Селективность автоматических выключателей: теория и практика

Селективность автоматических выключателей: теория и практика

Проектируя новую электрическую сеть или реконструируя уже существующую, всегда необходимо придерживаться требований, которые создают условия надежной работы. В частности, речь идет о селективности — согласовании рабочих характеристик защитных аппаратов на всех этапах распределения электроэнергии. Это делается для того, чтобы в случае короткого замыкания или перегрузки сработал только тот защитный аппарат, в цепи которого возникла неисправность. При этом остальная часть электроустановки должна не отключаться, а оставаться в работе.

Например, если произошло короткое замыкание в розетке на кухне, то должен сработать групповой автоматический выключатель (на схеме аппарат с защитной характеристикой «В» и номинальным током в 10 А). Таким образом, должна отключиться только поврежденная линия «розетки кухни», а не вводной аппарат, отключая при этом всю квартиру.

Если отключения защитного аппарата по каким-либо причинам не произошло, то возникшую неисправность в розетке контролирует вышестоящий автоматический выключатель квартирного щитка.

Основные определения:

Селективность — согласование характеристик установленных последовательно аппаратов защиты таким образом, чтобы в случае аварии отключалась только та линия питания или часть схемы, где возникла неполадка.

Полная селективность — вид координации работы защитных аппаратов, при котором аппарат со стороны потребителя отключается раньше, чем аппарат со стороны источника питания. Отключение происходит во всем диапазоне возможного тока к.з. в данной сети вплоть до значения максимальной отключающей способности нижестоящего аппарата.

Частичная селективность — вид координации работы защитных аппаратов, при котором аппарат со стороны потребителя осуществляет защиту до значения Is (предельного тока селективности). При этом аппарат со стороны источника питания не должен срабатывать.

Зона перегрузки — диапазон сверхтока, в котором за срабатывание автоматического выключателя отвечает тепловой расцепитель.

Зона короткого замыкания — диапазон сверхтока, в котором за срабатывание автоматического выключателя отвечает электромагнитный расцепитель.

Избирательность срабатывания устройств защиты достигается за счет согласования время-токовых характеристик. Например, для обеспечения селективной работы оборудования при перегрузках достаточно, чтобы номинальный ток защитного аппарата со стороны питания минимум на 1 ступень был выше номинального тока автоматического выключателя со стороны нагрузки.

Методы обеспечения селективности

В зоне перегрузки обычно реализуется время-токовый тип селективности. В зоне КЗ могут использоваться другие методы обеспечения селективности, о которых мы поговорим далее.

Временная селективность

Этот вид селективности обеспечивается благодаря разному времени срабатывания аппаратов защиты.

Время срабатывания ближайшего к защитному оборудованию аппарата защиты №1 настраивается на значение 0,02 с. На следующем этапе защиты отключение неисправности в цепи обеспечивается настройкой времени срабатывания аппарата 0,5 с. На последнем этапе выбирается время срабатывания выключателя — 1 секунда. Защита № 3 будет резервировать 2 нижестоящие защиты №1 и №2.

Токовая селективность

У всех защит №1, №2 и №3 выдержка по времени срабатывания минимальна: 0,02 с, однако значения срабатывания по току (уставки) отличаются: 200, 300 и 400 А соответственно. При возникновении в защищаемой сети короткого замыкания ток будет резко возрастать и вызывать срабатывание защит. Если защита №1 не сработает, то ее будет резервировать следующая защита №2.

Время-токовая селективность

Еще одним способом настройки защиты электроустановок до 1 кВ является согласование время-токовых характеристик применяемых автоматических выключателей.

Так, например, можно добиться избирательности срабатывания защиты, подобрав время-токовую характеристику выключателя В таким образом, чтобы она располагалась на определенном расстоянии ниже характеристики выключателя А. Эта зона определяется опытно-расчетным путем с учетом погрешностей срабатывания защит расцепителей. С учетом этой зоны строятся таблицы селективности.

