Классификация и основные параметры

Для автоматических выключателей низкого напряжения (НН) часто используется следующая практическая классификация:

• модульные автоматические выключатели (МСВ - от англ. Moulded Circuit Breakers - сформованный выключатель тока); они рассчитаны на номинальный ток не выше 125 А; обычно имеют тепловой и электромагнитный расцепители и нерегулируемые характеристики расцепления;

• автоматические выключатели в литом корпусе (МССВ - от англ. Moulded Case Circuit Breakers - сформованный в литом корпусе выключатель тока); они широко применяются в большинстве низковольтных сетей и рассчитаны на номинальный ток до 1600 А; характеристики этих выключателей могут подвергаться регулировкам;

• автоматические выключатели в изолированном корпусе (ICCB - от англ. Isolated Case Circuit Breakers) - для сетей НН с повышенными значениями тока (до 6300 А).

Это лишь основные типы автоматических выключателей для сетей НН. Реальная их номенклатура шире. Например, существуют автоматические выключатели в металлической оболочке. В настоящее время при производстве выключателей применяются настолько разнообразные технологии, что некоторые из этих устройств трудно отнести к какой-либо категории.

В нормативной документации автоматические выключатели классифицируются по различным техническим характеристикам: роду тока силовой цепи, числу полюсов, способу монтажа и присоединения, номинальным параметрам, току мгновенного расцепления и другим параметрам.

По роду тока главной цепи они подразделяются на выключатели постоянного или переменного тока и комбинированные автоматические выключатели постоянного и переменного тока.

Род тока и тип системы заземления определяют число полюсов выключателя. Под полюсом понимается часть автоматического включателя, связанная исключительно с одним электрически независимым проводящим путем, имеющая контакты для замыкания и размыкания. По количеству полюсов выключатели могут быть одно-, двух-, трех- и четырехполюсные. В многополюсном выключателе подвижные контакты блокируются таким образом, чтобы замыкать и размыкать цепь одновременно как при ручном, так и при автоматическом управлении.

Полюс выключателя может быть защищенным, незащищенным или отключающим нейтральный провод (нейтраль). Защищенный полюс всегда содержит расцепитель максимального тока. Незащищенный полюс не имеет расцепителя максимального тока, но способен коммутировать цепь так же, как и защищенный полюс. Полюс, отключающий нейтраль, предназначен для замыкания и размыкания нулевого рабочего проводника N. Расцепитель полюса нейтрали настраивается в соответствии с сечением нейтрального проводника, которое может отличаться от сечения фазного проводника. Полюс, отключающий нейтраль, обозначается на выключателе символом «N». Подключать к такому полюсу фазный проводник нельзя!

По способу монтажа выключатели классифицируются на стационарные (устанавливаемые на рейку или монтажную плату), втычные (с цоколем) и выдвижные или выкатные (с шасси).

Главными стандартизуемыми техническими параметрами автоматических выключателей являются напряжение (номинальное рабочее U_e и номинальное по изоляции U_i), номинальный ток I_n и уставка тока срабатывания при КЗ.

Основной характеристикой срабатывания автоматических выключателей в аварийных режимах является времятоковая характеристика (рис. 4.7). Как правило, на ней можно выделить две основные зоны: токов перегрузки и токов КЗ.

Срабатывание выключателя в зоне токов перегрузки характеризуется значением уставки тока расцепителя I_r. Это значение может совпадать с номинальным током аппарата I_n.. Выключатели на токи более 125 А, как правило, имеют возможность регулировки уставки тока расцепителя, иногда в довольно широких пределах - (0,4 ... 1) I_n.

Рис. 4.7. Времятоковая характеристика срабатывания выключателя:

1,2 - границы наименьшего и наибольшего допустимого тока, вызывающего срабатывание при заданном времени срабатывания

Для задания допуска на параметры режима перегрузки введены понятия условного тока несрабатывания I_nt и условного тока срабатывания I_t выключателя (см. рис. 4.7). При токе I_nt выключатель обязан сработать за время, не меньшее условного времени t_усл, а при токе I_t - не большее t_усл. Условное время определяется стандартами или иными нормами. Для автоматических выключателей обычно t_усл = 1 ч. При больших токах перегрузки характеристика имеет обратнозависимый от времени характер. При КЗ срабатывание происходит мгновенно, если ток превышает значение I_sd.

В зависимости от типа и исполнения выключателя времятоковая характеристика может иметь несколько разграниченных зон. Например, срабатывание выключателя при КЗ может происходить мгновенно или с малой выдержкой времени. Уставка мгновенного срабатывания I_i, (рис. 4.8) - это действующее значение тока, при достижении которого выключатель практически мгновенно размыкает свои главные контакты.

