3.2. Вибір автоматичних вимикачів

Основними характеристиками автоматичних вимикачів є номінальна напруга , номінальний струм , максимальний струм вимкнення .

Номінальна напруга автоматичного вимикача – це така напруга, яка відповідає напрузі мережі, де встановлений вимикач.

Номінальний струм автоматичного вимикача – це такий максимальний струм, за якого вимикач може працювати без пошкоджень та без зміни експлуатаційних характеристик на протязі гарантованого заводом-виготовлювачем часу.

Максимальний струм вимкнення – це такий максимальний струм, який виникає, як правило, під час к.з., і який може вимикати вимикач без виникнення в ньому будь-яких пошкоджень.

Розчіплювач автоматичного вимикача характеризується номінальним струмом розчіплювача , струмом спрацювання та часом спрацювання кожної ступені.

Номінальним струмом розчіплювача називається максимальний струм, довготривале протікання якого не призводить до його спрацювання.

Струм та час спрацювання кожної ступені – це мінімальний струм, за якого розчіплювач спрацює після досягнення заданого часу .

Умови вибору автоматичного вимикача та його розчіплювача визначаються типом елемента, який вони повинні захищати – лінія, трансформатор, двигун, а також від виду пошкодження – тільки від к.з. чи від к.з. та перевантаження.

Автоматичний вимикач вибирається за напругою мережі, струмом к.з. та максимальним робочим струмом елемента, який він повинен захищати.

Номінальна напруга автоматичного вимикача повинна відповідати напрузі мережі:

.

(3.1)

де – номінальна напруга автоматичного вимикача; – напруга мережі, де встановлений автоматичний вимикач.

Максимальний струм, який може вимикати автоматичний вимикач, повинен бути більшим максимального струму під час к.з. в мережі:

.

(3.2)

де – максимальний струм, який може вимкнути автоматичний вимикач; – максимальний струм к.з., який може бути в мережі.

Номінальний струм розчіплювача вибирається більшим від максимального робочого струму , який довготривало протікає по елементу, який захищається:

.

(3.3)

Номінальний струм розчіплювача вибирається за стандартною шкалою номінальних струмів розчіплювача, як найближче більше значення від максимального робочого струму .

Розглянемо умови вибору розчіплювачів автоматичних вимикачів для захисту ліній електропересилання. Особливості розрахунку уставок спрацювання розчіплювачів автоматичних вимикачів для захисту інших елементів електричної мережі буде показано у відповідних розділах.

Розглянемо вибір захистів на базі автоматичних вимикачів, які найчастіше зустрічаються в енергосистемах – це автоматичні вимикачі серії ВА, серії А3700 та серії "Електрон".

Для захисту лінії Л1 (рис. 3.6) застосуєм триступеневий струмовий захист, виконаний на базі розчіплювача автоматичного вимикача SF1.

I-а ступінь – струмова відсічка без витримки часу.

II-а ступінь – струмова відсічка з витримкою часу.

III-а ступінь – максимальний струмовий захист.

Особливістю розрахунку триступеневого захисту на основі розчіплювачів автоматичних вимикачів є зв’язок струму спрацювання кожної з ступеней з номінальним струмом розчіплювача . Це суттєво ускладнює розрахунок та вибір уставок окремих ступеней розчіплювачів автоматичних вимикачів.

Рис. 3.6. Захист лінії розчіплювачами автоматичних вимикачів

I-а ступінь

Струм спрацювання цієї ступені необхідно відлагодити від трифазного струму зовнішнього к.з. в максимальному режимі – це точка к.з. К1 на суміжному елементі (на початку лінії Л3, яка відходить від шин протилежної підстанції). Виконання цієї умови дасть змогу селективно працювати захисту лінії Л1 – не спрацьовувати хибно під час к.з. на суміжному елементі (під час к.з. на лінії Л3 повинен працювати захист суміжного елемента SF2). Вираз, за яким здійснюється розрахунок уставки спрацювання I-ї ступені має наступний вигляд:

.

(3.4)

де – коефіцієнт відлагодження, який враховує вплив аперіодичної складової, неточність розрахунку, відповідний запас; – струм в місці встановлення захисту SF1, під час трифазного к.з. в точці К1 в максимальному режимі.

На практиці часто умову (3.4) не вдається виконати, тому що в більшості серійних вимикачів, які мають триступеневий струмовий захист, струм спрацювання I – ї ступені не регулюється. Так, для вимикачів серії А3790С струм спрацювання струмової відсічки (I-ї ступені) становить 20 кА, для автоматичних вимикачів серії ВА55 та ВА75 значення цього струму залежить від номінального струму розчіплювача і тому його величина лежить в межах 20 – 45 кА, для вимикачів серії "Електрон" струм спрацювання I-ї ступені залежить від струму спрацювання II-ї ступені . Тому в цих випадках розрахунок уставки спрацювання I-ї ступені зводиться просто до порівняння вже визначеного значення струмової відсічки з струмом трифазного к.з. в розрахунковій точці .

