Номинальная отключающая способность для нагрузки 1 квт. Выбор автоматических выключателей защиты
В прошлом, для защиты электропроводки и электрооборудования в быту от таких ненормальных режимах работы как перегрузка или короткое замыкание применялись электрические пробки, как правило, из керамики. Конструкция этих устройств достаточно проста.
Недостатком этих устройств является то, что при перегорании предохранителя, вопросами о выборе плавкой вставки для него ни кто не занимался. В последствии пробка могла не сработать в нужный момент, что не редко являлось причиной многих пожаров.
В нынешнее время на замену старым пробкам пришли автоматические выключатели (АВ), которые имеют много преимуществ и более надежны в эксплуатации по сравнению с пробками. Конструктивно АВ представляет собой модуль с двумя контактами вход/выход и кнопкой включения (однополюсный автомат).
Рабочий механизм автоматического выключателя находится в закрытом пластмассовом корпусе. В задней части автомат имеет специальную защелку, благодаря которой его можно надежно зафиксировать на DIN-рейку при подключении в электрощите .
Выбор автоматических выключателей является ответственной задачей, к которой нужно отнестись серьезно. В условиях возникновения аварийных ситуаций правильно выбранный автомат является гарантией защиты не только вашего оборудования, но и вашей жизни.
Автоматический выключатель – это коммутационный аппарат предназначенный для автоматического размыкания электрической цепи в момент возникновения коротких замыканий или перегрузок.
На схемах обозначаются буквами АВ либо QF (европейский стандарт).
Критерий выбора автоматических выключателей
Основными показателями на которые ссылаются при выборе автоматов являются:
- количество полюсов;
- номинальное напряжение;
- максимальный рабочий ток;
- отключающая способность (ток короткого замыкания).
1#. Количество полюсов
Количество полюсов автомата определяется из числа фаз сети. Для установки в однофазной сети используют однополюсные или двухполюсные. Для трехфазной сети применяют трех- и четырехполюсные (сети с системой заземления нейтрали TN-S). В бытовых секторах обычно используют одно- или двухполюсные автоматы.
2#. Номинальное напряжение
Номинальное напряжение автомата это напряжение на которое рассчитан сам автомат. Не зависимо от места установки напряжение автомата должно быть равным или большим номинальному напряжению сети :
3#. Максимальный рабочий ток
Максимальный рабочий ток. Выбор автоматов по максимальному рабочему току заключается в том чтобы номинальный ток автомата (номинальный ток расцепителя) был больше или равен максимальному рабочему (расчетному) току который может длительно проходить по защищаемому участку цепи с учетом возможных перегрузок:
Чтобы узнать максимальный рабочий ток для участка сети (например для квартиры) нужно найти суммарную мощность. Для этого суммируем мощность всех приборов, которые будут подключатся через данный автомат (холодильник, телевизор, св-печь и т.п.).Величину тока из полученной мощности можно найти двумя способами: методом сопоставления или по формуле.
Для сети 220 В при нагрузке в 1 кВт, ток составляет 5 А. В сети с напряжением 380 В величина тока для 1 кВт мощности составляет 3 А. С помощью такого варианта сопоставления можно найти ток через известную мощность. К примеру, суммарная мощность в квартире получилась 4.6 кВт, ток при этом равен примерно 23 А. Для более точного нахождения тока можно воспользоваться известной формулой:
Для бытовых электроприборов .
4#. Отключающая способность
Отключающая способность. Выбор автомата по номинальному току отключения сводится к тому, чтобы ток который автомат способен отключить был больше тока короткого замыкания в точке установки аппарата:Номинальный ток отключения это наибольший ток к.з. который автомат способен отключить при номинальном напряжении.
