Определение селективности автоматических выключателей и принципы ее расчета

Селективность, или избирательность автоматических выключателей, является важнейшим аспектом, необходимым для обеспечения стабильной работы электрических систем. Эта особенность помогает предотвратить возникновение аварийных ситуаций, значительно повышая уровень безопасности.

При возникновении перегрузок или коротких замыканий срабатывает защита исключительно на поврежденной линии, позволяя остальным участкам системы продолжать функционировать. В данной статье мы подробно обсудим, как это происходит, рассмотрим главные цели селективной защиты, схемы подключения и их специфики.

Также мы уделим внимание методам расчета селективности и правилам разработки схемы, добавив к материалу иллюстрированные схемы, таблицы и фотографии, а также запланируем размещение видеоматериалов с разъяснениями.

Важность и ключевые задачи селективной защиты

Обеспечение безопасного и надежного функционирования электрических установок — основная задача, возложенная на селективную защиту. Она мгновенно определяет и изолирует неисправный участок, не прерывая при этом электроснабжение исправных зон. Селективность снижает нагрузку на систему и минимизирует последствия коротких замыканий.

При правильной работе автоматических выключателей наилучшим образом удовлетворяются требования для беспрепятственного электроснабжения, что необходимо для бесперебойного выполнения производственных процессов.

Если автоматическое оборудование, ответственное за отключение, выйдет из строя в результате короткого замыкания, наличие селективности обеспечит нормальное электропитание для потребителей.

Принцип, согласно которому ток, проходящий через все распределительные выключатели, установленные после вводного автомата, меньше его предельно допустимого значения, является основой селективной защиты.

Суммарная величина этих токов может быть больше, однако каждый конкретный автомат должен иметь значение токовой нагрузки хотя бы на один шаг меньше, чем вводной. Например, если вводный автомат рассчитан на 50 А, следующий в цепи выключатель должен иметь значение 40 А.

Автоматический выключатель включает в себя множество элементов: рычаг (1), винтовые клеммы (2), подвижные и неподвижные контакты (3, 4), биметаллическую пластину (5), регулирующий винт (6), соленоид (7), решетку для гашения дуги (8) и защелку (9).

Рычажок используется для включения и отключения питания на клеммы. На клеммы подводят и фиксируют контакты. Подвижный контакт, в сочетании с пружиной, предназначен для быстрого отключения, а соединение цепи осуществляется через неподвижный контакт.

При переполнении током выше допустимого порога, отключение происходит благодаря перегреву и изгибу биметаллической пластины, а также срабатыванию соленоида.

Настройка токовых значений происходит с помощью регулирующего винта. Чтобы избежать образования электрической дуги при отключении контактов, в конструкцию вводится элемент, называемый дугогасительной решеткой. Защелка предназначена для фиксации корпуса автомата.

Селективность, как характеристика релейной защиты, подразумевает способность определять неисправный элемент системы и отключать его от работающей части электрической сети.

На представленной схеме щита можно увидеть, как осуществляется распределение нагрузки в квартире. Прежде чем установить автомат, нужно произвести расчет суммарной мощности подключаемого оборудования.

Селективность выключателей — это их способность действовать последовательно. Нарушение этого принципа может привести к перегреву как автоматических выключателей, так и проводки.

Это может вызвать короткое замыкание в линии, сгорание плавких контактов и изоляции, что приведет к повреждению электроприборов и, вworst case, к пожару.

Предположим, что на длинной линии электроснабжения произошел инцидент. В соответствии с основным принципом селективности первым срабатывает автомат, находящийся ближе к участку повреждения.

Если в стандартной квартире в одной из розеток возникает короткое замыкание, то на распределительном щите должна сработать защита той линии, часть которой эта розетка составляет. Если этого не произошло, тогда срабатывает автомат защитной группы, а лишь затем — вводной автомат.

Абсолютная и относительная селективность защиты

Селективность определяется ГОСТом IEC 60947-1-2014. Выделяют два основным вида селективности: абсолютную и относительную. Если защита настроена так, что она срабатывает исключительно внутри определенной зоны, это говорит о ее абсолютной селективности.

В таких случаях максимальный ток селективности равняется максимальному значению отключающей способности более низкостоящего автомата.

Если срабатывание происходит в качестве резервного, когда не было отключения в зоне проблемы, это называется относительной селективной защитой. В таких случаях отключаются более высокорасположенные выключатели.

При превышении установленных значений тока автоматического выключателя, а также отсутствии серьезных перегрузок, селективная защита срабатывает практически без сбоев. Однако добиться этого при коротких замыканиях гораздо сложнее.

Информация о выпускаемой продукции публикуется на корпусах устройств и на сайтах производителей. Важно уметь корректно трактовать маркировку автоматов: соединения выключателей формируются исключительно согласно таблицам одного производителя. Также стоит отметить, что группы, собранные по относительному принципу, могут иметь большее количество функций.

