Выбор защитной и коммутационной аппаратуры. Расчет номинального тока.
- 1. Основные понятия и характеристики
- 2. Электротехнические расчеты
- 3. Рекомендации по выполнению электрического освещения
- 4. Выбор защитной и коммутационной аппаратуры
- 5. Выбор проводов и кабелей для электропроводок
- 6. Учет электроэнергии
- 8. Надежность электроснабжения и качество электроэнергии
- 9. Электробезопасность в квартирах, коттеджах и на приусадебных участках. Заземление и молниезащита
4.1. Общие принципы выбора защитной аппаратуры
Любая электроустановка должна быть защищена устройствами автоматического отключения в случае появления сверхтоков или недопустимых токов утечки. Под сверхтоком понимается любой ток, превышающий номинальный. В основном сверхтоки появляются вследствие перегрузки или короткого замыкания.
Устройства защиты должны выбираться с учетом параметров электроустановки, ожидаемых токов короткого замыкания, характеристик нагрузки, условий прокладки и тепловых характеристик проводников.
В соответствии с ПУЭ для электроустановок напряжением до 1 кВ и с системой заземления TN, характеризующейся глухозаземленной нейтралью источника питания и присоединением открытых токопроводящих частей к глухозаземленной нейтрали источника посредством нулевых защитных проводников, принятой для жилых зданий, в целях обеспечения электробезопасности время автоматического отключения не должно превышать значений, указанных ниже:
Номинальное фазное напряжение, В | Время отключения, с |
127 | 0,8 |
220 | 0,4 |
380 | 0,2 |
Более 380 | 0,1 |
В качестве защитной аппаратуры автоматического отключения применяются плавкие предохранители и автоматические выключатели.
Плавкий предохранитель - это коммутационный аппарат, который вследствие расплавления одного или более специально спроектированных и калиброванных элементов размыкает цепь, в которую он включен, и отключает ток, когда он превышает заданную величину в течение достаточного времени.
Автоматический выключатель - это механический коммутационный аппарат, способный включать, пропускать и отключать токи при нормальном состоянии цепи, а также включать, выдерживать в течение заданного времени и автоматически отключать токи в аномальном состоянии цепи, такие как токи короткого замыкания.
Учитывая, что электроустановки жилища повышенной комфортности и коттеджей в последние годы оснащаются в основном автоматическими выключателями, ниже рассматривается только этот вид защитной аппаратуры.
В основу выбора защитной аппаратуры в зависимости от величины токов КЗ положено, что кривая время-токовой характеристики, соответствующая допустимой тепловой нагрузке защищаемой электросети, должна лежать выше зоны время-токовой характеристики устройства защиты для всех возможных токов КЗ между минимальным и максимальным значениями.
Под время-токовой характеристикой подразумевается кривая, отражающая взаимосвязь времени и ожидаемого тока в определенных условиях эксплуатации. Указанный принцип проиллюстрирован на рис. 4.1.
Для установленного времени срабатывания защиты кривая допустимых значений I2t (интеграл Джоуля) защищаемого проводника должна лежать выше кривой I2t защитного устройства, так как кривая характеристики I2t устройства защиты характеризует максимальные рабочие значения I2t как функцию ожидаемого тока КЗ. Значения I2t аппаратов защиты приводятся в технических данных предприятиями-изготовителями.
Время отключения полного тока КЗ в любой точке цепи не должно превышать времени, в течение которого температура проводников достигает допустимого предела. Это время для защищаемого проводника может быть приблизительно вычислено по формуле
где t - продолжительность, с;
S - сечение проводника, мм2;
I - действующее значение тока КЗ, А;
K = 115 или 135 - для медных проводников (115 - с поливинилхлоридной изоляцией, 135 -с резиновой изоляцией и с изоляцией из сшитого полиэтилена);
К = 74 и 87 - для алюминиевых проводников (74 - с поливинилхлоридной изоляцией, 87 - с резиновой изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена).
K = 115 - для соединений пайкой медных проводников.
Предельно допустимые значения температуры нагрева проводников приводятся в ПУЭ.
Автоматическая защита от перегрузки предназначена для отключения электросети при протекании по проводникам тока перегрузки раньше, чем такой ток мог бы вызвать повышение температуры проводников, опасное для изоляции, соединений, зажимов или среды, окружающей проводники.
Рис. 4.1. Характеристики автоматического выключателя и защищаемого проводника
С - кривая характеристики допустимого Ft;
D - I2t характеристика автоматического выключателя;
КЗ - максимальный ток КЗ, при котором обеспечивается защита автоматическим выключателем.