При уставке тока срабатывания I_sd с выдержкой времени t_sd выключатель срабатывает не мгновенно, как на рис. 4.7, а с некоторой задержкой. Эта выдержка времени t_sd принудительно устанавливается на выключателе, чтобы обеспечить согласованную работу нескольких последовательно соединенных выключателей. Токи I_i и I_sd могут задаваться абсолютным значением тока срабатывания выключателя или кратностью тока уставки к номинальному току расцепителя I_r или к номинальному току выключателя.

В зависимости от возможности задания выдержки времени выключатели подразделяются на две категории: А и B . Выключатели категории А не имеют выдержки времени при отключении; в категории B существует возможность установки выдержки времени для обеспечения временной селективности. К категории А относятся все модульные выключатели и некоторые исполнения выключателей в литом корпусе, а к категории B - выключатели в литом или изолированном корпусе. Токоограничивающие выключатели обычно относятся к категории А.

Рис. 4.8. Регулируемые параметры характеристики срабатывания (защитной характеристики): Ir - уставка защиты от перегрузок (с обратно зависимой выдержкой времени); tсп - выдержка времени при перегрузке не имеет фиксированного значения и изменяется при регулировании tr; в пределах 100-400с; tr – уставка выдержки времени при фиксированном значении тока перегрузки (обычно 6 Ir); Isd - уставка защиты (от токов КЗ) с малой выдержкой времени; tsd - уставка выдержки времени при токах КЗ; Ii - уставка тока мгновенного срабатывания без выдержки времени

Способность выключателя реализовать защиту от токов КЗ характеризуется отключающей способностью, которая определяется действующим значением ожидаемого тока КЗ - I_кз.ож, который способен отключать выключатель при установленном напряжении в предписанных условиях эксплуатации и поведения.

Различают предельную наибольшую (I_cu) и рабочую наибольшую (I_cs) отключающие способности. Цикл предписанных испытаний с отключением тока I_cu выключатель обязан выполнить хотя бы один раз, и после этого он может остаться неработоспособным; а ток I_cs выключатель обязан отключить как минимум 3 раза. Рабочая отключающая способность I_cs задается в процентах от предельной I_cu. У многих современных зарубежных выключателей это соотношение составляет 100 %.

Способность аппарата включать сеть при существующем в ней КЗ характеризует номинальная наибольшая включающая способность I_cm. Это максимальное ударное (пиковое) значение тока КЗ, которое не препятствует включению и последующему отключению аппарата, при включении его в сеть с существующим в сети коротким замыканием.

Термическая стойкость аппарата характеризуется наибольшим кратковременно допустимым током I_cw. Ток I_cw - такой ток, действующее значение которого аппарат может проводить без повреждений в течение определенного короткого времени t. Длительность прохождения I_cw должна составлять, по крайней мере, 0,05 с. Произведение квадрата тока I_cw на длительность t его прохождения (I²t) является допустимым для выключателя интегралом Джоуля. В технической документации иногда этот ток называют допустимым сквозным током, подчеркивая тем самым, что речь идет только о протекании такого тока через аппарат, когда сам этот аппарат не производит его отключения.

Обобщим приведенные характеристики и параметры АВ применительно к традиционно сложившейся терминологии в России.

АВ характеризуется следующими параметрами:

Номинальный ток (I_Н) – ток, прохождение которого по токоведущим частям допустимо в течение длительного времени, температура всех частей выключателя не превышает допустимых величин;

Номинальный ток расцепителя (I_НР), (I_n), (I_r) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и по расцепителям допустимо в течение длительного времени и не приводит к отключению выключателя;

Ток срабатывания расцепителя при перегрузке(I_СП), (I_nt) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и расцепителям выключателя приводит к обязательному отключению выключателя за время, не меньшее условного времени t_усл (обычно t_усл = 1 ч),

Ток срабатывания расцепителя при КЗ, ток срабатывания отсечки (I_СО), (I_sd), (I_i) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и расцепителям выключателя приводит к обязательному отключению выключателя за время, возможно минимальное. Это действующее значение тока, при достижении которого выключатель практически мгновенно размыкает свои главные контакты или размыкает с выдержкой времени t_sd , которая принудительно устанавливается на выключателе, чтобы обеспечить согласованную работу нескольких последовательно включенных АВ в схеме электроснабжения;

Номинальное напряжение - напряжение, при котором может применяться АВ данного типа (по условиям диэлектрической прочности изоляции);

Предельный ток отключения (I_cu.) - максимальный ток, который может отключить АВ не разрушаясь;

Собственное время отключения - время от подачи импульса на отключение до момента начала расхождения контактов;

Полное время отключения - это собственное время отключения АВ плюс время гашения дуги.