Расчет токов короткого замыкания необходим для правильного выбора и отстройки защитной аппаратуры. Ток короткого замыкания возникает при соединении токоведущих частей фаз между собой или с заземленным корпусом электроприемника в схемах с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводом. Его величина, А, может быть определена по формуле
где U ф — фазное напряжение сети, В;
Z п — сопротивление петли фаза-нуль, Ом,
R — активное сопротивление одного провода цепи короткого замыкания, Ом;
X — индуктивное сопротивление, рассчитываемое по удельному индуктивному сопротивлению равному 0,6 Ом/км;
Z т — полное сопротивление фазной обмотки трансформатора на стороне низшего напряжения, Ом,
где UH , IH — номинальные напряжение и ток трансформатора;
UK % — напряжение короткого замыкания трансформатора, % от номинального.
Величины UH , l Н и U к % для соответствующего трансформатора приводятся в главе 5.
Выбор электрического аппарата осуществляется по его функциональному назначению, по роду напряжения и тока, ->о величине мощности.
Следует иметь в виду современную тенденцию, заключающуюся в том, что при выборе между предохранителями и автоматическими выключателями, предпочтение отдается последним в силу их большей надежности, лучшей защиты от неполнофазных режимов, универсальности и т. д.
Выбор аппаратов по напряжению заключается в соответствии номинального напряжения, указанного в паспорте аппарата, и его рода (переменное, постоянное) номинальному напряжению питающей сети. При выборе аппарата по току следует учесть, что его номинальный ток должен быть не меньше рабочего тока установки.
Выбор автоматических выключателей
Автоматические выключатели выбираются прежде всего по номинальным значениям напряжения и тока. Затем определяются токи уставки теплового и электромагнитного расцепителей.
Тепловой росцепитель автомата защищает электроустановку от длительной перегрузки по току. Ток уставки теплового расцепителя принимается равным на 15-20% больше рабочего тока:
где 1 Р — рабочий ток электроустановки, А.
Электромагнитный расцепитель автомата защищает электроустановку от коротких замыканий. Ток уставки электромагнитного расцепителя определяется из следующих соображений: автомат не должен срабатывать от пусковых токов двигателя электроустановки I пуск . дв ., а ток срабатывания электромагнитного расцепителя I ЭМР выбирается кратным току срабатывания теплового расцепителя:
Автоматические выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА (2011)
Сегодня в практике проектирования систем электроснабжения все большее применение находят автоматические выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА. Тому есть объяснимые причины: во-первых, возрастающие нагрузки в электрических сетях и, во-вторых, регламентируемое ГОСТ требование использовать такие выключатели в качестве вводных на линиях с номинальными токами до 63 А включительно. Немаловажен и тот факт, что по стоимости выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА выгоднее, чем выключатели со значением данной характеристики, равным 10 кА, которые часто ставятся на ввод.
Крупные европейские и российские бренды уже вывели на рынок автоматические выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА. Поскольку ассортимент этой группы автоматов активно расширяется, у конечных потребителей возникает немало вопросов, касающихся ее свойств и характеристик. Поэтому Группа компаний IEK провела сравнительный анализ изделий производства известных в России торговых марок: ABB, Schneider, IEK и Legrand. Вся информация была собрана из открытых источников — каталогов, справочников по продукции, технических статей.
Конструкция
На первом этапе сравнительного анализа изучалась конструкция автоматических выключателей. Все они показали готовность к коммутации повышенных токов короткого замыкания до 6 кА включительно (табл. 1). На это указывает увеличенная дугогасительная камера (12-13 пластин), позволяющая разбивать дугу на большее количество мелких составляющих и быстрее ее гасить, а также наличие защиты от прожигания корпуса электрической дугой. Все образцы имеют корпус из не поддерживающего горение пластика. Отдельно стоит отметить наличие у выключателя ВА47-60 IEK® двойной искрогасящей решетки выхлопа, что является дополнительным фактором, повышающим ресурс работы выключателя.
Технические характеристики и эксплуатационные параметры
На втором этапе сравнительного анализа рассматривались технические характеристики и эксплуатационные параметры автоматических выключателей. В результате сформировались три составляющих анализа:сравнительная таблица техническиххарактеристик (табл. 2), сопоставление показателей рассеиваемой мощности (рис. 1) и анализ зависимости номинального тока от изменения окружающей среды (рис. 2). К сожалению, в открытом доступе не удалось найти информацию по рассеиваемой мощности и влиянию температуры окружающей среды на участвующие в обзоре автоматические выключатели Schneider iC60NActi9.
