Особенности конструкции модульных автоматических выключателей, определяющие отключающую способность (2010)

«Вы достаточно подробно рассказывали о предельной отключающей способности аппаратов защиты от сверхтоков на напряжение до 1000 В; были показаны способы измерения этой величины и какими требованиями они регламентированы. Хотелось бы узнать, какими конструктивными особенностями модульных аппаратов определяется величина предельной отключающей способности, а также какие процессы происходят при протекании сверхтоков?»

Руслан ТРЯПКИН, Казань

Давайте для начала вспомним, что определяет термин «предельная отключающая способность». ГОСТ Р 50345-99 (МЭК 60898-95) гласит:

3.5.5 Наибольшая включающая и отключающая способность: переменная составляющая ожидаемого тока, выраженная его действующим значением, которую выключатель может включать, проводить в течение времени отключения и отключать при указанных условиях.

3.5.5.1 Предельная наибольшая отключающая способность: отключающая способность, для которой предписанные условия соответственно указанному циклу испытаний не предусматривают способности выключателя проводить в течение условного времени ток, равный 0,85 его тока нерасцепления.

3.5.5.2 Рабочая наибольшая отключающая способность: отключающая способность, для которой предписанные условия соответственно указанному циклу испытаний предусматривают способность выключателя проводить в течение условного времени ток, равный 0,85 тока нерасцепления.

Т.е. отключающая способность (далее по тексту — ПКС) определяет способность защитного аппарата произвести отключение линии питающей сети от нагрузки при возникновении в ней вследствие какой-либо аварии тока, превышающего допустимый расчетный ток.

Рассмотрим величину предельной отключающей способности на примере модульных аппаратов ТМ IEK с ПКС 4,5 и 6 кА.

Для автоматических выключателей ТМ IEK предельная и рабочая наибольшая отключающая способности считаются одинаковыми и применительно к аппаратам серии ВА47-ХХ рассматриваются только как номинальная отключающая способность, обозначаемая как Inc.

Что происходит при протекании сверхтока, в частности при испытаниях? В процессе испытаний формируется импульс тока, амплитудное значение которого соответствует действующему значению тока 1ампл ПКС (рис. 1).

На графике толстая линия обозначает реально протекающий через автоматический выключатель испытательный ток; тонкая

— калиброванный импульс тока через перемычку при калибровке.

Постепенно нарастая, величина протекающего через автоматический выключатель тока достигает значения срабатывания электромагнитной защиты. Начинается перемещение сердечника сброса; начался процесс расцепления контактов, возникновения дуги, стекания ее в дугогасительную камеру, разбиения ее на мелкие очаги и гашение.

В процессе нарастания величина тока становится достаточной для втягивания сердечника электромагнитного расцепите-ля. Сбрасывается блокировка пружины расцепления. Контактная группа начинает размыкаться. В процессе размыкания между контактами зажигается дуга. Окончанием процесса отключения считается полное прекращение протекания тока.

На рис. 1 это 1расц. С момента возникновения импульса до момента окончания протекания тока проходит время 1:расц, и по сути это то время, которое определяет скорость отключения аппарата, а в итоге — надежность автоматического выключателя в процессе отключения при сверхтоке. Чем быстрее произойдет размыкание контактов и закончатся процессы горения дуги, тем быстрее прекратится протекание электрического тока в защищаемой цепи и меньше будет разрушена поверхность контактов. Соответственно возрастет продолжительность работы автоматического выключателя.

Делаем вывод, что ПКС — это, по сути, характеристика автоматического выключателя, определяющая скорость прекращения протекания тока в процессе расцепления контактов, и стойкость конструкции автомата к процессам горения дуги в зоне размыкания.

Конструктивные особенности, влияющие на увеличение ПКС при размыкании контактов автоматического выключателя

Для начала рассмотрим требования к конструкции автоматического выключателя, а именно к собственно контактам контактной пары.

Во-первых, это материал контактной пары в зоне соприкосновения. Материалы должны быть подобраны так, чтобы переходное сопротивление контактной пары было минимальным.