Рабочая характеристика любого защитного устройства, защищающего кабель от перегрузки, должна отвечать условиям:
где Ip - рабочий ток цепи; Iд - допустимый длительный ток кабеля; Iн - номинальный ток устройства защиты (устройства защиты с регулируемыми характеристиками номинальным током Iн является ток выбранной уставки); Iз - ток, обеспечивающий надежное срабатывание устройства защиты.
Практически Iз принимают равным:
- току срабатывания при заданном времени срабатывания для автоматических выключателей;
- току плавления плавкой вставки при заданном времени срабатывания для предохранителей.
Для выполнения защитных функций автоматические выключатели оснащаются различными расцепителями.
В общем виде расцепитель - это устройство, механически связанное с автоматическим выключателем (или встроенное в него), которое освобождает удерживающее устройство в механизме автоматического выключателя и вызывает автоматическое срабатывание выключателя.
В автоматических выключателях бытового назначения применяются: максимальный расцепитель тока, максимальный расцепитель с обратнозависимой выдержкой времени, максимальный расцепитель тока прямого действия и расцепитель перегрузки.
Максимальный расцепитель тока - расцепитель, вызывающий срабатывание автоматического выключателя с выдержкой времени или без нее, когда ток в этом расцепителе превышает заданное значение.
Максимальный расцепитель тока с обратнозависимой выдержкой времени - максимальный расцепитель тока, срабатывающий после выдержки времени, находящейся в обратной зависимости от значения сверхтока.
Максимальный расцепитель тока прямого действия - максимальный расцепитель тока, срабатывающий непосредственно от протекающего тока в главной цепи автоматического выключателя.
Расцепитель перегрузки - максимальный расцепитель тока, предназначенный для защиты от перегрузок.
В соответствии с СП31-110-2003 во внутренних сетях жилых зданий, как правило, следует применять автоматические выключатели с комбинированными расцепителями.
Номинальные токи комбинированных расцепителей автоматических выключателей для защиты групповых линий и вводов квартир, включая линии к электроплитам, должны выбираться в соответствии с расчетными нагрузками.
Уставки аппаратов защиты для взаиморезервируемых линий должны выбираться с учетом их послеаварийной нагрузки.
Автоматические выключатели характеризуются также включающей и отключающей способностью, предельной наибольшей отключающей способностью, рабочей наибольшей отключающей способностью и током отключения.
Так как наибольшие значения сверхтоков определяются токами короткого замыкания защищаемой цепи, при выборе выключателей в процессе проектирования необходимо учитывать указанные параметры.
В случаях последовательного соединения двух автоматических выключателей возникает проблема селективности их срабатывания, которая заключается в обеспечении отключения защищаемой цепи выключателем со стороны нагрузки до того, как отключение начнет второй выключатель со стороны питания.
Селективность характеризуется предельным током. Предельный ток селективности - это предельное значение тока:
- ниже которого при наличии двух последовательно соединенных аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки успевает завершить процесс отключения до того, как его начнет второй аппарат (т.е. обеспечивается селективность);
- выше которого при наличии двух последовательно соединенных аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки может не успеть завершить процесс отключения до того, как его начнет второй аппарат (т.е. селективность не обеспечивается).
Величина предельного тока селективности определяется координатой точки пересечения времятоковой характеристики в зоне наибольшей отключающей способности защитного аппарата на стороне нагрузки и время-токовой характеристикой расцепителя другого аппарата.
В бытовых электроустановках в целях защиты от сверхтоков используются, как правило, автоматические выключатели, выпускаемые по ГОСТ Р 50345-99, который аутентичен международному стандарту МЭК 60898-95.
В табл. 4.1 приведены предпочтительные значения номинального напряжения автоматических выключателей, выпускаемых в соответствии с указанным ГОСТом.
Таблица 4.1 Предпочтительные значения номинального напряжения
Выключатели | Цепь питания выключателя | Номинальное напряжение, В |
Однополюсные | Однофазная (фаза с нейтралью) | 230 |
Однофазная (фаза с нулевым заземленным проводом или фаза с нейтралью) | 120 | |
Однофазная (фаза с нейтралью) или трехфазная (три однополюсных автоматических выключателя) (трех- или четырехпроводная) | 230/400 | |
Двухполюсные | Однофазная (фаза с нейтралью) | 230 |
Однофазная (фаза с фазой) | 400 | |
Однофазная (фаза с фазой, трехпроводная) | 120/240 | |
Трехполюсные | Трехфазная (трех- или четырехпроводная) | 240 |
Четырехполюсные | 400 |
К предпочтительным значениям номинального тока, установленного ГОСТом, относятся: 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 и 125 А.
Стандартные значения номинальной частоты 50 и 60 Гц.
