Электрические аппараты

Номинальная отключающая способность при коротком замыкании

Особенностью современных патронных плавких предохранителей является то, что благодаря быстроте плавления вставки при больших уровнях токов короткого замыкания отключение тока начинается до появления первого большого пика тока, поэтому ток замыкания никогда не достигает своего ожидаемого максимального значения (рис. H15).

Такое ограничение тока значительно снижает вероятность возникновения термических и динамических напряжений и, тем самым, сводит к минимуму опасность и степень ущерба в том месте, где произошло короткое замыкание. Поэтому номинальная отключающая способность предохранителя определяется действующим значением переменной составляющей ожидаемого тока короткого замыкания.

Для плавких предохранителей не устанавливается номинальный ток включения на короткое замыкание.

Рис. H15: Ограничение тока плавким предохранителем

Напоминание:

В начальный момент токи короткого замыкания содержат постоянные составляющие, амплитуда и длительность которых зависят от соотношения XL/R поврежденного участка цепи.

Вблизи источника питания (понижающего трансформатора) соотношение Ipeak/Irms (где Irms — действующее значение периодической составляющей тока непосредственно сразу после момента короткого замыкания) может достигать 2,5 (это регламентировано стандартами МЭК и показано на рис. H16).

Как отмечалось выше, на нижних уровнях распределения питания в электроустановке величина XL мала по сравнению с R, и поэтому для оконечных цепей Ipeak / Irms ~ 1,41 (это условие отражено на рис. H15).

Эффект ограничения пикового тока происходит только тогда, когда ожидаемое действующее значение переменной составляющей тока короткого замыкания достигает определенного уровня. Например, на приведенном выше графике предохранитель 100 А начнет отключать пиковый ток при ожидаемом действующем значении тока замыкания 2 кА (a). Тот же предохранитель при ожидаемом действующем значении тока замыкания 20 кА ограничит пиковый ток до 10 кА (b). В последнем случае при отсутствии токоограничивающего предохранителя пиковый ток мог бы достичь 50 кА (c). Как уже упоминалось, на нижних уровнях распределения R значительно превосходит XL, и уровни токов замыкания обычно небольшие. Это означает, что уровень тока короткого замыкания может не достичь достаточно высоких значений для того, чтобы вызвать ограничение пикового тока. С другой стороны, как уже отмечалось, в данном случае апериодические составляющие тока в переходном процессе имеют незначительное влияние на величину пика тока

Рис. H16: Зависимость ограниченного пикового тока от ожидаемых действующих значений переменной составляющей тока короткого замыкания для низковольтных плавких предохранителей

Примечание о номинальных токах срабатывания предохранителей типа gM:

Предохранитель типа gM представляет собой фактически предохранитель типа gG, плавкий элемент которого рассчитан на ток Ich, который может, например, составлять 63 А.
Это испытательное значение, принятое в стандартах МЭК, поэтому его времятоковая характеристика аналогична такой же характеристике предохранителя типа gG на 63 А.
Значение 63 А выбрано для того, чтобы выдержать большие пусковые токи электродвигателя, рабочий ток которого в нормальном режиме (In) может находиться в диапазоне 10-20 А.
Это означает, что можно использовать меньшие по размерам патрон и металлические части предохранителя, поскольку отвод тепла, который требуется при нормальных условиях эксплуатации, относится к сниженным значениям тока (10-20 А). Стандартный предохранитель типа gM, пригодный для такого случая, обозначался бы как 32M63 (т.е. In M Ich).

Первый номинальный ток (In) характеризует тепловые характеристики плавкой вставки при установившейся нагрузке, а второй номинальный ток (Ich) относится к ее функционированию при кратковременном пусковом токе. Вполне очевидно, что хотя предохранитель пригоден для защиты электродвигателя от коротких замыканий, он не обеспечивает его защиты от перегрузок, и поэтому при применении предохранителей типа gM всегда необходимо устанавливать отдельное тепловое реле. Таким образом, единственное преимущество предохранителей gM перед предохранителями типа aM заключается в том, что они меньше по размерам и немного дешевле.