Рис. 1. График рассеиваемой мощности автоматических выключателей
Рис. 2. Зависимость номинального тока от изменения температуры
окружающей среды автоматических выключателей IEK®, ABB, Legrand
Показатели рассеиваемой мощности рассматриваемых автоматических выключателей по наиболее применяемым номинальным токам находятся в схожем диапазоне, показывая хорошие результаты, удовлетворяющие требованиям ГОСТ.
Различия значений номинальных токов при температурах, отличных от 30 °C, у рассматриваемых автоматических выключателей минимальны и находятся в среднем в одном диапазоне.
Анализ технических характеристик показывает, что среди всех рассматриваемых выключателей с номинальной отключающей способностью 6 кА ВА47-60 IEK® демонстрирует наибольшую приспособленность к эксплуатации в условиях низких температур.
Подводя итоги, можно сделать вывод, что все рассмотренные автоматические выключатели обладают высоким уровнем потребительских характеристик, имеют надежную конструкцию, хорошие показатели по рассеиваемой мощности и стабильность работы при различной температуре окружающей среды.
При выборе аппаратов под конкретные проектные решения следует учитывать не только технические характеристики автоматических выключателей, но и условия эксплуатации, в которых планируется их применять.
Таблица 1| Наименование параметра | ABB (S200) | Schneider (iC60N (Acti9)) | IEK (ВА47-60) | Legrand (DX) |
|---|---|---|---|---|
| Номинальный ток In, А | 0,5-63 | 0,5-63 | со 6 — 6 | ян.63 |
| Номинальное напряжение частотой 50 Гц, В | 230/400 | 230/400 | 230/400 | 230/400 |
| Механическая износостойкость, циклов В-О, не менее | 20 000 | 20 000 | 20 000 | 20 000 |
| Максимальное сечение присоеди няемых проводов, мм2 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| Степень защиты выключателя | IP20 | IP20 | IP20 | IP20 |
| Класс токоограничения | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Диапазон рабочих температур, °C (температура окружающей среды) | -80 | -105 | 4 о 5 0 | -65 |
* Присутствует функционально замещающий конструктивный элемент.
Таблица 2| Элемент конструкции | ABB (S201) | Schneider (iC60N (Acti9)) | IEK (ВА47-60) | Legrand (DX) |
|---|---|---|---|---|
| Электромагнитный расцепитель | + | + | + | + |
| Биметаллическая пластина | + | + | + | + |
| Касание подвижного контакта дугоотводящей пластины при размыкании | + | - | + | - |
| Дугогасительная камера (число пластин) | 13 | 12 | 13 | 13 |
| Защита корпуса выключателя от прожигания электрической дугой | + | + | + | + |
| Насечки на клеммных зажимах для фиксации провода | + | + | + | + |
| Искрогасящая решетка выхлопа | - | +* | двойная | +* |
| Пластик корпуса не поддерживает горение | + | + | + | + |
| Номинальное рабочее напряжение Ue (B) | Указанное напряжение означает максимальное допустимое значение в течении длительного времени. При меньших напряжениях отдельные характеристики могут изменяться и даже улучшаться, например, отключающая способность. |
| Номинальное напряжение изоляции Ui (кB) | Характеризует изоляционные свойства аппарата, определяется в ходе его испытаний высоким напряжением (импульсным и промышленной частоты). |
| Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение Uimp (кВ) | Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение – пиковое значение импульсного напряжения заданной формы и полярности, которое может выдержать аппарат без повреждений. |
| Номинальный ток In (А) | Это наибольший ток, который автоматический выключатель может проводить в продолжительном режиме при температуре окружающего воздуха 40°С по стандарту ГОСТ Р 50030.2-99 и 30°С по стандарту ГОСТ Р 50345-99. При более высоких температурах значение номинального тока уменьшается. |
| Номинальная предельная наибольшая отключающая способность Icu (кА) | Это наибольший ток короткого замыкания, который автоматический выключатель способен отключить при данном напряжении и коэффициенте мощности. Испытания на Icu проводятся по схеме O-t-CO, где О – отключение, t – выдержка времени, СО – включение с последующим автоматическим выключением. |
| Номинальная наибольшая отключающая способность Icn | По окончании испытания автоматический выключатель должен сохранять свои изоляционные свойства и способность к отключению в соответствии с требованиями стандарта. |