Стандартные значения номинальной отключающей способности: 1500, 3000, 4500, 6000, 10 000 А. Стандарт определяет три типа характеристик мгновенного расцепления: В, С и D. Ниже приведены диапазоны мгновенного расцепления выключателя в зависимости от кратности сверхтока по отношению к номинальному Iн:
Тип защитной характеристики | Диапазон |
В | Свыше 3 Iн до 5 Iн включительно |
С | Свыше 5 Iн до 10 Iн включительно |
D | Свыше 10 Iн до 14 Iн включительно |
В электроустановках жилых зданий в основном используются автоматические выключатели с характеристиками типов В и С. Расцепление типа В рационально применять для защиты розеточных линий, типа С - для линий, питающих светильники, теплые полы и стены, сауны и т.п. При выборе автоматического выключателя необходимо учитывать предполагаемую температуру окружающей среды в месте его установки.
В каталогах приводится номинальный ток выключателя для температуры окружающей среды 30 0С. Повышение температуры сверх 30 0С приводит к преждевременному срабатыванию теплового расцепителя, так как его температура достигает уровня срабатывания при меньших значениях тока. Поэтому при установке автоматических выключателей в местах, где температура окружающей среды превышает номинальную, равную 30 0С, номинальное значение тока выключателя уменьшается:
где Iн - допустимый ток при температуре окружающей среды 1°С, отличной от номинальной tо.с.н = 30 C;
Iн.а - номинальный ток автоматического выключателя при номинальной (расчетной) температуре окружающей среды;
Oн - превышение температуры срабатывания теплового расцепителя над номинальной расчетной температурой окружающей среды tосн = 30 оС, Оt = tср - tо.с.н;
- температурный коэффициент, учитывающий уменьшение (увеличение) допустимого тока автоматического выключателя в зависимости от температуры окружающей среды в месте его установки.
Здесь Ot- превышение температуры срабатывания tcp теплового расцепителя над температурой окружающей среды, Оt = tср - tо.с;
Для выключателей бытового назначения ориентировочные значения величины Kt в зависимости от температуры окружающей среды в месте установки приведены ниже:
toc....20 30 35 40 45 50 55 60
Kt ....1,05 1 0,97 0,95 0,92 0,89 0,87 0,84
Кроме того, для модульных автоматических выключателей бытового назначения устанавливаемых в шкафах рядом друг с другом на рейках, следует использовать величину 0,8Kt.
Выбор автоматических выключателей в тех случаях, когда температура окружающей среды больше или меньше стандартной контрольной, при которой определялись его номинальные данные, производится с использованием температурного коэффициента Kt по формуле
где Iн.р - номинальный ток расцепителя.
Пример:
Дано:
1. Максимальный расчетный ток нагрузки Iрас.mах = 20 А.
2. Температура окружающей среды в месте установки toc = +55 0С при этом Iрас.mах=Iнt Номинальный ток автоматического выключателя при нормальных условиях должен быть:
По приведенным выше данным Kt для 55 0С равен 0,87.
Отсюда
Принимаем автоматический выключатель с номинальным током 25 А.
Если выключатель установлен в ряд с другими автоматами, в металлическом шкафу, то его номинальный ток определяется по формуле
Принимаем к установке автоматический выключатель с номинальным током Iн.а = 32 А.
4.2. Принципы выбора коммутационной аппаратуры
К коммутационным аппаратам относится достаточно широкий спектр электрооборудования, с помощью которого осуществляется включение-отключение как основных токовых цепей, так и цепей управления.
Для коммутации основных токовых цепей наряду с рассмотренными выше автоматическими выключателями используются рубильники, переключатели, контакторы, магнитные пускатели и т.п.
Для коммутации цепей управления используются различные реле, как мгновенного действия, так и реле с выдержкой времени на замыкание и размыкание контактов, кнопки и ключи (переключатели) управления и пр.
Аппаратура для коммутации цепи управления может содержать аппарат для цепи управления и связанные с ним устройства, например световые индикаторы.
Аппарат для цепей управления может содержать один или несколько коммутационных элементов и механизм передачи усилия переключения. Коммутационный элемент может быть контактным или полупроводниковым.
Выбор при проектировании аппаратов из рассматриваемой группы определяется следующими основными параметрами:
- номинальным напряжением и потребляемым током катушек;
- коммутационной способностью контактов или выходных полупроводниковых цепей
(номинальное напряжение, номинальный ток коммутируемый цепи);
- для реле с выдержкой времени - диапазоном выдержки времени.
Не менее важными факторами являются способ установки аппарата (под винт, на DIN-рейку) и присоединение проводов (переднее, заднее).