Что значит селективность автоматических выключателей

Селективность автоматических выключателей: теория и практика

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.

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.

Источник

Селективность автоматических выключателей

Как известно профессиональным электрикам, используя автоматические выключатели бытового назначения, обеспечить гарантированную селективную защиту при коротких замыканиях невозможно.

Обеспечить, с помощью автоматических выключателей бытового назначения, можно лишь частичную селективность при небольших перегрузках и небольших токах короткого замыкания. Почему так, а не иначе – я расскажу далее в этой статье.

Теория. Что такое селективность?

О полной селективности.

Согласно [1] и ГОСТ IEC 60898-1-2020 [2], определим, что такое полная селективность:

Полная селективность (автоматического выключателя) (total selectivity) — это селективность при сверхтоке двух автоматических выключателей, включенных последовательно, когда защиту от сверхтока осуществляет автоматический выключатель, расположенный ближе к месту перегрузки или короткого замыкания, без срабатывания другого автоматического выключателя, расположенного перед ним со стороны источника питания.

При коротких замыканиях и перегрузках следует стремиться к обеспечению селективного оперирования последовательно включенных автоматических выключателей. Второй автоматический выключатель, расположенный ближе к месту возникновения сверхтока, должен срабатывать раньше – так, чтобы не успевал сработать первый автоматический выключатель, расположенный перед ним ближе к источнику питания. Условия селективного оперирования последовательно включенных автоматических выключателей при сверхтоке можно формализовать посредством терминологии.

В стандартах МЭК 60898‑1 и МЭК 60898‑1:2003 определены следующие термины [1,2]:

Время размыкания представляет собой интервал времени между моментом, когда электрический ток в главной цепи автоматического выключателя достигает уровня срабатывания расцепителя сверхтока, и моментом, когда происходит размыкание дуговых контактов во всех его полюсах.

Время расцепления равно интервалу времени между моментом инициирования времени размыкания и моментом, когда команда на размыкание автоматического выключателя становится необратимой. Момент инициирования времени размыкания представляет собой тот момент времени, когда электрический ток в главной цепи автоматического выключателя достигает значения, при котором срабатывает его расцепитель сверхтока.

Момент времени, когда команда размыкания становится необратимой, представляет собой момент срабатывания расцепителя сверхтока, воздействующего на удерживающее приспособление автоматического выключателя и побуждающего разомкнуться его главные контакты. Поэтому время расцепления фактически является интервалом времени между моментом, когда электрический ток в главной цепи автоматического выключателя достигает уровня срабатывания его расцепителя сверхтока, и моментом, когда срабатывает расцепитель сверхтока.

При отключении многополюсным автоматическим выключателем сверхтока на размыкаемых главных контактах загораются электрические дуги. После загорания электрическая дуга в каждом полюсе затягивается в дугогасительную камеру, где происходит ее интенсивное гашение. Загорание и гашение электрических дуг в полюсах многополюсного автоматического выключателя, как правило, происходит в разные промежутки времени. Время дуги многополюсного автоматического выключателя отсчитывается от момента инициирования первой электрической дуги в одном из полюсов автоматического выключателя до момента гашения последней дуги в каком-то его полюсе.

Время отключения представляет собой интервал времени между началом времени размыкания автоматического выключателя и концом времени дуги. Началом времени размыкания считается момент, когда электрический ток в главной цепи автоматического выключателя достигнет уровня срабатывания его расцепителя сверхтока. Концом времени дуги является момент гашения электрических дуг во всех полюсах автоматического выключателя. Поэтому время отключения однополюсного автоматического выключателя приблизительно равно сумме времени размыкания и времени дуги полюса, а многополюсного автоматического выключателя – сумме времени размыкания и времени дуги многополюсного автоматического выключателя.