Помимо этого, производители предоставляют таблицы селективности, что упрощает формирование групп с соответствующими характеристиками.

Буква «Т» в таблице обозначает абсолютную селективность для определенной пары аппаратов, а цифра указывает на частичную. Если ожидаемая предельная величина тока короткого замыкания будет меньше числа, указанного в таблице, селективность гарантирована.

Чтобы проверить селективность между выше- и нижестоящими автоматами, необходимо исследовать пересечение вертикальных и горизонтальных значений. Обеспечение селективности играет критическую роль в электроснабжении объектов, относящихся к особым категориям.

Отсутствие этой селективности может привести к приостановке производственных процессов, повреждению линий, а также отключению систем кондиционирования и вентиляции.

Типы схем селективности подключения

В дополнение к абсолютной и относительной селективности, существует еще семь типов селективной защиты:

• зонная;
• времятоковая;
• энергетическая;
• временная;
• полная;
• частичная;
• токовая.

Для достижения необходимой селективности автоматической защиты электросетей с автоматами применяются различные подходы. Однако, в любом случае, важно корректно установить выключатели, следуя выбранной схеме и правилам монтажа.

Тип #1 — полная и частичная защита

Полная защита подразумевает, что в случае подключенной последовательно пары автоматов, появление превышающих токов приводит к отключению одного, расположенного ближе к месту повреждения.

Частичная защита действует по тому же принципу, что и полная, но срабатывает только после достижения установленного предельного значения тока.

Селективность отключения, которую обеспечивают автоматы (А и В), заключается в том, что короткое замыкание, возникшее в любом месте электрической установки, будет остановлено ближайшим выключателем, находящимся выше этой точки. Остальные устройства останутся включенными.

При наличии полной селективности между двумя автоматами, максимальная предельная величина тока короткого замыкания этой установки в любых случаях не должна превышать значения тока двух автоматов.

Тип #2 — токовая селективность

В токовой селективности основным параметром является предельное значение тока. От объекта до ввода токи необходимо упорядочить по возрастанию. Основой работы данного типа селективности является тот же принцип, что и у временной селективности.

Разница заключается в том, что выдержка осуществляется в зависимости от значения тока — по мере приближения к месту короткого замыкания увеличивается ток короткого замыкания. Параметры времени на отключение могут быть одинаковыми.

Зону, где произошло короткое замыкание, определяют в зависимости от установленных значений тока срабатывания. Полная селективность может наблюдаться лишь в условиях, когда ток короткого замыкания низкий и между двумя автоматами имеется оборудование с высоким сопротивлением. В таком случае токи короткого замыкания будут существенно различаться.

Такой тип селективности чаще всего используется в распределительных щитах конечного уровня. Здесь происходит сочетание низких номинальных токов и токов короткого замыкания с высоким полным сопротивлением проводов.

Данный подход к селективности является экономически выгодным, простым в реализации и срабатывает моментально. Тем не менее, зачастую такая селективность может быть частичной, поскольку максимальные токи, как правило, невысоки.

На представленной фотографии показана токовая селективность с использованием автоматических выключателей. Применяя данный вид селективности, наблюдается смещение характеристик тока автоматов, которые расположены друг за другом.

Если значения Isd1 и Isd2 идентичны или очень близки, то Is — максимальный ток селективности равен Isd2. Если эти значения значительно отличаются, то Is равно Isd1.

Условием обеспечения токовой селективности являются неравенства: Ir1/Ir2 > 2 и Isd1/Isd2 > 2. При этом максимальная селективность будет равна Is = Isd1.

Среди недостатков можно упомянуть быстрый рост значений уставок защиты от высоких токов. Отключить поврежденную цепь, если один из автоматов оказывается неисправным, бывает сложно.

При расчете уставок защиты важно учитывать реальные токи, проходящие через автоматы в автоматическом режиме.

Тип #3 — временная и времятоковая селективность

Когда в электрической цепи подключено несколько автоматических выключателей с одинаковыми токовыми характеристиками, но различающимися временами срабатывания, они выполняют взаимную защиту при возникновении неисправности. Выключатель, находящийся ближе к месту повреждения, срабатывает первым, в то время как следующий включается позже и так далее.

На предложенной двухуровневой схеме выключатель «А» имеет такое время срабатывания, которое обеспечивает полную селективность относительно выключателя «В».

В рамках временной селективности защитные устройства реагируют не только на величину тока, но и на время, которое проходит до активации. При достижении определенного значения тока защитное устройство, находящееся ближе к месту короткого замыкания, срабатывает спустя некоторое время, в то время как исправная часть цепи остается подключенной.

На изображении представлен график с временной селективностью, демонстрирующий работу автоматов. Временные характеристики выключателей «В» и «А» не пересекаются и расположены в виде ступенек.

Тип #4 — энергетическая селективность автоматов

При реализации энергетической селективности отключения происходят непосредственно внутри корпуса автоматического выключателя. Время активации настолько короткое, что ток короткого замыкания не успевает достичь своего предельно допустимого значения.