Во-вторых, конструкция должна препятствовать «залипанию» (привариванию) контактов в замкнутом состоянии при протекании сверхтоков. Основной причиной такого неприятного процесса является взаимная диффузия (проникновение) частиц металла. Особенно ярко этот эффект проявляется для металлов, близких по составу, не имеющих защиты от «приваривания». Материалы контактной пары должны быть подобраны так, чтобы минимизировать этот эффект.

В-третьих, материалы контактной пары должны обладать минимальной способностью к эмиссии заряженных частиц в процессе размыкания. Это способствует подавлению процесса поддержания электрической дуги.

Рассмотрим другие элементы конструкции, влияющие на надежность конструкции и скорость расцепления.

Одним из важнейших конструктивных элементов — узлом, производящим собственно размыкание, является механизм свободного расцепления. Это система пружин и рычагов, производящая размыкание контактов на максимальное расстояние. Также очень важным является усилие прижатия контактов при включении аппарата, а также расцепления при его отклю чении.

Считая, что при разработке конструкции были учтены требования к материалам контактов, определять условия гашения дуги будет время размыкания контактов на максимальное расстояние, определяемое данным вариантом конструкции. Так, если размыкание произойдет на 3,5 мм за 1 мс, то условия для поддержания дуги будут более благоприятны по сравнению с механизмом, раствор контактов которого составит 5,5 мм за 1,5 мс. Основным фактором, влияющим на поддержание дуги, является приложенное к разрядному промежутку напряжение, и чем ниже напряжение на единицу расстояния между ближайшими точками контактов, тем быстрее произойдет гашение дуги. А время определит продолжительность благоприятных условий горения. И если размыкание будет происходить достаточно медленно, разрушение контактов будет значительным, вплоть до полного разрушения.

Также для ускорения гашения дуги в электротехнических аппаратах используют так называемый механизм «транспортировки» дуги. В автоматических выключателях это имеющая определенную форму стальная пластина с защитным покрытием, механически соединенная с одним из контактов для упрощения затягивания зоны горения дуги в так называемую дугогасительную камеру. Это производится посредством так называемого «магнитного дутья». При протекании тока в дуге формируется магнитное поле определенной формы, которое направляет область горения дуги от контактов вдоль пластин «транспортера» в дугогасительную камеру. В более современных моделях функцию «транспортера» дуги выполняет также особым образом изогнутый подвижный контакт, а в отдельных случаях — и дополнительные металлические пластины, подключенные к другому контакту.

Дугогасительная камера состоит из нескольких стальных, параллельно расположенных пластин сложного профиля, закрепленных в термостойких диэлектрических боковых пластинах. В модульных аппаратах обычно это специальный вид электротехнического картона, имеющего особую пропитку, усиливающую подавление процессов горения дуги. Из такого же материала выполнена задняя стенка дугогасительной камеры, необходимая для ограничения прохождения дуги сквозь дугогасительную камеру.

Рассмотрим конструкцию двух автоматических выключателей из ассортимента ТМ IEK, имеющих разное значение ПКС. Это автоматические выключатели ВА47-29 (ПКС 4500 А) и ВА47-60 (ПКС 6000 А) (рис. 2). Оба выключателя настроены на номинальный ток 16 А и имеют характеристику электромагнитного расцепителя «С».

На рис. 2 бросается в глаза различная компоновка аппаратов. В конструкции ВА47-29 подвижный контакт расположен «слева», со стороны дугогасительной камеры. У ВА47-60 — подвижный контакт «справа», с противоположной стороны от дугогасительной камеры, которые сильно отличаются размерами, что говорит о различных свойствах дугогашения. Известно, что чем больше пластин при равном расстоянии между ними, тем более эффективно электрическая дуга будет рассекаться.

У ВА47-29 девять пластин, а у ВА47-60 их тринадцать (рис. 3)!

