Выбор автоматических выключателей

Выбор автоматических выключателей должен вестись, исходя из параметров проводов и кабелей, по условиям защиты от перегрузок, по режиму короткого замыкания, по селективности, по типу время-токовой характеристики. Время отключения теплового расцепителя.. Предельная отключающая способность автоматического выключателя.. Координация аппаратов защиты.. Таблица селективности.. Номинальный ток автоматического выключателя..

Выбору автоматов  должен предшествовать расчет электрических нагрузок и выбор сечений проводников. 
Еще раз подчеркну, что автоматические выключатели защищают линии электрических сетей (провода и кабели) от перегрузок и сверхтоков коротких замыканий. Поэтому расчет и выбор автоматических выключателей в первую очередь должен вестись, исходя из параметров проводов и кабелей (тип изоляции, материал и сечение токопроводящей жилы, количество жил). Точнее говоря - из предельно допустимой токовой нагрузки проводника. 
Кроме того, аппарат защиты должен соответствовать еще ряду критериев правильного выбора.

Критерии выбора автоматических выключателей

Автоматические выключатели рассчитываются и выбираются:
• по условиям защиты от перегрузок;
• по типу время-токовой характеристики;
• по режиму короткого замыкания;
• по селективности;

Выбор АВ по условиям защиты от перегрузок

Автоматические выключатели имеют следующие виды защиты - тепловая, электромагнитная или комбинированная (тепловая и электромагнитная). В соответствии с СП31-110–2003 во внутренних сетях жилых зданий, как правило, следует применять автоматические выключатели с комбинированными расцепителями.
Для защиты от перегрузок предназначена тепловая защита. Параметром, определяющем ток срабатывания теплового расцепителя, является номинальный ток автоматического выключателя.
Рабочая характеристика автоматического выключателя должна отвечать условиям:

Iр.max  ≤ Iн.а ≤ Iд.н ,      (1)

где  Iд.н  - предельно допустимый номинальный ток нагрузки проводника при расчетной температуре, А;
Iр.max  – максимальный расчетный ток нагрузки, А.
Iн.а - номинальный ток автоматического выключателя, защищающего проводник, А

Пример 1. Выберем вводной автомат по защите от перегрузок.
Расчетные данные:
• максимальный расчетный ток на вводе Iр.max = 27,5 А;
• марка кабеля ВВГнг 3х10;

ПУЭ изд.7, табл.1.3.4. Кабель ВВГнг 3х10 выдерживает при расчетной температуре длительный номинальный ток, равный 50А. Это значение тока совпадает со стандартным значением номинальных токов выключателей. Поэтому в соответствие с условием (1) выбираем номинальный ток автоматического выключателя, равным 50А. Для вводного автомата  предварительно выбираем ВА47-29 D50.

Пример 2. Выберем автоматический выключатель для групповой розеточной сети.
Дано:
• максимальный расчетный ток розеточной сети Iр.max = 6,4 А;
• марка кабеля ВВГнг 3х2,5;

Смотрим ПУЭ, табл. 1.3.4. Сечению кабеля 3х2,5 соответствует допустимый длительный ток нагрузки Iр.max = 21 А. В соответствии с условием (1) выбираем (в меньшую сторону) ближайшее стандартное значение номинального тока выключателя Iн.а  = 20 А.
Для розеточной сети выбираем ВА47-29 С20.

Время отключения теплового расцепителя зависит от значения тока перегрузки и время-токовой характеристики автоматического выключателя.

Время-токовая характеристика покозана на рис.1. Рассмотрим ее внимательно:

                 Рис.1
• характеристика комбинированного расцепителя имеет две ступени. Участок характеристики с плавной зависимостью времени срабатывания выключателя от тока отвечает за тепловую защиту. Участок справа (мгновенное расцепление) характеризует работу выключателя в режиме короткого замыкания.
 • время-токовая характеристика состоит из двух линий. Область графика, ограниченная этими двумя линиями, называется зоной срабатывания. Она определяется погрешностью теплового и электромагнитного расцепителей, погрешностью уставок, температурными условиями.
• верхний участок характеристики не пересекается с осью времени. Это означает, что тепловая защита надежно срабатывает лишь при токе нагрузки, превышающем номинальный ток выключателя.