Сверхток будет протекать через последовательно включенные автоматические выключатели в течение времени отключения второго автоматического выключателя. При этом он будет инициировать автоматическое оперирование первого автоматического выключателя, расцепитель сверхтока которого может сработать. Главные контакты первого автоматического выключателя начнут размыкаться под воздействием энергии, накопленной в его механизме при замыкании. Поэтому для гарантированного обеспечения селективного оперирования время расцепления первого автоматического выключателя T_t1 должно быть больше времени отключения второго автоматического выключателя T_b2:

Иными словами, полную селективность оперирования автоматических выключателей можно обеспечить в том случае, если время расцепления любого сверхтока первым автоматическим выключателем, размещенным ближе к источнику питания, превышает время отключения этого сверхтока включенным за ним вторым автоматическим выключателем, расположенным ближе к месту короткого замыкания или перегрузки. То есть, как условно показано на рисунке 1, время-токовая характеристика первого автоматического выключателя должна быть расположена «выше» время-токовой характеристики второго автоматического выключателя. Для выполнения этого условия первый автоматический выключатель должен быть категории применения В, а второй – категории применения А или бытового назначения.

Рис. 1. Время-токовые характеристики последовательно включенных автоматических выключателей при полной селективности

На рисунке 1 обозначено:

Автоматические выключатели категории применения А и В выпускают в соответствии с международными требованиями стандарта МЭК 60947‑2, который применяют совместно со стандартом МЭК 60947‑1, и национальными требованиями ГОСТ Р 50030.2-2010 и ГОСТ IEC 60947-1-2017. Стандарт МЭК 60947‑2 и ГОСТ Р 50030.2 классифицируют автоматические выключатели по следующим категориям применения:

Автоматические выключатели категории применения В специально предназначены для обеспечения селективного оперирования при коротких замыканиях с включенными после них автоматическими выключателями категории применения А или автоматическими выключателями бытового назначения. Селективность при коротких замыканиях обеспечивается за счет наличия у автоматических выключателей категории применения В кратковременной задержки времени срабатывания, предпочтительные значения которой установлены в стандарте МЭК 60947‑2 и ГОСТ Р 50030.2-2010 равными 0,05 (минимальное значение); 0,10; 0,25; 0,50 и 1,00 с.

В течение этого промежутка времени автоматические выключатели, установленные после автоматических выключателей категории применения В ближе к месту короткого замыкания, отключают токи коротких замыканий.

Автоматический выключатель категории применения В обеспечивает селективное оперирование вплоть до величины его номинального кратковременно выдерживаемого тока I_cw. Для автоматических выключателей, имеющих номинальный ток I_n до 2500 А включительно, значение номинального кратковременно выдерживаемого тока должно быть не менее следующих значений: или I_cw = 12 In, или I_cw = 5000 А (выбирают бóльшее значение). Для автоматических выключателей, номинальный ток которых превышает 2500 А, минимальное значение номинального кратковременно выдерживаемого тока установлено в стандартах равным 30000 А.

Однако автоматические выключатели, соответствующие требованиям стандарта МЭК 60947‑2 и ГОСТ Р 50030.2-2010, как правило, нельзя применять в местах, доступных обычным лицам, например, в низковольтных распределительных устройствах электроустановок индивидуальных жилых домов и квартир. В таких случаях используют автоматические выключатели бытового назначения, соответствующие требованиям стандартов МЭК 60898‑1 и МЭК 60898‑2, ГОСТ IEC 60898-1-2020 и ГОСТ IEC 60898-2-2011. Однако посредством этих автоматических выключателей можно обеспечить только частичную селективность в области малых сверхтоков, представляющих собой токи перегрузки.

О частичной селективности.

Согласно [1] и ГОСТ IEC 60898-1-2020 [2], определим, что такое частичная селективность:

Частичная селективность (автоматического выключателя) (partial selectivity) — это селективность при сверхтоке двух автоматических выключателей, включенных последовательно, когда защиту от сверхтока до заданного уровня сверхтока осуществляет автоматический выключатель, расположенный ближе к месту перегрузки или короткого замыкания, без срабатывания другого автоматического выключателя, расположенного перед ним со стороны источника питания.