Механизм свободного расцепления у ВА47-60 конструктивно проще и легче, зацепление более «мягкое», рабочая пружина размыкания — одна и достаточно мощная. Все это говорит о том, что размыкание контактов по сравнению с ВА47-29 произойдет быстрее. О большой износостойкости контактной пары при процессах горения говорит контактная напайка неподвижного контакта, в обоих случаях (ВА47-29 и ВА47-60) выполненная из серебросодержащего композита, а также специальная форма контактной зоны подвижного контакта. Этому же способствует то, что у ВА47-60 подвижный контакт замыкается дугоотводящей пластиной, тогда как у ВА47-29 не замыкается.

Помимо описанных различий и сходства есть еще одно немаловажное отличие: дугоотводящая пластина подвижного контакта ВА47-60 выполнена в виде гладкой кривой (что значительно облегчает затягивание дуги в дугогасительную камеру), в то время как у ВА47-29 это ломаная линия с зоной критического состояния в зоне перелома. Также необходимо отметить, что у ВА47-60 есть дугоотводящая пластина двойной толщины в зоне неподвижного контакта (у ВА47-29 дугоотводящая пластина есть только в зоне неподвижного контакта). Двойная толщина необходима для увеличения ресурса при горении дуги. Еще одна особенность: подвижный контакт ВА47-60 при размыкании касается дугоотводящей пластины, что резко повышает эффективность дугогасительной камеры.

Все вышеперечисленное говорит о том, что ВА47-60 действительно имеет большее значение ПКС по сравнению с ВА47-29. Этот факт подтверждают и результаты проведенных испытаний в испытательном центре НИИ «Электроаппарат», г. Ставрополь. Специалисты НИИ документально подтвердили: конструкция ВА47-60 действительно соответствует значению ПКС 6000А. Причем с запасом.

Автоматические выключатели технические характеристики

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта http://elektrik-sam.info.

Автоматические выключатели технические характеристики — тема очередной статьи по автоматическим выключателям в рамках курса Автоматические выключатели, УЗО, дифавтоматы — подробное руководство.

В предыдущей статье подробно рассматривались основные характеристики автоматов — номинальный ток и время-токовые характеристики.

Продолжаем обзор технических характеристик, напомню, что они обычно указываются на передней панели корпуса автоматов.

Номинальное напряжение, В — напряжение переменного или постоянного тока, протекающего через автоматический выключатель, при котором нормируются его технические характеристики.

Наносится на корпус. Обычно указывается одно или несколько значений номинального напряжения, например 230В и 380В (или 400В). Для универсальных автоматических выключателей значения номинального напряжения переменного тока указывают с символом ~ постоянного тока – с символом —.

Переходим к следующей характеристике:

Предельная коммутационная способность — предельное значение токов короткого замыкания в цепи, при прохождении которых через автомат, сохраняется его работоспособность. Т.е. это максимально возможный ток короткого замыкания, при возникновении которого автоматический выключатель сможет отключить защищаемую им цепь и остаться при этом работоспособным.

В основном используются автоматы с предельным током короткого замыкания 4500 ампер, 6000 ампер и 10000 ампер. Указывается на корпусе автомата в прямоугольнике.

Если предельные коммутационные способности при коротких замыканиях для переменного и постоянного тока отличаются друг от друга, то их указывают в двух расположенных рядом прямоугольниках, помеченных символами переменного и постоянного тока, например: 10000 ~ 6000~/-.

Величина тока короткого замыкания зависит от сопротивления линии электрической сети, а сопротивление, в свою очередь, зависит от многих факторов: материала из которого выполнена проводка, протяженности линий, качества соединений, близости трансформаторной подстанции.

Если проводка старая и ветхая, токопроводящая жила выполнена алюминиевым проводом (в домах старого жилого фонда, домах в деревнях), то можно применять автоматы с предельной коммутационной способностью 4500А.

Если проводка выполнена из меди (а медный провод по сравнению с алюминиевым обладает меньшим сопротивлением и большей пропускной способностью), электропроводка относительно новая, дом недавно сдан в эксплуатацию, трансформаторная подстанция находится поблизости  — то ожидаемый ток короткого замыкания увеличится.