Система временной селективности считается сложной, так как здесь учитывается не только реакция на ток, но и время этого процесса.

С увеличением величины тока время срабатывания автоматического выключателя, как правило, уменьшается. Для достижения данного вида селективности важно настроить защиту таким образом, чтобы она срабатывала быстрее при всех уровневых значениях тока, находясь ближе к защищаемому объекту, чем автомат, установленный на вводе.

Тип #5 — зонная схема защиты

Зонная схема защиты является сложной и дорогостоящей, поэтому чаще всего её применяют в промышленных условиях. Как только ток достигает пороговых значений, информация направляется в центр управления, и соответствующий автомат срабатывает. В таких электрических системах используются специальные электронные расцепители.

При обнаружении отклонений сигнал от выключателя, находящегося на нижнем уровне, передается на устройство, находящееся выше. Первый автомат обязан сработать в течение одной секунды. Если он не срабатывает, включается второй.

Сравнивая зонную селективность с временной, можно заметить, что время реакции при этом значительно меньше и порой составляет всего сотни миллисекунд. Это значительно снижает вероятность вмешательства в систему и уменьшает её повреждаемость. Также сокращаются тепловые и динамические воздействия на элементы установки, увеличивается число уровней селективности.

Если токи, проходящие через защитные устройства, превышают установленные значения, каждый выключатель передает сигнал блокировки на защиту более высокого уровня.

Для зонной селективности реагирует устройство, находящееся ближе к источнику питания, если рассматривать место короткого замыкания как исходную точку. При этом важно, чтобы защитное устройство с нагруженной стороны не подало аналогичный сигнал до момента срабатывания автомата.

Однако такая селективность требует наличия дополнительного источника питания. Поэтому рациональное применение этого типа селективности следует осуществлять в системах с высокими параметрами тока короткого замыкания и значительными величинами тока. К ним относятся распределительные устройства, которые находятся по сторону нагрузки от генераторов и трансформаторов.

Расчет селективности автоматов

Правильный выбор и настройка автоматов являются ключевыми составляющими, позволяющими обеспечить селективность автоматических выключателей. Селективность для выключателя, расположенного ближе к источнику, гарантирует выполнение условия: Iс.о.послед. ≥ Kн.о.∙ I к.пред.

Здесь Iс.о.послед. — это величина тока, при которой срабатывает защита. I к.пред. — ток короткого замыкания на конечной точке зоны, которая подпадает под действие удалённого автомата. Kн.о. — коэффициент надежности, значение которого зависит от разброса параметров.

Выбор номинала автомата для цепи осуществляется не только расчетным путем, но и с использованием таблиц, ориентируясь на размеры кабелей в системе.

Условие tс.о.послед. ≥ tк.пред. + ∆t демонстрирует селективность при временной регулировке автоматов. tс.о.послед. и tк.пред. — это интервалы времени сработки выключателей, находящихся на значительном удалении от источника питания и расположенных рядом. ∆t — это значение, зафиксированное в каталоге, указывающее на уровень временной селективности.

Карта селективности и принципы её создания

На карте селективности отображаются временные характеристики всех устройств, встроенных в электрическую сеть. Основной целью её разработки является обеспечение максимально эффективной защиты автоматов. Защита выключателей осуществляется по принципу их последовательного подключения друг к другу.

При создании карты селективности следует соблюдать несколько правил:

1. Все установки должны быть подключены к одному источнику напряжения.
2. Важные расчетные точки должны быть четко видны. Исходя из этого, необходимо правильно выбрать масштаб.
3. На карте обозначаются защитные характеристики и диапазоны минимальных и максимальных токов короткого замыкания в точках системы.

Часто требования проектирования нарушаются, и карты селективности не включаются в проекты. Это может привести к перебоям в электроснабжении потребителей.

На карту наносятся характеристики последовательно подключенных автоматов, а сама схема строится по осям.

Карта позволяет увидеть полное соответствие уставок и сравнить работу автоматов по параметру селективности.

Временные характеристики осей служат основой не только для создания карт селективности для токовых защит в виде автоматов, но и для других типов: предохранителей, реле. Обычно одна карта содержит характеристики для 2-3 автоматов. По оси абсцисс указывается величина тока в кВ, а по оси ординат — время в секундах.

Заключение и полезное видео по теме

Проблемы в работе автоматических выключателей и пути их решения:

Создание карты селективности с использованием специализированного программного обеспечения:

Безопасное и надежное использование электрической проводки невозможно без учета селективности автоматов. Понимание основных аспектов создания селективной защиты позволяет тщательно выбрать оборудование для вашего проекта.

Если вы профессионально занимаетесь электромонтажными работами и хотите дополнить представленную информацию, заметили ошибку в статье или хотите задать вопрос нашим специалистам, пожалуйста, оставьте свои комментарии в блоке ниже.