| Отключающая способность | На автоматические выключатели часто наносят |
| Номинальная рабочая наибольшая отключающая способность Ics | Это величина, выражаемая в процентах от Icu: 25% (только для категории А), 50%, 75% или 100%. Автоматический выключатель должен нормально работать после неоднократного отключения тока Ics при испытании в последовательности О-СО-СО. |
| Номинальный кратковременно выдерживаемый сквозной ток Icw (кА) | Это ток короткого замыкания, который автоматический Значение Icw указывается для тока, действующего |
| Номинальная наибольшая включающая способность Icm (кА, пиковое значение) | Это максимальное значение тока, который аппарат способен удовлетворительно выдерживать в условиях, оговоренных стандартом. Аппараты, не имеющие функции защиты (например, выключатели), должны выдерживать ток короткого замыкания, значение и длительность которого определяются параметрами срабатывания присоединенного аппарата защиты. |
Описание параметра «Номинальная рабочая отключающая способность, Ics (ГОСТ Р 50030.2)»
Номинальная наибольшая отключающая способность (Icn) определяет отключающую способность автоматического выключателя во время короткого замыкания (в амперах или килоамперах) при возможном доступе к устройству необученного персонала (бытовое применение). Определяется производителем согласно циклам испытаний по ГОСТ Р 50345-2010
Номинальная предельная наибольшая отключающая способность (Icu) определяет отключающую способность автоматического выключателя во время короткого замыкания (в килоамперах) при возможном доступе к устройству обученных и квалифицированных лиц (промышленное применение). Определяется производителем согласно циклам испытаний по ГОСТ Р 50030.2-2010
Согласно ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898-1:2003)
Номинальная наибольшая отключающая способность (Icn) — это значение предельной наибольшей отключающей способности, указанное для выключателя изготовителем.
Предельная наибольшая отключающая способность (ultimate short-circuit breaking capacity) — отключающая способность, для которой предписанные условия, соответствующие указанному циклу испытаний, не предусматривают способности выключателя проводить в течение условного времени ток, равный 0,85 тока нерасцепления.
Выключатель с указанной номинальной наибольшей отключающей способностью (Icn) имеет соответствующую ей рабочую наибольшую отключающую способность (Ics).
Соотношение между рабочей (Ics) и номинальной (Icn) наибольшими отключающими способностями (коэффициент К)
| Icn,A | К |
|---|---|
| до 6000 включительно | 1,00 |
| св. 6000 до 10000 включительно | 0,751) |
| св. 10000 | 0,52) |
| 1)Минимальное значение Ics = 6000 А 2)Минимальное значение Ics = 7500 А. | |
Согласно ГОСТ Р 50030.2-2010 (МЭК 60947-2: 2006)
Номинальная предельная наибольшая отключающая способность (Icu) — это значение предельной наибольшей отключающей способности, установленное изготовителем для данного выключателя при соответствующем номинальном рабочем напряжении в условиях, определяемых циклом испытаний. Она выражается как значение ожидаемого тока отключения в килоамперах (действующее значение периодической составляющей в случае переменного тока).
Предельная наибольшая отключающая способность (ultimate short-circuit breaking capacity) — отключающая способность, для которой согласно предписанным условиям в соответствии с установленным циклом испытаний не предполагают способности данного выключателя длительно проводить свой номинальный ток.
Номинальная рабочая наибольшая отключающая способность (Ics) — это значение рабочей наибольшей отключающей способности, установленное изготовителем для данного выключателя при соответствующем номинальном рабочем напряжении в условиях, определяемых циклом испытаний. Она выражается как значение ожидаемого тока отключения в килоамперах, соответствующее одному из определенных процентных значений номинальной предельной наибольшей отключающей способности согласно таблице (см.ниже), округленному до ближайшего целого числа. Она может быть выражена в процентах от Icu (например, Ics = 25 % Icu).