В настоящее время модульные автоматы с отключающей способностью 4500А встречаются редко. В быту обычно применяются автоматы с отключающей способностью 6000А. Однако, если трансформаторная подстанция находится поблизости  и дом новый, отключающую способность автоматических выключателей, по крайней мере, вводного автомата, рекомендуется увеличить и использовать с отключающей способностью 10кА.

Если у Вас новострой, то можно посмотреть предельную коммутационную способностью на корпусе вводного автомата, поскольку они устанавливаются в соответствии с расчетным значением по проекту.

Напомню, что знание технических характеристик электрических аппаратов защиты позволяет комплексно и грамотно подойти к вопросу их выбора, об этом я подробно писал в статье Как выбирать автоматические выключатели, УЗО, дифавтоматы.

Следующая характеристика Класс токоограничения.

Важный параметр, который напрямую влияет на безопасность, надежность и долговечность электропроводки. Токоограничение автоматического выключателя заключается в отключении питания защищаемой цепи раньше, чем ток короткого замыкания достигнет своего максимального значения. Это дает возможность не подвергать изоляцию электропроводки повышенному нагреву при коротких замыканиях, тем самым снижая риск возникновения возгорания.

Класс токоограничения определяется временем от момента начала размыкания силовых контактов автоматического выключателя до момента полного гашения электрической дуги в дугогасительной камере. Существует три класса токоограничения: 1, 2, 3.

Самый высокий класс 3. Время гашения дуги автомата этого класса токоограничения происходит за 2,5…6мс , 2-го класса — 6…10мс, 1 класса — за время более 10мс. Класс токоограничения указывается под значением предельной коммутационной способности в черном квадрате. Автоматы с 1-м классом токоограничения не маркируются.

Также на корпусе автоматического выключателя может указываться номинальная частота электрической сети, на которую он рассчитан. Как я уже говорил, основные характеристики автомата приводятся для расчетной температуры окружающей среды 30˚С. Если она отличается, то ее тоже указывают на корпусе автомата.

Если степень защиты отличается от IP20, то она также указывается на корпусе. Если выводы автоматического выключателя предназначены только для подключения нейтрального провода, их маркируют латинской буквой N. Также иногда на корпусе наносится схема монтажа автомата на DIN-рейку.

Смотрите подробное видео Автоматические выключатели технические характеристики

Основные характеристики, конструкцию и принцип работы автоматических выключателей мы разобрали, в следующей статье рассмотрим схемы подключения автоматических выключателей.

Подписывайтесь на новости и держите руку на пульсе! Впереди много интересного.

Рекомендую прочитать по теме:

Автоматические выключатели УЗО дифавтоматы — подробное руководство.

Как выбирать автоматические выключатели, УЗО, дифавтоматы?

Автоматические выключатели — конструкция и принцип работы.

Номиналы групповых автоматов превышают номинал вводного?

Почему в жару срабатывает автоматический выключатель?

Менять ли автоматический выключатель, если его «выбивает»?

Конструкция (устройство) УЗО. Устройство УЗО и принцип действия.

Работа УЗО при обрыве нуля.

Как проверить тип УЗО?

Почему УЗО выбирают на ступень выше?

Автоматические выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА (2011)

Сегодня в практике проектирования систем электроснабжения все большее применение находят автоматические выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА. Тому есть объяснимые причины: во-первых, возрастающие нагрузки в электрических сетях и, во-вторых, регламентируемое ГОСТ требование использовать такие выключатели в качестве вводных на линиях с номинальными токами до 63 А включительно. Немаловажен и тот факт, что по стоимости выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА выгоднее, чем выключатели со значением данной характеристики, равным 10 кА, которые часто ставятся на ввод.

Крупные европейские и российские бренды уже вывели на рынок автоматические выключатели с номинальной отключающей способностью 6 кА. Поскольку ассортимент этой группы автоматов активно расширяется, у конечных потребителей возникает немало вопросов, касающихся ее свойств и характеристик. Поэтому Группа компаний IEK провела сравнительный анализ изделий производства известных в России торговых марок: ABB, Schneider, IEK и Legrand. Вся информация была собрана из открытых источников — каталогов, справочников по продукции, технических статей.