Сегодня производители предоставляют своим клиентам уже готовые таблицы селективности, при помощи которых можно с уверенностью выбирать гарантированно селективные связки автоматических выключателей.

Выбирая аппараты защиты с учетом требований селективности защиты, вы повышаете не только надежность электроустановки, но и упрощаете работу по поиску поврежденного участка. Создать селективную защиту, применяя аппараты разных производителей, проблематично, поэтому следует устанавливать защитные аппараты одного производителя, дополнительно пользуясь специальными таблицами селективности.

Устройство и селективность автоматических выключателей

Автоматический выключатель (АВ, автомат) — устройство, отключающее участок электрической цепи при возникновении в ней проблем (короткого замыкания, перегрузки и так далее). Автомат реагирует на превышение величины тока выше допустимого параметра, разрывает участок и защищает электрооборудование от повреждения и возможного возгорания. Вообще, защита от повышенных токов — основа почти всех электрических цепей , возникшая еще на этапе становления электричества и применяемая до сих пор .

Любое устройство, реагирующее на повышенные токи и работающее по принципу МТЗ, выполняет несколько функций:

1. Быстрый разрыв поврежденной цепи для защиты от распространения повреждения.
2. Селективная работа и надежность. Здесь подразумевается определение завышенного тока и его б езошибочное отключение автоматом , ближе всего находящимся к месту повреждения.

Виды перегрузок автоматических выключателей

• Ток перегрузки — возникает при одновременном включении большой нагрузки или при выходе из строя одно го из подключенных устройств.
• Ток КЗ — процесс, который имеет место при непосредственном касании фазы и нуля, без наличия какой-либо нагрузки.

Особенности перегрузок

• Ток перегруза — параметр, который незначительно отличается от номинального тока . Он может иметь кратковременный характер, поэтому в мгновенном отключении нет нужды — процесс происходит с задержкой . Д ля каждой цепи может устанавливаться свой допустимый параметр перегрузки (иногда их несколько).
• Ток КЗ — параметр, который в десятки, а то и в сотни раз превышает номинальный ток . Как следствие, расцепитель автомата быстро диагностирует КЗ и производит отключение. Важный момент — время отключение, которое должно быть минимальным (как правило, оно исчисляются долями секунд). Чем быстрей отключится поврежденный участок, тем ниже риски повреждения про водов и электроприемников .

Как устроен автомат ?

В теории для каждого их токов может быть вычислено индивидуальное время отключения, имеющее разную величину (от 1-2 секунд до 10-15 минут и более ). С другой стороны, ложная работа должна быть исключена. Если протекающий в цепи ток не несет риска для проводников и электроприборов, то в его отключении нет необходимости.

Это значит, что при установке тока перегрузки должна быть учтена реальная нагрузка защищаемой цепи. Не менее важный момент — проверка защиты перед подключением на факт точного определения тока и времени срабатывания.

Автоматические выключатели имею т три типа расцепителей :

1. Механический — подразумевает ручное отключение и включение устройства.
2. Электромагнитный — расцепитель , позволяющий быстро отключать токи КЗ.
3. Тепловой — наиболее сложное устройство, обеспечив ающее защиту от тока перегруза.

При выборе АВ уделяется внимание двум пок азателям — параметрам соленоида и теплового расцепителя . Определяются они по буквенному обозначению, нанесенному на автомате . Маркировка выполнена в виде латинской буквы, прописанной перед цифрой, отражающей номинал ьный ток устройства.

Маркировка автоматического выключателя

По упомянутой выше цифре можно определить:

1. Параметры соленоида, встроенного в АВ, то есть на какие токи будет реагировать устройство.
2. Параметры теплового элемента — биметаллической пластины, которая нагревается при достижении определенного тока, изгибается и разрывает цепочку. Данная з ащита гарантирует своевременное отключение в случае перегруза. Регулировка тока отключения возможна путем поджатия (ослабления) пластинки.