Методы автоматического расцепления

Защитно-коммутационные аппараты имеют в своей конструкции реле. Они входят в состав расцепителей. Реле могут быть электромеханическими или статистическими. Производят контроль и сопоставление заданных параметров полупроводниковые материалы. Этот принцип заложен во вводных автоматах.

Электромеханические разновидности могут быть выполнены на базе электротепловых, электромагнитных или комбинированных элементов. Вводной коммутационный аппарат представленного типа устанавливается в квартирах, домах, на промышленных объектах и т. д.

Расцепители могут не иметь установленного интервала времени при выполнении срабатывания. Также в продаже присутствуют приборы с независимой выдержкой или срабатыванием с обратной зависимостью от тока.

Параметры коммутационных аппаратов

• Воздействующая величина — Физическая величина, на которую коммутационный аппарат предназначен реагировать.
• Уставка по воздействующей величине — Заданное значение величины срабатывания или несрабатывания, на которое отрегулирован аппарат
• Уставка по времени — Значение выдержки времени, на которое отрегулирован аппарат
• Диапазон уставки — Область значений уставки, на которые может быть отрегулирован аппарат
• Время включения — Интервал времени с момента подачи команды на включение коммутационного аппарата до момента появления заданных условий для прохождения тока в его главной цепи
• Собственное время включения — Интервалы времени с момента подачи команды на включение контактного аппарата до момента соприкосновения заданного контакта
• Собственное время отключения — Интервал времени с момента подачи команды на отключение до момента прекращения соприкосновения контактов полюса, размыкающего последним
• Полное время отключения цепи — Интервал времени с момента подачи команды на отключение коммутационного аппарата до момента прекращения тока во всех полюсах аппарата
• Времятоковая характеристика — Зависимость времени срабатывания коммутационного аппарата от тока в его главной цепи
• Ток отключения — Принятое значение ожидаемого тока в цепи, отключенной аппаратом, в заданный момент времени
• Ток включения — Принятое значение ожидаемого тока в цепи, включенной аппаратом, в заданный момент времени
• Устойчивость при сквозных токах — Способность аппарата в соответствующем коммутационном положении или состоянии пропускать определенный ток в течение определенного времени в предусмотренных условиях, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Механическая износостойкость — Способность контактного аппарата выполнять в определенных условиях определенное число операций без тока в цепи главных и свободных контактов, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Коммутационная износостойкость — Способность контактного аппарата выполнять в определенных условиях определенное число операций при коммутации его контактами цепей, имеющих заданные параметры, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Восстанавливающееся напряжение — Напряжение, появляющееся на контактах одного полюса коммутационного аппарата в переходном режиме непосредственно после погасания в нём дуги.
• Диаграмма коммутационных положений — Диаграмма, показывающая положения контактов в различных коммутационных положениях коммутационного аппарата и последовательность перехода из одного коммутационного положения в другое