С другой стороны, когда номинальная рабочая наибольшая отключающая способность равна номинальному кратковременно выдерживаемому току, она может быть задана значением в килоамперах при условии, что она не ниже минимума по таблице (см.ниже).
Если Icu превышает 200 кА для категории применения А или 100 кА для категории применения В, изготовитель может указать значение Ics, равное 50 кА.
Таблица — стандартные соотношения между Ics и Icu в процентах от Icu
| Категория применения А | Категория применения B |
|---|---|
| 20% | — |
| 50% | 50% |
| 75% | 75% |
| 100% | 100% |
Основные характеристики автоматического выключателя — Руководство по устройству электроустановок
Основными характеристиками автоматического выключателя являются:
- номинальное напряжение Ue;
- номинальный ток In;
- диапазоны регулировки уровней тока отключения для защиты от перегрузки Ir [1] или Irth [1] и защиты от короткого замыкания
Im [1] ; - отключающая способность при коротком замыкании (Icu – для промышленных автоматических выключателей и Icn – для бытовых автоматических выключателей).
Номинальное рабочее напряжение (Ue)
Это то напряжение, при котором данный выключатель работает в нормальных условиях.
Для автоматического выключателя устанавливаются и другие значения напряжения, соответствующие импульсным перенапряжениям (см. подраздел Другие характеристики автоматического выключателя).
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.
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.
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. h40):
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. h40: Пример автоматического выключателя NS630N с расцепителем STR23SE, отрегулированным на 0,9In (Ir = 360 А)
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. h41, h42 и h43).
| Тип расцепителя | Защита от перегрузки | Защита от короткого замыкания | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Бытовые автоматические выключатели (МЭК 60898) | Термомагнитный (комбинирован.) | Ir = In | Нижняя уставка Тип B 3 In ≤ Im ≤ 5 In | Стандартная уставка Тип C 5 In ≤ Im ≤ 10 In | Верхняя уставка Тип D 10 In ≤ Im ≤ 20 In [2] |
| Модульные промышленные авт. выключатели [3] | Термомагнитный (комбинирован.) | Ir = In (не регулируется) | Нижняя уставка Тип B или Z 3,2 In ≤ постоянная ≤ 4,8 In | Стандартная уставка Тип C 7 In ≤ постоянная ≤ 10 In | Верхняя уставка Тип D или K 10 In ≤ постоянная ≤ 14 In |
| Промышленные автоматические выключатели (МЭК 60947-2) [3] | Термомагнитный (комбинирован.) | Ir = In (не регул.) | Постоянная: Im = 7 — 10 In | ||
| Регулируется: 0,7 In ≤ Ir ≤ In | |||||
| Регулируемая: — нижняя уставка: 2 — 5 In | |||||
| Электронный | Большая выдержка времени 0,4 In ≤ Ir ≤ In | Короткая выдержка времени, регулируемая: 1,5 Ir ≤ Im ≤ 10 Ir | |||
[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. h41: Диапазоны токов отключения устройств защиты от перегрузки и короткого замыкания для низковольтных автоматических выключателей
Рис. h42: 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. h43: Кривая срабатывания электронного расцепителя автоматического выключателя
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.
Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu или Icn)
Отключающая способность низковольтного автоматического выключателя связана с коэффициентом мощности (cos φ) поврежденного участка цепи. В ряде стандартов приводятся типовые значения такого соотношения. |
Отключающая способность автоматического выключателя – максимальный (ожидаемый) ток, который данный автоматический выключатель способен отключить и остаться в работоспособном состоянии. Упоминаемая в стандартах величина тока представляет собой действующее значение периодической составляющей тока замыкания, т.е. при расчете этой стандартной величины предполагается, что апериодическая составляющая тока в переходном процессе (которая всегда присутствует в наихудшем возможном случае короткого замыкания) равна нулю. Эта номинальная величина (Icu) для промышленных автоматических выключателей и (Icn) для бытовых автоматических выключателей обычно указывается в кА.