Делаем выводы:
• время срабатывания тепловой защиты обратно пропорционально току перегрузки.
Действительно, если при кратности номинального тока, равной 2 тепловой расцепитель может сработать в интервале времени от 15сек. до 2минут, то при кратности 1,5 в интервале времени от 1мин. до 40мин.
• для надежного срабатывания теплового расцепителя требуется ток, превышающий номинальный ток автоматического выключателя (согласно ГОСТ Р 50571.5-94 его практически принимают равным току срабатывания при заданном времени срабатывания для автоматических выключателей).

Все то время, которое необходимо для срабатывания теплового расцепителя, провода и кабели будут работать с перегрузкой, а значит нагреваться. Поэтому к выбору аппаратов защиты линий электрических сетей от перегрузок (в соответствии с сечением проводов и кабелей) нужно подходить с особой ответственностью.

Выбор автомата по типу время-токовой характеристики

Время-токовая характеристика – это кривая, построенная в координатах тока и времени и отражающая взаимосвязь этих параметров в определенных условиях эксплуатации. Международный стандарт МЭК 60898–95 определяет три типа характеристик мгновенного расцепления: В, С и D. Автоматические выключатели российских производителей выпускаются по ГОСТ Р 50345, который полностью соответствует МЭК 60898–95. 
На рис.2 представлены все три типа время-токовых характеристик:

                                     Рис.2
Здесь на вертикальной шкале - время срабатывания автоматического выключателя в секундах, а на горизонтальной шкале – отношение тока нагрузки к номинальному току автоматического выключателя. На графиках видно, что области срабатывания выключателей с характеристиками В, С и D сдвинуты по оси токов.


Диапазоны мгновенного расцепления выключателя в зависимости от кратности сверхтока по отношению к номинальному Iн.а приведены ниже:

Тип время-токовой характеристики                              Диапазон кратности  I/Iн.а
                    В                                                                              от 3 до 5  
                    С                                                                              от 5 до 10 
                    D                                                                              от 10 до 14

Выбор автоматических выключателей по типу защитных характеристик производится, исходя из характера нагрузки. В электрических сетях жилых зданий в основном используются автоматические выключатели с характеристиками типов В и С. В электроустановках, где нагрузка носит индуктивный характер и имеют место значительные пусковые токи, нужно использовать выключатели с расцеплением типа D.

Выбор автоматического выключателя по режиму короткого замыкания

При выборе автоматических выключателей по режиму короткого замыкания защитный аппарат проверяется по номинальной отключающей способности и времени отключения полного тока КЗ.
Номинальная отключающая способность – максимальный ток короткого замыкания, который данный автомат способен отключить и остаться в работоспособном состоянии.
ГОСТ Р 50345 определяет следующие стандартные значения номинальной отключающей способности :

1500, 3000, 4500, 6000, 10 000 (А).

Для выбора выключателя по отключающей способности нужно рассчитать токи  КЗ на шинах вводного устройства, на шинах распределительного щита и у наиболее удаленного потребителя. Отметим, что для расчета режима КЗ на всех участках проектируемых сетей проектировщику необходимо знать токи КЗ на высокой стороне подстанции или шине РУНН, а это находится в компетенции электроснабжающей организации. Обычно эти вопросы согласовываются со специалистами электросетей при оформления заявки на получение ТУ. Важно, чтобы ток КЗ в точке присоединения был вписан в ТУ.
Выполнив расчет режима короткого замыкания в проектируемых сетях, выбирают аппараты защиты по номинальной отключающей способности.