Селективное оперирование последовательно включенных автоматических выключателей бытового назначения при токах перегрузки обеспечить достаточно легко. Для этого автоматический выключатель, размещенный ближе к источнику питания, должен иметь номинальный ток, превышающий номинальный ток расположенного за ним второго автоматического выключателя. Сложнее обеспечить их селективное оперирование при токах короткого замыкания. Бóльший номинальный ток первого автоматического выключателя не является достаточным условием для обеспечения селективного оперирования при коротких замыканиях.

Рассмотрим широко распространенный вариант последовательного включения двух автоматических выключателей бытового назначения, имеющих время-токовые характеристики, условно показанные на рис. 2, которые соответствуют требованиям стандартов МЭК 60898‑1 и МЭК 60898‑2, ГОСТ IEC 60898-1-2020 и ГОСТ IEC 60898‑2-2011.

Рис. 2. Время-токовые характеристики последовательно включенных автоматических выключателей бытового назначения, обеспечивающие частичную селективность

На рисунке 2 показано:

1, 2 – автоматические выключатели соответственно QF1 и QF2.

При возникновении в электрической цепи (после автоматического выключателя QF2) любого тока перегрузки или тока короткого замыкания, меньшего, чем ток мгновенного расцепления 1 I_IT1 автоматического выключателя QF1, автоматические выключатели будут оперировать по-разному. Расцепление автоматического выключателя QF2 в области сверхтоков, ограниченной его током мгновенного расцепления I_IT2, инициирует тепловой расцепитель перегрузки, являющийся составной частью расцепителя сверхтока автоматического выключателя. В области сверхтоков, превышающей ток мгновенного расцепления I_IT2, но меньшей тока мгновенного расцепления I_IT1, расцепление автоматического выключателя QF2 инициирует его электромагнитный расцепитель короткого замыкания. Расцепление автоматического выключателя QF1 в рассматриваемой области сверхтоков инициирует его тепловой расцепитель перегрузки.

Примечание 1. Ток мгновенного расцепления представляет собой минимальный электрический ток, вызывающий автоматическое срабатывание автоматического выключателя без выдержки времени.

Поэтому время расцепления первого автоматического выключателя превышает время отключения второго автоматического выключателя. Более того, в области малых токов перегрузки первый автоматический выключатель не будет срабатывать, поскольку эти токи меньше его условного тока нерасцепления1 равного 1,13 I_n, а в некоторых случаях – меньше его номинального тока. То есть при появлении в электрической цепи любого сверхтока, значение которого меньше тока мгновенного расцепления автоматического выключателя QF1 I_IT1, обеспечено селективное оперирование автоматических выключателей QF1 и QF2.

Если сверхток в электрической цепи превышает ток мгновенного расцепления автоматического выключателя QF1, оба автоматических выключателя оперируют одинаково. Их расцепление инициируют электромагнитные расцепители короткого замыкания, побуждая автоматические выключатели расцепиться за промежуток времени менее 0,1 с. Современные автоматические выключатели при указанных сверхтоках, как правило, срабатывают одновременно, поскольку их фактическое время расцепления обычно не превышает 0,01 с, т. е. при появлении в электрической цепи любого сверхтока, значение которого превышает ток мгновенного расцепления автоматического выключателя QF1, нельзя обеспечить селективное оперирование автоматических выключателей QF1 и QF2.

Следовательно, при последовательном включении автоматических выключателей бытового назначения, можно обеспечить только частичную селективность.

Основываясь на параметрах стандартных время-токовых зон, можно очертить области сверхтоков, в которых автоматические выключатели бытового назначения будут оперировать как селективно, так и не селективно. На рис. 3 условно показаны стандартные время-токовые зоны последовательно включенных автоматических выключателей. Оценку области сверхтоков, в которой автоматические выключатели будут работать селективно, можно осуществить на основе стандартного диапазона токов мгновенного расцепления первого автоматического выключателя.