Если собственное время отключения АВ меньше 0,01 с (половина периода переменного тока частотой 50 Гц), то автомат называется быстродействующим. В этом случае ток в цепи короткого замыкания не успевает достичь максимального установившегося значения, т.е. имеет место эффект токоограничения. Быстродействующие автоматы применяются для защиты элементов системы электроснабжения, для которых недопустима даже кратковременная перегрузка по току (например, АВ типа ВА47 – 36, 38 отключает полупроводниковые преобразователи за время - 0,001с). В данной работе изучаются нормальные выключатели, т.е. такие АВ, собственное время отключения которых (в зависимости от номинального тока и конструкции) лежит в пределах 0,015-0,15 с.

Одним из основных элементов АВ являются расцепители. Расцепитель - это элемент защиты, который воздействует на механизм свободного расцепления, т.е. запускает механизм отключения АВ при отклонении значения контролируемого параметра от установленного. Расцепители бывают следующих видов:

1) расцепители тока (максимальные расцепители):

а) мгновенного действия для защиты от тока КЗ;

б) замедленного действия для защиты от перегрузки;

2) расцепители напряжения:

а) минимального напряжения (минимальный расцепитель) для отключения АВ при снижении напряжения ниже определенного уровня;

б) независимый расцепитель для дистанционного отключения АВ.

Максимальные токовые расцепители задают (формируют) защитную времятоковую характеристику срабатывания АВ. Времятоковая характеристика рис. 4.9 представляет собой зависимость времени срабатывания АВ от тока t = f(I) или кратности тока t = f(I/I_НР) где I_НР (I_n)- номинальный ток расцепителя (ток, прохождение которого в течении неограниченного времени не вызывает срабатывание расцепителя). В целях уменьшения количества типоразмеров АВ, выключатели одного "габарита" могут комплектоваться различными по величине тока максимальными расцепителями. Поэтому номинальный ток выключателя (I_Н) и номинальный ток расцепителя (I_НР) совпадают только в случае применения для АВ максимально возможного расцепителя.

Времятоковая характеристика в общем случае имеет обратно зависимую от тока часть - I, в которой обеспечивается защита от перегрузки (область перегрузки), и независимую от тока часть - II, где обеспечивается защита от КЗ (область КЗ.). Время срабатывания АВ в области КЗ (t_СО) равно собственному времени отключения или времени установленному согласно требования селективности отключения (время уставки – 0,1 ÷ 0,7 с, только у селективных АВ). Селективность - это свойство аппаратов защиты отключать именно поврежденный участок электрической сети. Одной из важнейших характеристик АВ является ток уставки расцепителя - это наименьшее значение тока, при прохождении которого расцепитель срабатывает. Различают ток уставки в области перегрузки (I_СП , обычно I_СП = l,25I_НР ) и ток уставки в области КЗ (I_СО), иногда его называют током отсечки т.к. он как бы отсекает обратно зависимую от тока защитную характеристику АВ. Ток отсечки может быть установлен в процессе эксплуатации у АВ типа А3700, "Электрон", АВМ, ВА (I_СО = 2, 3, 5, 7, 10I_НР) или является нерегулируемым у АВ типа АЕ–20 (I_СО =12I_НР). Цифры, характеризующие отношение I_СП/ I_НР и I_СО /I_НР называются кратностью уставки тока при перегрузке и кратностью тока отсечки.

Рис. 4.9. Времятоковая защитная характеристика автоматического выключателя

Приведенную на рис. 4.9 времятоковую характеристику можно обеспечить различными видами расцепителей:

а) комбинированным расцепителем, т.е. сочетанием теплового и электромагнитного расцепителя у автоматов типа АЕ-20 и А3705(6)Б,Ф; ВА51(52)-39; а также сочетанием полупроводникового и электромагнитного расцепителя у АВ типа А3703(4)Б,С;

б) полупроводниковым (микропроцессорным) расцепителем у АВ типа А3703С4 Б,С, "Электрон", ВА53(55)-41,43;

в) электромагнитным расцепителем в сочетании с реле времени в области перегрузки и механического замедлителя расцепления, в области КЗ у выключателя типа АВМ.

АВ в общем виде сочетают функции рубильника и плавкого предохранителя, но обладают рядом преимуществ:

1) более высокая оперативность (не требуется замена плавких вставок, постоянная готовность к включению);

2) отключение происходит одновременно всех трех фаз (что устраняет опасные неполнофазные режимы, свойственные предохранителям);

3) времятоковые характеристики АВ более стабильны, чем у предохранителей.