В-4. Требования к электрическим сетям

Электрические сети должны обеспечивать достаточно надежное электроснабжение потребителей и требуемое качество электроэнергии. При этом они должны соответствовать требованиям наибольшей экономичности. Это относится и к условиям проектирования, и к условиям эксплуатации.
Обычно за исходные принимаются требования по надежности питания и качеству энергии, обусловленные техническими условиями. Принимаемые решения в дальнейшем корректируются по условиям экономичности. Обоснованное выполнение этих требований на основе принципов общегосударственной экономики и является важнейшей задачей инженерной деятельности в области электрических сетей и систем. Вопрос о надежности электроснабжения потребителей возникает в связи с тем, что практически все элементы электрической сети с течением времени повреждаются. Сокращение количества возможных повреждений часто связано с  большими дополнительными затратами. Поэтому обычно при конструировании электрических сетей приходится ориентироваться на некоторые   средние условия их работы. В более трудных условиях, которые возникают сравнительно редко, приходится рассчитывать на возможность повреждения сетевых сооружений. Повреждения могут происходить не столько в связи с недостаточно высокими качествами, касающимися применяемых материалов, изготовлением элементов сети и оборудования и тщательности эксплуатации, сколько в зависимости от определенных внешних условий—повышенной грозовой деятельности, усиленных ветровых воздействий, особо тяжелых гололедных образований и т. д. Повышение надежности электроснабжения может обеспечиваться не только снижением повреждаемости и резервированием элементов сети, но и другими способами, которые могут оказаться более оправданными экономически. К ним относятся, например,— применение устройств автоматики, временная работа элементов сети в несимметричных режимах и др.
Качество электроэнергии в современных протяженных электрических сетях с многими ЭП зависит от многих условий работы сети. Оно оказывается практически различным в разных местах сети и может искусственно изменяться (регулироваться). При этом необходимо принимать меры по обеспечению качества электроэнергии в допустимых пределах. В ряде случаев приходится применять специальные устройства для его улучшения. Выше указывалось, что сооружение и эксплуатация электрических сетей связаны с большими денежными и материальными затратами. Поэтому и в условиях проектирования, и в условиях эксплуатации должен проводиться тщательный анализ повышения экономичности электрических сетей. Это требуется при выборе схемы соединений линий и параметров оборудования сети, при улучшении режимов ее работы, выяснении целесообразной степени ее автоматизации, способов резервирования и т. п.

Параметры коммутационных аппаратов

• Воздействующая величина — Физическая величина, на которую коммутационный аппарат предназначен реагировать.
• Уставка по воздействующей величине — Заданное значение величины срабатывания или несрабатывания, на которое отрегулирован аппарат
• Уставка по времени — Значение выдержки времени, на которое отрегулирован аппарат
• Диапазон уставки — Область значений уставки, на которые может быть отрегулирован аппарат
• Время включения — Интервал времени с момента подачи команды на включение коммутационного аппарата до момента появления заданных условий для прохождения тока в его главной цепи
• Собственное время включения — Интервалы времени с момента подачи команды на включение контактного аппарата до момента соприкосновения заданного контакта
• Собственное время отключения — Интервал времени с момента подачи команды на отключение до момента прекращения соприкосновения контактов полюса, размыкающего последним
• Полное время отключения цепи — Интервал времени с момента подачи команды на отключение коммутационного аппарата до момента прекращения тока во всех полюсах аппарата
• Времятоковая характеристика — Зависимость времени срабатывания коммутационного аппарата от тока в его главной цепи
• Ток отключения — Принятое значение ожидаемого тока в цепи, отключенной аппаратом, в заданный момент времени
• Ток включения — Принятое значение ожидаемого тока в цепи, включенной аппаратом, в заданный момент времени
• Устойчивость при сквозных токах — Способность аппарата в соответствующем коммутационном положении или состоянии пропускать определенный ток в течение определенного времени в предусмотренных условиях, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Механическая износостойкость — Способность контактного аппарата выполнять в определенных условиях определенное число операций без тока в цепи главных и свободных контактов, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Коммутационная износостойкость — Способность контактного аппарата выполнять в определенных условиях определенное число операций при коммутации его контактами цепей, имеющих заданные параметры, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Восстанавливающееся напряжение — Напряжение, появляющееся на контактах одного полюса коммутационного аппарата в переходном режиме непосредственно после погасания в нём дуги.
• Диаграмма коммутационных положений — Диаграмма, показывающая положения контактов в различных коммутационных положениях коммутационного аппарата и последовательность перехода из одного коммутационного положения в другое

Привод и расцепители

Привод коммутационного аппарата приводится в движение ручным или бесконтактным способом. Бывают системы с совмещенной системой управления. Выключение производится при помощи пружин. Они приводятся в движение после разъединения расцепителя. Эта деталь исключает возможность удержания контактов во включенном положении при возникновении аварийной ситуации.