Минимально возможное значение тока мгновенного расцепления I_{IT1 min} первого автоматического выключателя немного превышает нижнюю границу стандартного диапазона токов мгновенного расцепления I_{SR IT1 min}, равную 3 I_n, 5 I_n или 10 I_n соответственно при типах мгновенного расцепления B, C или D. Максимально допустимое значение тока мгновенного расцепления I_{IT1 max} автоматического выключателя QF1 равно верхней границе стандартного диапазона токов мгновенного расцепления I_{SR IT1 max}, т. е. 5 I_n, 10 I_n и 20 I_n при типах мгновенного расцепления B, C и D. Фактическое значение тока мгновенного расцепления I_IT1 первого автоматического выключателя расположено между указанными границами стандартного диапазона токов мгновенного расцепления:

I_{SR IT1 max} ≥ I_IT1 > I_{SR IT1 min}.

Рис. 3. Стандартные время-токовые зоны последовательно включенных автоматических выключателей бытового назначения

На рисунке 3 показано:

1, 2 – автоматические выключатели соответственно QF1 и QF2.

Область сверхтоков, в которой не может быть обеспечена селективная работа автоматических выключателей, начинается от верхней границы стандартного диапазона токов мгновенного расцепления, установленной для автоматического выключателя QF1. Любой качественный автоматический выключатель под воздействием сверхтока, возникающего в этой области, будет срабатывать за промежуток времени менее 0,1 с (фактически – за 0,01 с и менее), т. е. при любом сверхтоке, равном или превышающем верхнюю границу стандартного диапазона токов мгновенного расцепления первого автоматического выключателя I_{SR IT1 max}, нельзя обеспечить селективное оперирование рассматриваемых автоматических выключателей. Они, как правило, будут срабатывать одновременно.

Область сверхтоков, в которой можно обеспечить селективное оперирование указанных автоматических выключателей, заканчивается на нижней границе стандартного диапазона токов мгновенного расцепления, установленной для автоматического выключателя QF1. В этой области сверхтоков любой автоматический выключатель QF1 будет иметь время расцепления, превышающее время отключения любого автоматического выключателя QF2, т. е. при сверхтоке, который не превышает нижнюю границу стандартного диапазона токов мгновенного расцепления первого автоматического выключателя I_{SR IT1 min}, всегда можно обеспечить селективное оперирование автоматических выключателей.

Если в электрической цепи автоматических выключателей появляется сверхток, превышающий нижнюю границу стандартного диапазона токов мгновенного расцепления автоматического выключателя QF1, но меньший верхней границы его стандартного диапазона токов мгновенного расцепления (I_{SR IT1 max} > I > I_{SR IT1 min} ), автоматические выключатели могут оперировать как селективно, так и не селективно, т. е. указанная область сверхтоков представляет собой ту сверхтоковую область, для которой нельзя дать однозначного ответа о возможности обеспечения селективного оперирования последовательно включенных автоматических выключателей. Фактически они будут оперировать селективно при любом сверхтоке, значение которого меньше тока мгновенного расцепления I_IT1 автоматического выключателя QF1. Однако на стадии проектирования электроустановки здания его значение не известно.

О селективности при сверхтоке.

Согласно [1] и ГОСТ IEC 60898-1-2020 [2], определим, что такое селективность при сверхтоке:

Селективность при сверхтоке (автоматического выключателя) (overcurrent discrimination) — это координация характеристик оперирования нескольких автоматических выключателей, включенных последовательно, таким образом, чтобы при возникновении сверхтоков в пределах установленных границ срабатывал только тот автоматический выключатель, который предназначен для оперирования в пределах этих границ, в то время как другие автоматические выключатели не срабатывают.

При последовательном включении автоматических выключателей следует обеспечить их селективное оперирование при перегрузках, коротких замыканиях, а также при замыканиях на землю. Первым должен срабатывать автоматический выключатель, расположенный ближе к месту перегрузки, короткого замыкания или замыкания на землю, обычно находящемуся в конечной электрической цепи. Вторым должен оперировать автоматический выключатель, расположенный ближе к источнику питания, например установленный на вводе в электроустановку здания, или автоматический выключатель, защищающий какую-то распределительную электрическую цепь.

