, когда пластинка уже была ранее разогрета, отключение происходит быстрее.
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 МЭК 60898;
- для промышленных автоматических выключателей указывается изготовителем согласно действующим стандартам, в частности МЭК 60947-2.
Для промышленных выключателей имеется большой выбор расцепителей, что позволяет пользователю адаптировать защитные функции автоматического выключателя к конкретным требованиям нагрузки (см. рис. H31
,
H32
и
H33
).
— нижняя уставка: 2 — 5 In — стандартная уставка: 5 — 10 In
1,5 Ir ≤ Im ≤ 10 Ir Мгновенное срабатывание (I), время не регулируется: I = 12 — 15 In
[2] 50 In в стандарте МЭК 60898, что по мнению большинства европейских изготовителей является нереально большим значением (M-G = 10-14 In). [3] Для промышленного использования значения не регламентируются стандартами МЭК. Указанные выше значения соответствуют тем, которые обычно используются.
Рис. H31:
Диапазоны токов отключения устройств защиты от перегрузки и короткого замыкания для низковольтных автоматических выключателей
Рис. H32:
Кривая срабатывания термомагнитного комбинированного расцепителя автоматического выключателя
Ir: уставка по току отключения при перегрузке (тепловое реле или реле с большой выдержкой времени) Im: уставка по току отключения при коротком замыкании (магнитное реле или реле с малой выдержкой времени) Ii: уставка расцепителя мгновенного действия по току отключения при коротком замыкании Icu: отключающая способность
Рис. H33:
Кривая срабатывания электронного расцепителя автоматического выключателя