Icu (номинальная предельная отключающая способность) и Ics (номинальная эксплуатационная отключающая способность) определены в стандарте МЭК 60947-2 вместе с соотношением Ics и Icu для различных категорий использования A (мгновенное отключение) и B (отключение с выдержкой времени), рассмотренных в подразделе Другие характеристики автоматического выключателя.
Проверки для подтверждения номинальных отключающих способностей автоматических выключателей регламентируются стандартами и включают в себя:
- коммутационные циклы, состоящие из последовательности операций, т.е. включения и отключения при коротком замыкании;
- фазовый сдвиг между током и напряжением. Когда ток в цепи находится в фазе с напряжением питания (cos φ = 1), отключение тока осуществить легче, чем при любом другом коэффициенте мощности. Гораздо труднее осуществлять отключение тока при низких отстающих величинах cos φ,при этом отключение тока в цепи с нулевым коэффициентом мощности является самым трудным случаем.
На практике все токи короткого замыкания в системах электроснабжения возникают обычно при отстающих коэффициентах мощности, и стандарты основаны на значениях, которые обычно считаются типовыми для большинства силовых систем. В целом, чем больше ток короткого замыкания (при данном напряжении), тем ниже коэффициент мощности цепи короткого замыкания, например, рядом с генераторами или большими трансформаторами.
В таблице, приведенной на рис. h44 и взятой из стандарта МЭК 60947-2, указано соотношение между стандартными величинами cos φ для промышленных автоматических выключателей и их предельной отключающей способностью Icu.
- после проведения цикла «отключение – выдержка времени — включение/ отключение» для проверки предельной отключающей способности (Icu) автоматического выключателя выполняются дополнительные испытания, имеющие целью убедиться в том, что в результате проведения этого испытания не ухудшились:
— электрическая прочность изоляции;
— разъединяющая способность;
— правильное срабатывание защиты от перегрузки.
| Icu | cosφ |
|---|---|
| 6 kA < Icu ≤ 10 kA | 0,5 |
| 10 kA < Icu ≤ 20 kA | 0,3 |
| 20 kA < Icu ≤ 50 kA | 0,25 |
| 50 kA < Icu | 0,2 |
Рис. h44: Соотношение между Icu и коэффициентом мощности (cos φ) цепи короткого замыкания (МЭК 60947-2)
Примечания
[1] Величины уставок, которые относятся к термомагнитным (комбинированным) расцепителям для защиты от перегрузки и короткого замыкания.
Особенности конструкции модульных автоматических выключателей, определяющие отключающую способность (2010)
«Вы достаточно подробно рассказывали о предельной отключающей способности аппаратов защиты от сверхтоков на напряжение до 1000 В; были показаны способы измерения этой величины и какими требованиями они регламентированы. Хотелось бы узнать, какими конструктивными особенностями модульных аппаратов определяется величина предельной отключающей способности, а также какие процессы происходят при протекании сверхтоков?»
Руслан ТРЯПКИН, Казань
Давайте для начала вспомним, что определяет термин «предельная отключающая способность». ГОСТ Р 50345-99 (МЭК 60898-95) гласит:
3.5.5 Наибольшая включающая и отключающая способность: переменная составляющая ожидаемого тока, выраженная его действующим значением, которую выключатель может включать, проводить в течение времени отключения и отключать при указанных условиях.
3.5.5.1 Предельная наибольшая отключающая способность: отключающая способность, для которой предписанные условия соответственно указанному циклу испытаний не предусматривают способности выключателя проводить в течение условного времени ток, равный 0,85 его тока нерасцепления.
3.5.5.2 Рабочая наибольшая отключающая способность: отключающая способность, для которой предписанные условия соответственно указанному циклу испытаний предусматривают способность выключателя проводить в течение условного времени ток, равный 0,85 тока нерасцепления.
Т.е. отключающая способность (далее по тексту — ПКС) определяет способность защитного аппарата произвести отключение линии питающей сети от нагрузки при возникновении в ней вследствие какой-либо аварии тока, превышающего допустимый расчетный ток.