В противном случае, если первым сработает вводной автоматический выключатель или автоматический выключатель, установленный в распределительной электрической цепи, то вместо одной конечной электрической цепи, в которой произошла перегрузка, короткое замыкание или замыкание на землю, будет отключена вся электроустановка здания или какая-то ее часть, состоящая из нескольких конечных электрических цепей. Аналогичное нежелательное отключение произойдет также в том случае, если оба автоматических выключателя сработают одновременно. Поэтому при проектировании электроустановок зданий вопросам обеспечения селективного оперирования автоматических выключателей следует уделять должное внимание.

В нормативной документации различают полную и частичную селективность. При обеспечении полной селективности последовательно включенные автоматические выключатели селективно оперируют во всем диапазоне сверхтоков. При частичной селективности их селективное оперирование возможно в ограниченном диапазоне сверхтоков, обычно представляющем собой токи перегрузки.

Целесообразно также обеспечить избирательную селективность при замыканиях на землю в электроустановках зданий, соответствующих типам заземления системы TN‑S и TN‑C‑S, между автоматическими выключателями и устройствами дифференциального тока без встроенной защиты от сверхтока. Сверхтоки короткого замыкания на землю должны отключать УДТ. В противном случае, при одновременном срабатывании автоматических выключателей и устройств дифференциального тока, сложно установить причину их оперирования, поскольку УДТ без встроенной защиты от сверхтока могут сработать при токах перегрузки и короткого замыкания, более чем в 6 раз превышающих их номинальные токи.

Реальный пример

Вооружившись терминологией далее можно переходить к простому реальному примеру. Условимся, что у нас есть 2 последовательно подключенных автоматических выключателя. Возьмем для примера, что первый автоматический выключатель QF1, установленный на вводе вводно-распределительного устройства электроустановки индивидуального жилого дома, имеет номинальный ток 50 А и тип мгновенного расцепления C, а второй автоматический выключатель QF2, установленный в вводно-распределительном устройстве и защищающий от сверхтока конечную электрическую цепь штепсельных розеток, имеет номинальный ток 16 А и тип мгновенного расцепления B.

Наша задача обеспечить надлежащую координацию (селективность) между этими 2 последовательно соединенными устройствами защиты от сверхтоков.

Это нужно сделать таким образом, чтобы в случае перегрузки или короткого замыкания, АВ, который находится ближе к месту появления сверхтока (наш автоматический выключатель на 16 А), срабатывал раньше автоматического выключателя, который находится ближе к источнику питания (QF1 на вводе в ВРУ). То есть, QF1 в итоге сработать не должен и электроустановка здания продолжит работу за исключением одной из электрических цепей штепсельных розеток, которую обесточил в результате селективного оперирования QF2. Это то, что мы хотели бы. Теперь читайте далее при каких условиях это возможно.

В п. 5.3.5 ГОСТ IEC 60898-1-2020 для каждого типа мгновенного расцепления уставлены следующие стандартные диапазоны токов мгновенного расцепления (для простоты назовем его I_м.р):

Важно: этот график действителен для случая, когда мы подключаем последовательно автоматический выключатель с типом мгновенного расцепления C (QF1) и автоматический выключатель с типом магнитного расцепления B (QF2). При этом QF1 находится ближе к источнику питания, а QF2 к потенциальному месту возникновения сверхтока. И к тому же выполняется требование по номинальным токам автоматических выключателей: I_n1 > I_n2, где

Таким образом, между QF1 и QF2 можно обеспечить селективное оперирование при сверхтоках до 250 А, так как в этом диапазоне сверхтоков время расцепления QF1 ( T_t1) будет всегда больше времени отключения QF2 (T_b2), то есть T_t1 > T_b2. Другими словами в этом диапазоне сверхтоков QF2 «сработает» первым, а QF1 не сработает вообще, то есть будет обеспечена селективность.

В диапазоне сверхтоков от 251 до 499 селективное срабатывание возможно (тут дать однозначного ответа нельзя!). При сверхтоке от 500 А селективное срабатывание невозможно, так как в таком случае оба QF1 и QF2 сработают почти одновременно (менее чем за 0.1 секунду).

Как итог, используя автоматические выключатели бытового назначения можно обеспечить частичную селективную защиту только при незначительных перегрузках и небольших токах КЗ.

Использованная литература

При подготовке данной статьи я использовал следующие источники:

Источник