Якщо , тобто I-а ступінь буде працювати неселективно, а така робота в конкретному випадку є недопустимою, то необхідно вибрати інший автоматичний вимикач, або організувати I-у ступінь на базі струмових реле, на яких можна виставити уставку, розраховану за (3.4).

II-а ступінь

Це струмова відсічка з витримкою часу. Параметрами цієї ступені є струм спрацювання та час спрацювання . Ця ступінь повинна селективно працювати під час к.з. на суміжному елементі та не спрацьовувати під час короткочасних перевантажень. Для селективної роботи II ступені необхідно її узгодити з I-ю ступінню захисту суміжного елемента. Узгодження II-ї ступені захисту SF1 з захистом суміжного елемента SF2 здійснюється за виразом:

.

(3.5)

де – коефіцієнт відлагодження, значення якого приймається ; – ступінь селективності, значення якого залежить від типу автоматичного вимикача, так, для автоматичних вимикачів серії А3790С ; для автоматичних вимикачів серії ВА55, ВА75 ; для автоматичних вимикачів серії "Електрон" ; – час спрацювання I-ї ступені автоматичного вимикача, з яким проводиться узгодження, в даному випадку це автоматичний вимикач SF2.

Для того, щоб забезпечити неспрацювання автоматичного вимикача під час короткочасних перевантажень необхідно, щоб виконувалась умова

,

(3.6)

де – коефіцієнт відлагодження, значеня якого залежить від типу автоматичного вимикача, для вимикачів серії ВА55, ВА75 та А3790С значення коефіцієнта відлагодження приймається , для вимикачів серії "Електрон" це значення приймається ; – струм короткочасного перевантаження. Для схеми мережі (рис. 3.6) для визначення струму короткочасного перевантаження необхідно враховувати короткочасне перевантаження після спрацювання пристрою АВР. Тому вираз для визначення струму перевантаження має вигляд

,

(3.7)

де – коефіцієнт, який враховує збільшення струму від двигунів I секції внаслідок пониження напруги на цій секції після підключення до неї пристроєм АВР навантаження II секції. В залежності від долі асинхронного навантаження I секції значення ; – коефіцієнт, який враховує самозапуск асинхронних двигунів II секції, величина якого визначається розрахунком. Значення цього коефіцієнта знаходиться в межах ; – максимальні значення струмів навантаження I та II секцій.

Струм спрацювання II ступені вибирається більшим з двох значень, отриманих за виразами (3.5) та (3.6).

III-а ступінь

Як правило, у розчіплювачів уставка струму спрацюваня III ступені не налаштовується. Її значення пов’язане з номінальним струмом розчіплювача . Тому розрахунок струму спрацювання III-ї ступені зводиться до розрахунку номінального струму розчіплювача .

Струм спрацюваня III-ї ступені вибирається з умови відлагодження від робочого максимального струму лінії

,

(3.8)

де ‑ коефіцієнт відлагодження, величина якого визначається похибкою розчіплювача. значення його залежить від типу автоматичного вимикача; ‑ коефіцієнт повернення розчіплювача, значення якого залежить від типу автоматичного вимикача, так для вимикачів серії А3700, ВА воно складає , для вимикачів серії "Електрон" , для теплових розчіплювачів ; ‑ максимальний робочий струм лінії.

Так як струм спрацювання не регулюється, вличина його пропорційна номінальному струмові розчіплювача . Тому струм спрацювання III-ї ступені (номінальний струм розчіплювача) визначається як

,

(3.9)

Враховуючи (3,8) та (3.9) формула для розрахунку номінального струму розчіплювача має вигляд:

.

(3.10)

Знаючи тип автоматичного вимикача, та підставивши відповідні значення коефіцієнтів у формулу (3.10) отримаємо співідношення номінального струму спрацювання розіплювача, який виконує функції III ступені, з максимальним робочим струмом лінії:

• для автоматичних вимикачів серії А3700 та ВА ;

• для автоматичних вимикачів серії "Електрон" ;

• для теплових розчіплювачів .

Час спрацювання III-ї ступені для напівпровідникових розчіплювачів виставляється для струму . Для всіх типів автоматичних вимикачів можна виставити час спрацювання III-ї ступені 4, 8, або 16 с.

На основі часових характеристик розчіплювачів автоматичних вимикачів під час 4-х кратного перевантаження ( ) можна визначити час спрацювання розчіплювачів автоматичних вимикачів. Так, для вимикачів серії А3700 цей час знаходиться в межах , для напівпровідникових розчіплювачів вимикачів серії ВА – , для розчіплювачів автоматичних вимикачів серії "Електрон" – , для теплових розчіплювачів вимикачів серії А3100 – ; для теплових розчіплювачів вимикачів серії ВА –

Розчіплювачі автоматичних вимикачів з уставками спрацювання I, II та III ступеней, розрахованими за (3.4) – (3.10) повинні відповідати вимогам чутливості та селективності.