Ниже рассмотрим характеристики каждого из типов автоматов с позиции основных параметров — назначения, а также зависимости нагрузочного тока и времени отключения цепи при конкретном токе.

Сегодня популярны автоматические выключатели со следующими характеристиками:

• MA — автомат без теплового расцепителя . Такое устройство будет полезно для защиты от токов КЗ, но при обычной перегрузке (незначительном превышении тока выше номинального значения) отключения не произойдет. К примеру, для защиты электродвигателей больше подойдет МТЗ на базе специальных реле;
• A — автомат с тепловым расцепителем и соленоидом . Наименьший ток, при котором устройство сработает — 1.3 I н ом . Время срабатывания при протекании так ого тока — около 60 минут. При достижении параметра, равного 2 I н ом и более в работу вступает электромагнитный р асцепитель , отсекающий поврежденный участок за 0.05 секунд. Если по какой-то из причин отсечка не работает, отключение все равно произойдет, но уже действием теплового элемента . Срабатывание в таком случае происходит с большей выдержкой — 20-30 секунд. При 3-х кратном токе нагрузки отсечка гарантированно сработает за сотые доли секунды;

Автоматы A подходят для участков, где кратковременный перегруз в нормальном режиме работы исключен . В качестве примера можно привести схемы с полупроводниковыми элементами , которые бояться даже незначительного превышения тока;

• B — характеристика, которая схожа с рассмотренной выше характеристикой A . Отличие заключается лишь в токе отключения отсечки (электромагнитного расцепителя ). Здесь ток срабатывания не 2 I н ом , а от 3 I н ом и более. Время отключения — 0.015 секунд. Время работы теплового элемента при 3-кратной перегрузке — 4-5 секунд. Гарантия отключения автомата — при токе 5 I н ( для переменного тока) и при токе 7 .5 I н ом (для постоянного тока).

Сфера применения автоматов с характеристикой B — цепи освещения, а также сети, где перегрузки имеют кратковременн ый характер или же их нет совсем.

• C — характеристика автомата, которая пользуется наибольшим спросом в среде электриков. Главное преимущество таких автоматических выключателей — лучшая перегрузочная способность (если сравнивать с характеристиками A и B ). Из основных параметров стоит выделить — минимальный ток, при котором срабатывает соленоид — 5 I н ом . При таком же токе время срабатывания теплового элемента составляет 1.5 секунды. Гарантированно отсечка работает при следующих параметрах — 10 I н ом для переменного и 15 I н ом для постоянного тока

Автоматы C — лучший вариант для цепей, имеющих смешанный тип потребителей , и без больших пусковых токов. Вот почему автоматические выключатели с характеристикой C все чаще применяются в быту ;

• D — характеристика , отличающаяся широкими воз можностями в плане перегруза . Минимальный предел тока, при котором срабатывает отсечка (ЭМ соленоид) — 10 I н. При этом же показателе тока расцепитель сработает за 0.4 секунды. Устройство с характеристикой D гарантированно сработает при токе 20 I ном. Данный тип автоматов чаще всего монтируется для защиты электрических двигателей, в момент пуска которых имеют место большие токи;
• K — характеристика автомата, особенная широким диапазоном между предельными токами срабатывания отсечки в цеп ях различных токов (переменного и постоянного) . Соленоид АВ с характеристикой K может отключить ток равный 8 I ном, а гарантированные токи отключения составляют 12 I ном — переменного и 18 I ном — для постоянного тока . Работает отсечка через 0.02 секунд ы . Тепловой элемент отличается высокой чувствительностью и может среагировать на ток, превышающий номинальный показатель на 5%. Благодаря своим характеристикам, автоматы K часто применяются в цепях с потребителями, имеющим и индуктивный характер нагрузки;
• Z — характеристика автомата, также подразумевающая различия между токами срабатывания отсечки в цепях постоянного и переменного тока. Соленоид срабатывает при токе 2 I ном. Гарантированный ток, при котором будет работать соленоид — 3 I ном — для переменного и от 4.5 I ном — для постоянного тока . Тепловой элемент обладает высокой чувствительностью и срабатывает уже в случае превышения номинального тока на 5%. Используются автоматы с классификацией Z только для питания цепей с электронными устройствами.