Рассмотрим величину предельной отключающей способности на примере модульных аппаратов ТМ IEK с ПКС 4,5 и 6 кА.
Для автоматических выключателей ТМ IEK предельная и рабочая наибольшая отключающая способности считаются одинаковыми и применительно к аппаратам серии ВА47-ХХ рассматриваются только как номинальная отключающая способность, обозначаемая как Inc.
Что происходит при протекании сверхтока, в частности при испытаниях? В процессе испытаний формируется импульс тока, амплитудное значение которого соответствует действующему значению тока 1ампл ПКС (рис. 1).
На графике толстая линия обозначает реально протекающий через автоматический выключатель испытательный ток; тонкая
— калиброванный импульс тока через перемычку при калибровке.
Постепенно нарастая, величина протекающего через автоматический выключатель тока достигает значения срабатывания электромагнитной защиты. Начинается перемещение сердечника сброса; начался процесс расцепления контактов, возникновения дуги, стекания ее в дугогасительную камеру, разбиения ее на мелкие очаги и гашение.
В процессе нарастания величина тока становится достаточной для втягивания сердечника электромагнитного расцепите-ля. Сбрасывается блокировка пружины расцепления. Контактная группа начинает размыкаться. В процессе размыкания между контактами зажигается дуга. Окончанием процесса отключения считается полное прекращение протекания тока.
На рис. 1 это 1расц. С момента возникновения импульса до момента окончания протекания тока проходит время 1:расц, и по сути это то время, которое определяет скорость отключения аппарата, а в итоге — надежность автоматического выключателя в процессе отключения при сверхтоке. Чем быстрее произойдет размыкание контактов и закончатся процессы горения дуги, тем быстрее прекратится протекание электрического тока в защищаемой цепи и меньше будет разрушена поверхность контактов. Соответственно возрастет продолжительность работы автоматического выключателя.
Делаем вывод, что ПКС — это, по сути, характеристика автоматического выключателя, определяющая скорость прекращения протекания тока в процессе расцепления контактов, и стойкость конструкции автомата к процессам горения дуги в зоне размыкания.
Конструктивные особенности, влияющие на увеличение ПКС при размыкании контактов автоматического выключателя
Для начала рассмотрим требования к конструкции автоматического выключателя, а именно к собственно контактам контактной пары.
Во-первых, это материал контактной пары в зоне соприкосновения. Материалы должны быть подобраны так, чтобы переходное сопротивление контактной пары было минимальным.
Во-вторых, конструкция должна препятствовать «залипанию» (привариванию) контактов в замкнутом состоянии при протекании сверхтоков. Основной причиной такого неприятного процесса является взаимная диффузия (проникновение) частиц металла. Особенно ярко этот эффект проявляется для металлов, близких по составу, не имеющих защиты от «приваривания». Материалы контактной пары должны быть подобраны так, чтобы минимизировать этот эффект.
В-третьих, материалы контактной пары должны обладать минимальной способностью к эмиссии заряженных частиц в процессе размыкания. Это способствует подавлению процесса поддержания электрической дуги.
Рассмотрим другие элементы конструкции, влияющие на надежность конструкции и скорость расцепления.
Одним из важнейших конструктивных элементов — узлом, производящим собственно размыкание, является механизм свободного расцепления. Это система пружин и рычагов, производящая размыкание контактов на максимальное расстояние. Также очень важным является усилие прижатия контактов при включении аппарата, а также расцепления при его отклю чении.
Считая, что при разработке конструкции были учтены требования к материалам контактов, определять условия гашения дуги будет время размыкания контактов на максимальное расстояние, определяемое данным вариантом конструкции. Так, если размыкание произойдет на 3,5 мм за 1 мс, то условия для поддержания дуги будут более благоприятны по сравнению с механизмом, раствор контактов которого составит 5,5 мм за 1,5 мс. Основным фактором, влияющим на поддержание дуги, является приложенное к разрядному промежутку напряжение, и чем ниже напряжение на единицу расстояния между ближайшими точками контактов, тем быстрее произойдет гашение дуги. А время определит продолжительность благоприятных условий горения. И если размыкание будет происходить достаточно медленно, разрушение контактов будет значительным, вплоть до полного разрушения.