Чутливість

Чутливість розчіплювачів автоматичних вимикачів перевіряється за кратністю стумів к.з.

Вимоги чутливості розрізняються для мереж, які захищаються тільки від струмів к.з. та для мереж, які захищаються як від струмів к.з. так і від струмів перевантажень.

Для мереж, які захищаються тільки від струмів к.з. повинні задовільнятись наступні вимоги:

• співвідношення мінімального струму к.з. в найбільш віддаленій точці зони захисту до номінального струму розчіплювача повинно бути:

  ;

  (3.11)

• для автоматичних вимикачів, які мають тільки розчіплювачі миттєвого спрацювання повинна виконуватись умова:

  ;

  (3.12)

• для автоматичних вимикачів з номінальним струмом

.

(3.13)

Можна не перевіряти чутливість розчіплювачів автоматичних вимикачів в наступних випадках:

• вимикач має тільки розчіплювач миттєвої дії та виконується умова , де – довготривалий допустимий струм лінії;

• розчіплювач має залежну характеристику, яка може налаштовуватись та виконується наступна умова: ;

• розчіплювач має залежну характеристику, яка не може налаштавуватись та виконується наступна умова: .

Для мереж, які захищаються як від струмів к.з., так і від струмів перевантажень, повинні виконуватись наступні вимоги:

• для автоматичних вимикачів, які мають лише розчіплювач миттєвої дії:

,

(3.14)

де – коефіцієнт, величина якого залежить від типу ізоляції провідників, лежить в межах: , – довготривалий допустимий струм лінії;

• для автоматичних вимикачів з ненастроюваними розчіплювачами незалежно від типу провідників лінії повинна виконуватись умова:

.

(3.15)

Селективність

Для забезпечення селективної роботи захисні характеристики розчіплювачів двох послідовних автоматичних вимикачів, наприклад, SF1 та SF2 на рис. 3.6 не повинні пересікатись на всьому діапазоні можливих струмів коротких замикань (рис. 3.7). Крім того, захисна характеристика розчіплювача вимикача (SF1), який знаходиться ближче до джерела живлення повинна розташовуватись вище захисної характеристики розчіплювача, більш віддаленого від джерела живлення (SF2). У випадку, якщо після розрахунку уставок спрацювання розчіплювачів за формулами (3.4) – (3.10), їхня селективність не забезпечується, захисну характеристику розчіплювача, який знаходиться ближче до джерела живлення (SF1) необхідно підняти вище, тобто змінити уставки спрацювання. Але слід пам’ятати, що після цього час спрацювання цього розчіплювача збільшиться.

Рис. 3.7. Селективність розчіплювачів автоматичних вимикачів

Для забезпечення селективності характеристики розчіплювачів послідовних вимикачів не тільки не повинні пересікатись, але і знаходитись на мінімально можливій відстані одна до одної. Ця відстань визначається їх допустимими похибками. Середня похибка дії розчіплювачів приймається рівною . За такої похибки для будь-якого можливого значення струму к.з. чи перевантаження селективність забезпечується у випадку, коли , або .

В мережах до 1000 В досить часто для захисту елементів мережі застосовуються як запобіжники, так і розчіплювачі автоматичних вимикачів. У випадку, коли ближче до джерела живлення знаходиться автоматичний вимикач і селективність не забезпечується (захисні харктеристики запобіжника та розчіплювача перетинаються), селективність можна досягти шляхом підняття захисної характеристики автоматичного вимикача. У випадку, коли ближче до джерела живлення знаходиться запобіжник, вимоги для забезпечення селективності визначаються з умови, що похибка запобіжників за часом складає , де – час спрацювання плавкої вставки запобіжника. В цьому випадку селективність запобіжника та автоматичного вимикача забезпечується за виконання умови , або коли співвідношення уставок спрацювання запобіжника та розчіплювача становить .

Питання для самоперевірки

1. Призначення автоматичного вимикача.

2. Переваги автоматичних вимикачів у порівнянні з запобіжниками.

3. Умовне та позиційне позначення автоматичного вимикача.

4. З яких основних елементів складається автоматичний вимикач?

5. Принцип роботи електромагнітного розчіплювача.

6. Принцип роботи теплового розчіплювача.

7. Які захисні характеристики мають модульні автоматичні вимикачі?

8. Яким чином можна отримати комбіновану захисну характеристику автоматичного вимикача?

9. Які характеристики має автоматичний вимикач?

10. Що таке номінальний струм розчіплювача автоматичного вимикача?

11. Які умови вибору автоматичного вимикача?

12. За яким параметром перевіряється чутливість розчіплювачів автоматичних вимикачів?

13. Яким чином забезпечується селективність роботи розчіплювачів автоматичних вимикачів?