Что такое селективность защиты

Селективность — это свойства автоматической защиты работать поочередно. Представьте длинную линию электропередач, в случае аварийной ситуации, короткого замыкания например, первым должен сработать самый близкий к месту аварии аппарат защиты. На примере квартиры это выглядит следующим образом. Вы засунули два гвоздя в розетку и сверху накинули третий — происходит К.З. Первым должен сработать автомат в щитке защищающий именно эту линию с розеткой, далее общий автомат на ваш щиток, а уж потом большой вводной автомат или вставки на ВРУ дома.

Использование характеристики «В» в бытовом электромонтаже

Некоторые электрики, для обеспечения селективности, рекомендуют ставить автоматы с характеристикой «В». Их ход мысли следующий, если поместить на одну линию два автомата с разными характеристиками «С» и «В», но одинакого номинала, например 16А, то по логике вещей первый должен отключиться автомат «B». На практике это не совсем так.

Для начала сравним цены на автоматы с разными характеристиками:

• Выключатель автоматический однополюсный 16А C ВА47-29 4.5кА 103 рубля
• Выключатель автоматический однополюсный 16А В ВА47-29 4.5кА 108 рублей

разница в стоимости не сильно заметна, возьмем что то поприличнее:

• Выключатель автоматический однополюсный 16А С S201 6кА (S201 C16) 314 рублей
• Выключатель автоматический однополюсный 16А В S201 6кА (S201 B16) 373 рублей

разница уже существеннее и чем дороже модульное оборудование, тем заметнее становится разница. Это связано с количеством выпускаемой продукции. Посмотрите выше по тексту, я приводил типичное использование для характеристики «С» — смешанная бытовая нагрузка. Именно поэтому автоматов «С» производиться в разы больше чем остальных характеристик, что и влияет на конечную цену.

Вернемся к практическому смыслу монтажа автоматов «В» для обеспечения селективности. Графики рабочих режимов отлично показывает картинка с сайта http://ekfgroup.com (за что им большое спасибо)

В верхней части графики фактически превращаются в точку (ну по идеи должны превращаться, тут немного не корректно показано). Это зона работы тепловой защиты, жесткость биметаллической пластины настраивается винтиком внутри автомата, сами понимаете обеспечить ей селективность в столь узком диапазоне значений просто винтом очень трудно.

В нижней части графика показана работа автомата от сверх токов, все верно, гарантированное отключение автомата 500% для «В» и 1000% для «С» от номинального переменного значения тока. Запомним что значения 1000% и 500% это гарантированные цифры отключения. Однако, если обратить внимание, между автоматами есть зона где характеристики соприкасаются и может оказаться так, что попадутся два автомата у которых эти характеристики очень схожи. Какой из автоматов тогда отключится первым — большой вопрос.

Я уже упоминал что наиболее корректная работа автоматов достигается за счет проверки (прогруза, испытания) их на соответствие характеристикам — точного определения тока и времени срабатывания. Поэтому если вы не производите испытание модульной аппаратуры до монтажа, все попытки обеспечить селективность только за счет буковки на этикетке просто смешны.

Предлагаю в бытовых условиях, без испытаний, не включать в схемы модульную аппаратуру отличную от характеристики «С», это только сэкономит деньги клиентов.

Селективны ли модульные автоматические выключатели Legrand?

Типовая схема электроснабжения квартиры или загородного дома обычно включает в себя несколько уровней защиты от сверхтоков. Прежде всего, это вводной автоматический выключатель, установленный перед счетчиком электроэнергии, автоматический выключатель на вводе в квартирный щиток и наконец, автоматические выключатели защищающие цепи освещения розеток и т.д.