Расцепитель представляет собой систему из связочных шарнирных рычагов. Они соединяют привод с подвижными контактами, которые, в свою очередь, примыкают к отключающей пружине.

Именно расцепители отвечают за поддержание требуемых параметров цепи, которую они защищают. Если в системе наблюдаются отклонения от нормального значения, эти элементы отключают питание.

Рубильники и переключатели.

Рубильником называется электрический аппарат, предназначенный для неавтоматического (ручного) включения и отключения цепей переменного и постоянного тока напряжением до 500 В. Рубильники изготовляются в одно-, двух- и трехполюсном исполнении на токи до 1000 А с передним или задним присоединением проводов. Двух- и трехполюсные рубильники, как правило, имеют соединение полюсов траверсой из диэлектрического материала и привод от одной общей рукоятки, обеспечивающий одновременное включение и отключение полюсов. Рубильники выполняют с центральными рукоятками, боковым и рычажным приводами.
Для установки на лицевой стороне панелей или щитов выбирают рубильники с центральными рукоятками или с боковым приводом. При установке на задней стороне щита применяют рубильники с рычажным приводом. На рис. 50 показана схема рубильников с боковым приводом типа РБ-34 и с рычажным приводом типа РП-3/250. Рубильники РБ предназначены для нечастых неавтоматических замыканий электрических цепей постоянного тока напряжением до 440 В и переменного тока частотой 50 Гц напряжением до 500 В. Рубильники типа РБ-32 рассчитаны на ток до 250 А, а типа РБ-33 — на ток до 400 А. Их масса составляет 5,25 и 7,66 кг соответственно. Такие рубильники предназначены для эксплуатации в закрытых помещениях при относительной влажности воздуха до 60%.

Рис. 50. Схемы трехполюсных рубильников:
а — с боковым приводом, б —с рычажным приводом на напряжение до 600 В

Рубильники с рычажным приводом типа РП-3/250 рассчитаны на ток 200 А и номинальное напряжение 500 В. Они устанавливаются вертикально на панелях или щитах распределительных устройств в помещениях с колебаниями температуры окружающего воздуха от 35 и до —40 С. Основание рубильника крепится болтами с задней стороны панели, а рычажного привода к нему — с лицевой стороны. Рубильники типа РП-5 с рычажным приводом выпускаются на номинальные токи 600 и 1000 А.
В ряде конструкций рубильников, кроме основного контактного ножа, предусмотрены разрывные дугогасительные контакты, например угольные. При использовании рубильников в качестве пусковых устройств для включения и отключения электрических двигателей их мощность не должна превышать 15 кВт, а номинальный ток рубильника должен быть не меньше трехкратного номинального тока электродвигателя. Для сравнительно небольших токов используют так называемые пакетные или пакетно-кулачковые выключатели и переключатели. В этих выключателях полюса набираются в виде отдельных пакетов, и переключение осуществляется при повороте ручки вокруг своей оси по часовой стрелке. Отечественная электропромышленность изготавливает пакетно-кулачковые выключатели типа ПКВ и переключатели типа ПКП на номинальное напряжение 440 В и токи 10, 25, 40, 63, 100 и 160 А, обладающие высокой механической и электрической износостойкостью. Эти аппараты применяют для коммутации отдельных участков электрических цепей и ручного управления асинхронными электродвигателями небольшой мощности. Неподвижные контакты аппарата выполняют в виде петли, что позволяет улучшить процесс гашения электрической дуги. Переключатели и выключатели предназначены для работы при колебаниях температуры ± 80° С и относительной влажности не более 90% (при + 20° С) и не более 50% (при + 40° С). Используют также пакетные выключатели и переключатели типов ПК и ПВ открытого исполнения на токи до 100 и 250 А при напряжении 380 В. Технические характеристики пакетных выключателей и переключателей приведены в приложениях 5 и 6.