В соответствии с ГОСТ Р 50571.5-94 п. 434.3.2:
• время отключения полного тока КЗ в любой точке сети не должно превышать времени, в течение которого температура проводников достигает предельно допустимого значения.
Значения предельно допустимых температур нагрева проводников при КЗ приведены в ПУЭ, п. 1.4.16
• для короткого замыкания продолжительностью до 5 с время t, в течение которого превышение температуры проводников от наибольшего значения допускаемой температуры в нормальном режиме до предельно допустимой температуры может быть приблизительно подсчитано по формуле:

√t = K∙ S/I

где t - продолжительность, с;
S - сечение, мм2;
I - действующее значение тока короткого замыкания, А;
K = 115 - для медных проводников с поливинилхлоридной изоляцией;
K = 135 - для медных проводников с резиновой изоляцией, с изоляцией из сшитого полиэтилена;
K = 74 - для алюминиевых проводников с поливинилхлоридной изоляцией;
K = 87 - для алюминиевых проводников с резиновой изоляцией, с изоляцией из сшитого полиэтилена;

ПУЭ п.1.4.16. Температура нагрева проводников при КЗ должна быть не выше следующих предельно допустимых значений, º С

Шины:
медные	300
алюминиевые	200
стальные, не имеющие непосредственного соединения с аппаратами	400
стальные с непосредственным присоединением к аппаратам	300
Кабели с бумажной пропитанной изоляцией на напряжение, кВ:
до 10	200
20 - 220	125
Кабели и изолированные провода с медными и алюминиевыми жилами и изоляцией:
поливинилхлоридной и резиновой	150
полиэтиленовой	120
Медные неизолированные провода при тяжениях, Н/мм2:
менее 20	250
20 и более	200
Алюминиевые неизолированные провода при тяжениях, Н/мм2:
менее 10	200
10 и более	160
Алюминиевая часть сталеалюминиевых проводов	200

ПУЭ, таблица 1.7.1

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Номинальное фазное напряжение U0, В	Время отключения, с
127	0,8
220	0,4
380	0,2
Более 380	0,1

Пример 3. Проверим выбранный автомат на вводе на соответствие расчетным токам КЗ и допустимому времени защитного отключения.
Дано:
• вводной автомат ВА47-29 D50 с отключающей способностью 4,5кА (справочные данные);
• расчетный ток КЗ на шине ВРУ -  2,5 кА (результаты расчетов);
• марка кабеля ВВГнг 3х10

Отключающая способность выбранного автомата 4,5 кА превышает расчетный ток КЗ 2,5 кА.
Время отключения вводного автомата при токе КЗ = 2,5 кА определим по формуле:

√t = КS/I  ;     t =(КS/I)2 = (115∙10/2500)2 = 0,21 сек.

В соответствие с табл. 1.7.1 расчетное время отключения не превышает допустимого значения (0,21 сек.< 0,4 сек.).   
Таким образом, вводной автоматический выключатель по режиму КЗ выбран правильно.

Пример 4. Проверим автомат для групповой розеточной сети на соответствие расчетным токам КЗ и допустимому времени защитного отключения.
Дано:
• групповой автомат ВА47-29 С20 с отключающей способностью 4,5кА;
• расчетный ток КЗ  в конце линии  1,0 кА
• марка кабеля ВВГнг 3х2,5

Отключающая способность выбранного автомата соответствует расчетному току КЗ.
Время отключения тока КЗ = 1,0 кА определим по формуле:

√t = КS/I  ;     t =(КS/I)2 = (115∙2,5/1000)2 = 0,1 сек.

Расчетное время отключения также не превышает допустимого значения.

Выбор автоматического выключателя по селективности

Селективностью называют свойство аппаратов защиты отключать только поврежденный участок. С учетом этого, селективность должна быть обеспечена между защитными аппаратами высокой стороны питающего трансформатора и вводным автоматом на низкой стороне, между вводным автоматом на низкой стороне и автоматами отходящих линий и т. д.

Решение проблемы селективности сводится к обеспечению отключения защищаемой цепи аппаратом защиты со стороны нагрузки до того, как отключение начнет аппарат защиты со стороны питания.

При решении этой задачи можно выделить три характерных уровня системы электроснабжения (см. рис. 3), каждый из которых имеет различные особенности и предъявляет свои требования к аппаратам защиты по селективности.