Также для ускорения гашения дуги в электротехнических аппаратах используют так называемый механизм «транспортировки» дуги. В автоматических выключателях это имеющая определенную форму стальная пластина с защитным покрытием, механически соединенная с одним из контактов для упрощения затягивания зоны горения дуги в так называемую дугогасительную камеру. Это производится посредством так называемого «магнитного дутья». При протекании тока в дуге формируется магнитное поле определенной формы, которое направляет область горения дуги от контактов вдоль пластин «транспортера» в дугогасительную камеру. В более современных моделях функцию «транспортера» дуги выполняет также особым образом изогнутый подвижный контакт, а в отдельных случаях — и дополнительные металлические пластины, подключенные к другому контакту.
Дугогасительная камера состоит из нескольких стальных, параллельно расположенных пластин сложного профиля, закрепленных в термостойких диэлектрических боковых пластинах. В модульных аппаратах обычно это специальный вид электротехнического картона, имеющего особую пропитку, усиливающую подавление процессов горения дуги. Из такого же материала выполнена задняя стенка дугогасительной камеры, необходимая для ограничения прохождения дуги сквозь дугогасительную камеру.
Рассмотрим конструкцию двух автоматических выключателей из ассортимента ТМ IEK, имеющих разное значение ПКС. Это автоматические выключатели ВА47-29 (ПКС 4500 А) и ВА47-60 (ПКС 6000 А) (рис. 2). Оба выключателя настроены на номинальный ток 16 А и имеют характеристику электромагнитного расцепителя «С».
На рис. 2 бросается в глаза различная компоновка аппаратов. В конструкции ВА47-29 подвижный контакт расположен «слева», со стороны дугогасительной камеры. У ВА47-60 — подвижный контакт «справа», с противоположной стороны от дугогасительной камеры, которые сильно отличаются размерами, что говорит о различных свойствах дугогашения. Известно, что чем больше пластин при равном расстоянии между ними, тем более эффективно электрическая дуга будет рассекаться.
У ВА47-29 девять пластин, а у ВА47-60 их тринадцать (рис. 3)!
Механизм свободного расцепления у ВА47-60 конструктивно проще и легче, зацепление более «мягкое», рабочая пружина размыкания — одна и достаточно мощная. Все это говорит о том, что размыкание контактов по сравнению с ВА47-29 произойдет быстрее. О большой износостойкости контактной пары при процессах горения говорит контактная напайка неподвижного контакта, в обоих случаях (ВА47-29 и ВА47-60) выполненная из серебросодержащего композита, а также специальная форма контактной зоны подвижного контакта. Этому же способствует то, что у ВА47-60 подвижный контакт замыкается дугоотводящей пластиной, тогда как у ВА47-29 не замыкается.
Помимо описанных различий и сходства есть еще одно немаловажное отличие: дугоотводящая пластина подвижного контакта ВА47-60 выполнена в виде гладкой кривой (что значительно облегчает затягивание дуги в дугогасительную камеру), в то время как у ВА47-29 это ломаная линия с зоной критического состояния в зоне перелома. Также необходимо отметить, что у ВА47-60 есть дугоотводящая пластина двойной толщины в зоне неподвижного контакта (у ВА47-29 дугоотводящая пластина есть только в зоне неподвижного контакта). Двойная толщина необходима для увеличения ресурса при горении дуги. Еще одна особенность: подвижный контакт ВА47-60 при размыкании касается дугоотводящей пластины, что резко повышает эффективность дугогасительной камеры.
Все вышеперечисленное говорит о том, что ВА47-60 действительно имеет большее значение ПКС по сравнению с ВА47-29. Этот факт подтверждают и результаты проведенных испытаний в испытательном центре НИИ «Электроаппарат», г. Ставрополь. Специалисты НИИ документально подтвердили: конструкция ВА47-60 действительно соответствует значению ПКС 6000А. Причем с запасом.