Иногда возникает ситуация, когда при случайном коротком замыкании, например на одной из розеток отключается и автоматический выключатель, защищающий эту цепь, и автоматический выключатель, расположенный выше по схеме. Если это вводной аппарат, то обесточивается вся квартира или дом. Особенно неприятно такое событие в загородном доме, т.к. вводной аппарат находится в щите, на опоре, расположенной за границей участка.

Селективность устройств защиты – способность системы при повреждениях или возникновении аварийной ситуации на любом её участке, отключать его одним устройством, которое расположено ближе всего к месту повреждения (аварии). Вышестоящие устройства при этом не срабатывают.

Для обеспечения селективности между двумя автоматическими выключателями, аппарат со стороны нагрузки должен всегда иметь

меньший номинальный ток и уставку срабатывания магнитного расцепителя, чем аппарат защиты со стороны питания.

Селективность является полной, если обеспечивается до уровня отключающей способности нижестоящего автоматического выключателя. Стандартные модульные автоматические выключатели обладают частичной селективностью.

В приведённых ниже таблицах указаны предельные значения токов короткого замыкания, при которых срабатывает только нижестоящий автоматический выключатель. При превышении этих значений тока короткого замыкания, может также отключиться аппарат со стороны питания.

T = полная селективность.

Для примера рассмотрим вариант с вводным модульным автоматическим выключателем на 40А тип «С» и модульным автоматическим выключателем на 16А тип «С» в розеточной линии. На пересечении столбца и строки цифра 300 указывает, что система селективна только при токах короткого замыкания менее 300А. Величина тока короткого замыкания зависит от мощности источника энергии (трансформаторной подстанции), длины кабеля и его сечения. Чем мощнее источник, короче линия и чем больше сечение кабеля, тем ток короткого замыкания выше. Среднее значение токов короткого замыкания в квартирных сетях примерно 400-500А, т.е. для рассмотренной выше комбинации аппаратов селективности не будет, и при коротком замыкании сработают оба аппарата.

Частично улучшить селективность можно изменив тип характеристики вводного аппарата. Так, для комбинации: вводной аппарат 40А тип «D» и аппарат в розеточной линии 16А тип «С» предел селективности уже будет 480А. Возможно в некоторой ситуации (квартира на верхних этажах, удаленная подстанция) этого будет достаточно для селективной работы. Для загородных домов ситуация сложнее, обычно для индивидуальных застройщиков выделяют мощность 15 кВт, этому значению соответствует трехфазный вводной автоматический выключатель на 25А. Очевидно, что при таком номинале предел селективности с групповыми аппаратами в доме будет совсем низким (187 или 300А) и ни о какой селективной работе не может быть и речи. Кардинально решить проблему селективности, предварительно согласовав в энергоснабжающей организации, можно используя в качестве вводного аппарата устанавливаемого перед счетчиком автоматического выключателя в литом корпусе. В нижней части таблице определяем, что для вводного аппарата на 25А и группового аппарата на 16А передел селективности составляет 4000А. Такого значения тока короткого замыкания в домашних цепях достичь невозможно, следовательно, такая комбинация практически на 100% селективна. Это объясняется тем, что автоматический выключатель в литом корпусе в силу особенностей конструкции оказывается менее быстродействующим при коротком замыкании, чем малогабаритный модульный аппарат. Для опломбирования клемм аппарата в литом корпусе, предусмотрены специальные крышки.

Что такое селективность защиты?

В первую очередь, понятие «селективность» включает в себя защитный механизм и отлаженную работу неких приборов, состоящих из отдельных элементов, последовательно подключенных между собой. Зачастую такими приборами служат различные виды автоматов, предохранителей, УЗО и т.д. Результатом их работы является предупреждение «сгорания» электромеханизмов в случае возникновения угроз. Схема селективной работы автоматических выключателей и УЗО в щитке предоставлена ниже:

Преимуществом данной системы является ее свойство отключать лишь необходимые участки, при этом вся остальная система остается в рабочем состоянии. Единственным условием при этом остается согласованность защитных устройств между собой.