Параметры коммутационных аппаратов

• Воздействующая величина — Физическая величина, на которую коммутационный аппарат предназначен реагировать.
• Уставка по воздействующей величине — Заданное значение величины срабатывания или несрабатывания, на которое отрегулирован аппарат
• Уставка по времени — Значение выдержки времени, на которое отрегулирован аппарат
• Диапазон уставки — Область значений уставки, на которые может быть отрегулирован аппарат
• Время включения — Интервал времени с момента подачи команды на включение коммутационного аппарата до момента появления заданных условий для прохождения тока в его главной цепи
• Собственное время включения — Интервалы времени с момента подачи команды на включение контактного аппарата до момента соприкосновения заданного контакта
• Собственное время отключения — Интервал времени с момента подачи команды на отключение до момента прекращения соприкосновения контактов полюса, размыкающего последним
• Полное время отключения цепи — Интервал времени с момента подачи команды на отключение коммутационного аппарата до момента прекращения тока во всех полюсах аппарата
• Времятоковая характеристика — Зависимость времени срабатывания коммутационного аппарата от тока в его главной цепи
• Ток отключения — Принятое значение ожидаемого тока в цепи, отключенной аппаратом, в заданный момент времени
• Ток включения — Принятое значение ожидаемого тока в цепи, включенной аппаратом, в заданный момент времени
• Устойчивость при сквозных токах — Способность аппарата в соответствующем коммутационном положении или состоянии пропускать определенный ток в течение определенного времени в предусмотренных условиях, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Механическая износостойкость — Способность контактного аппарата выполнять в определенных условиях определенное число операций без тока в цепи главных и свободных контактов, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Коммутационная износостойкость — Способность контактного аппарата выполнять в определенных условиях определенное число операций при коммутации его контактами цепей, имеющих заданные параметры, оставаясь после этого в предусмотренном состоянии
• Восстанавливающееся напряжение — Напряжение, появляющееся на контактах одного полюса коммутационного аппарата в переходном режиме непосредственно после погасания в нём дуги.
• Диаграмма коммутационных положений — Диаграмма, показывающая положения контактов в различных коммутационных положениях коммутационного аппарата и последовательность перехода из одного коммутационного положения в другое

Выключатель нагрузки

(рис. H6)

Этот выключатель обычно управляется вручную (но иногда для удобства оператора снабжается электрическим приводом отключения) и является неавтоматическим двухпозиционным коммутационным аппаратом (вкл./откл.).

Он используется для включения и отключения нагруженных цепей в нормальных условиях.

Поэтому он не обеспечивает защиту управляемой им цепи.

Стандарт МЭК 60947-3 устанавливает:

• частоту коммутаций (не более 600 циклов включения/отключения в час);
• механическую и коммутационную износостойкость (обычно меньшую, чем у контактора);
• номинальные токи включения и отключения для нормальных и нечастых коммутаций.

При включении выключателя с целью подачи напряжения всегда существует вероятность того, что в цепи произошло непредвиденное короткое замыкание. По этой причине для выключателей нагрузки задается максимальный ток включения на короткое замыкание, т.е. обеспечивается успешное замыкание цепи при наличии электродинамических сил, связанных током короткого замыкания.
Отключение короткого замыкания обеспечивается вышерасположенными защитными устройствами.

Периодическая коммутация отдельных электродвигателей относится к категории AC 23. Включение/отключение конденсаторов или ламп накаливания должно быть предметом соглашения между изготовителем и пользователем.

Рис. H6: Обозначение выключателя нагрузки

Категории использования, указанные на рис. H7, не относятся к оборудованию, которое обычно используется для пуска, разгона и/или останова отдельных двигателей.

Пример:
Выключатель нагрузки на 100 А, соответствующий к категории AC 23 (индуктивная нагрузка), должен быть способен:

• включать ток 10 In (= 1000 А) при коэффициенте мощности 0,35;
• отключать ток 8 In (= 800 А) при коэффициенте мощности 0,45;
• выдерживать при включении кратковременные токи короткого замыкания.

Рис. H7: Категории использования низковольтных коммутационных аппаратов переменного тока согласно стандарту МЭК 60947-3