Рис.3

Для уровней А и Б характерны следующие особенности:
• повышенные требования к бесперебойности электроснабжения, так как ложное срабатывание аппарата на этих уровнях приводит к отключению большого числа потребителей;
• относительно высокие значения токов короткого замыкания в силу близости к источнику питания;
• большие номинальные токи, так как вся нагрузка нижерасположенной сети питается от этих секций.

Между аппаратами на ГРЩ и нижестоящими аппаратами наиболее часто используется временная селективность. Этот вид селективности обеспечивается за счет смещения или сдвига времятоковых характеристик последовательно расположенных автоматических выключателей по оси времени (см. рис. 4).

Рис. 4. Временная селективность

Уровень В. Конечное распределение
Основными требованиями этого уровня, как правило, являются обеспечение эффективного токоограничения и электробезопасность (т.к. аппараты этого уровня наиболее часто защищают непосредственно конечного потребителя). Поэтому на этом уровне применяются модульные токоограничивающие автоматические выключатели.

Этот случай, когда рассматриваемая пара автоматических выключателей относится к токоограничивающим, является наиболее сложным видом координации защитных аппаратов.
Поэтому координация токоограничивающих аппаратов согласно МЭК 60947.2 (ГОСТ 50030.2) может быть гарантирована только производителем, который обязан проводить испытания и подтверждать таким образом этот тип координации. Результатом этих испытаний и гарантией обеспечения селективности между токоограничивающими аппаратами являются специальные таблицы селективности, которые имеются в каталогах фирм-производителей оборудования. Такие таблицы разработаны для профессиональных серий защитных аппаратов.

Кроме рассмотренной временной селективности, еще есть следующие виды селективности :
• токовая селективность, которая предполагает смещение или разнесение время-токовых характеристик последовательно расположенных защит по оси тока;
• зонная или логическая селективность - реализуется между двумя аппаратами защиты, объединенными специальным каналом связи. Когда расположенный ниже аппарат обнаруживает повреждение, он посылает сигнал вышестоящему выключателю, который начинает отсчет выдержки времени. Если за это время расположенный ниже выключатель не в состоянии отключить возникшее повреждение, то срабатывает выключатель, расположенный выше.

Селективность по току обеспечивается путем задания различных уставок автоматических выключателей (максимальной токовой отсечки). Более высокие уставки имеют автоматические выключатели на стороне питания. Эти решения приемлемы для уровней А (ГРЩ) и уровня Б (вторичное распределение) системы электроснабжения, т. е. для больших автоматов, расцепители которых всегда можно подстроить. При конечном распределении электроэнергии (уровень В), где главным образом используются модульные токоограничивающие автоматы (бюджетные серии), селективность не обеспечивается или возможна только частичная селективность.
Например, в бытовом жилом секторе токи КЗ на вводе в дом и у самого удаленного потребителя будут отличаться незначительно (сети, как правило, короткие). При токах КЗ от 1000 до 3000 А, характерных для таких сетей, модульные автоматические выключатели в аварийной групповой сети и на вводе будут срабатывать практически одновременно. Чтобы этого не происходило, можно установить на вводе вместо вводного автомата выключатель нагрузки. Сделать это несложно, поскольку малогабаритных разъединителей нагрузки с установкой на дин-рейку на рынке предостаточно. В этом случае при КЗ будет отключаться только аварийная групповая линия.

При перегрузках селективную работу автоматических выключателей обеспечить просто. Для этого достаточно, чтобы номинальный ток автомата со стороны питания был больше номинального тока автоматического выключателя со стороны потребителей.

Похожие статьи: 
1. Автоматические выключатели
2. Почему не работает выключатель? 
3. Что делать, если автоматический выключатель отключает нагрузку?
4. Как сбросить сработавший выключатель?

Если статья Вам понравилась и Вы цените вложенные в этот проект усилия – у Вас есть возможность внести посильный вклад в развитие сайта на странице «Поддержка проекта».

Внимание! Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Он посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и происходящие в них процессы.