Основные функции

Итак, основными функциями селективной защиты являются:

• обеспечение безопасности электроприборов и сотрудников;
• мгновенное определение и отключение зоны питания, в которой произошла поломка, без других отключений, которые прекратят подачу электроэнергии в местах стабильной работы техники;
• снижение влияния негативных последствий на остальные части электромеханизмов;
• уменьшение нагрузки на составные установки и предотвращение поломок в неисправной зоне;
• обеспечение максимально возможного непрерывного электроснабжения высокого качества;
• обеспечение беспрерывности рабочего процесса;
• обеспечение квалифицированной поддержки в том случае, если сама защита, отвечающая за размыкание, придет в неисправность;
• поддержка оптимального функционирования установки;
• обеспечение простоты в эксплуатации и экономической эффективности.

Виды селективной защиты

Селективность защитной аппаратуры разделяется на следующие виды:

1. Полная. Задействовано два аппарата с последовательным подключением, при воздействии сверхтоков срабатывает защита только одного, который находится ближе к зоне неисправности.
2. Частичная. Подобна полной, но защита действует только до определенного показателя сверхтока.
3. Временная. В цепь включается несколько автоматов с одинаковыми токовыми характеристиками, но разной выдержкой по времени. В результате от самого ближнего к неисправности, до самого отдаленного автоматического выключателя, аппараты друг друга страхуют (например, самый ближний сработает через 0,02 с, следующий через 0,5 с, ну и последний через 1 с, если остальные 2 не сработают).
4. Токовая. Если говорить грубо, то принцип действия токовой селективности защит аналогичен временной, но только выдержка происходит не по времени, а по величине тока. К примеру, автоматические выключатели устанавливаются на вводе 25А, далее 16А, а потом 10А. При этом время отключения у них может быть одинаковое.
5. Времятоковая. Кроме реакции механизмов защиты на ток, также определяется время этой реакции.
6. Зонная. При выявлении нарушения порога тока срабатывание установки позволяет точно определить неисправную зону и отключить подачу электричества только в ней.
7. Энергетическая. Все процессы по предотвращению поломки происходят в литом корпусе автоматического выключателя. Отключение происходит за такой малый срок, что отметка максимального значения тока не достигает своего результата.

Также селективность защиты может быть абсолютной и относительной. В первом случае отключается только поврежденный участок цепи. По такому принципу работают предохранители, установленные в электроприборах. Относительная селективность защищает не только «свой участок», но и соседний, если в нем не отработала абсолютная селективная защита.

Карта селективности

Обязательно необходимо упомянуть о карте селективности, которая будет вам необходима «как воздух» для максимальной токовой защиты. Сама карта представляет собой определенную схему, построенную в осях, где отображаются все совокупности времятоковых характеристик установленных аппаратов. Пример предоставлен ниже:

Мы уже говорили, что все защитные аппараты должны быть подключены по-очереди друг за другом. И на карте отображают характеристики именно этих приборов. Главными правилами при чертежах карт являются: установки защит должны исходить от одного напряжения; масштаб необходимо выбирать с расчетом того, что будет видны все граничные точки; необходимо указать не только защитные свойства, но и максимальные и минимальные показатели коротких замыканий в расчетных точках схемы.

Стоит отметить, что в сегодняшней практике крепко закрепилось отсутствие карт селективности в проектах, особенно при небольших напряжениях. И это нарушение всех норм проектирования, которое в итоге и является результатом отключения электричества у потребителей.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Теперь вы знаете, что такое селективность защиты электрической сети и для чего она нужна. Если есть вопросы, можете задавать их на нашем форуме для электриков.