Конструкция

На первом этапе сравнительного анализа изучалась конструкция автоматических выключателей. Все они показали готовность к коммутации повышенных токов короткого замыкания до 6 кА включительно (табл. 1). На это указывает увеличенная дугогасительная камера (12-13 пластин), позволяющая разбивать дугу на большее количество мелких составляющих и быстрее ее гасить, а также наличие защиты от прожигания корпуса электрической дугой. Все образцы имеют корпус из не поддерживающего горение пластика. Отдельно стоит отметить наличие у выключателя ВА47-60 IEK® двойной искрогасящей решетки выхлопа, что является дополнительным фактором, повышающим ресурс работы выключателя.

Технические характеристики и эксплуатационные параметры

На втором этапе сравнительного анализа рассматривались технические характеристики и эксплуатационные параметры автоматических выключателей. В результате сформировались три составляющих анализа:сравнительная таблица техническиххарактеристик (табл. 2), сопоставление показателей рассеиваемой мощности (рис. 1) и анализ зависимости номинального тока от изменения окружающей среды (рис. 2). К сожалению, в открытом доступе не удалось найти информацию по рассеиваемой мощности и влиянию температуры окружающей среды на участвующие в обзоре автоматические выключатели Schneider iC60NActi9.

Рис. 1. График рассеиваемой мощности автоматических выключателей

Рис. 2. Зависимость номинального тока от изменения температуры
окружающей среды автоматических выключателей IEK®, ABB, Legrand

Показатели рассеиваемой мощности рассматриваемых автоматических выключателей по наиболее применяемым номинальным токам находятся в схожем диапазоне, показывая хорошие результаты, удовлетворяющие требованиям ГОСТ.

Различия значений номинальных токов при температурах, отличных от 30 °C, у рассматриваемых автоматических выключателей минимальны и находятся в среднем в одном диапазоне.

Анализ технических характеристик показывает, что среди всех рассматриваемых выключателей с номинальной отключающей способностью 6 кА ВА47-60 IEK® демонстрирует наибольшую приспособленность к эксплуатации в условиях низких температур.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что все рассмотренные автоматические выключатели обладают высоким уровнем потребительских характеристик, имеют надежную конструкцию, хорошие показатели по рассеиваемой мощности и стабильность работы при различной температуре окружающей среды.

При выборе аппаратов под конкретные проектные решения следует учитывать не только технические характеристики автоматических выключателей, но и условия эксплуатации, в которых планируется их применять.

Таблица 1

Наименование параметра	ABB (S200)	Schneider (iC60N (Acti9))	IEK (ВА47-60)	Legrand (DX)
Номинальный ток In, А	0,5-63	0,5-63	со 6 — 6	ян.63
Номинальное напряжение частотой 50 Гц, В	230/400	230/400	230/400	230/400
Механическая износостойкость, циклов В-О, не менее	20 000	20 000	20 000	20 000
Максимальное сечение присоеди няемых проводов, мм2	25	25	25	25
Степень защиты выключателя	IP20	IP20	IP20	IP20
Класс токоограничения	3	3	3	3
Диапазон рабочих температур, °C (температура окружающей среды)	-80	-105	4 о 5 0	-65

* Присутствует функционально замещающий конструктивный элемент.

Таблица 2

Элемент конструкции	ABB (S201)	Schneider (iC60N (Acti9))	IEK (ВА47-60)	Legrand (DX)
Электромагнитный расцепитель	+	+	+	+
Биметаллическая пластина	+	+	+	+
Касание подвижного контакта дугоотводящей пластины при размыкании	+	-	+	-
Дугогасительная камера (число пластин)	13	12	13	13
Защита корпуса выключателя от прожигания электрической дугой	+	+	+	+
Насечки на клеммных зажимах для фиксации провода	+	+	+	+
Искрогасящая решетка выхлопа	-	+*	двойная	+*
Пластик корпуса не поддерживает горение	+	+	+	+

Выбор автоматических выключателей, основные требования

Автоматические выключатели – это самые распространенные защитные коммутационные аппараты в однокиловатных электрических сетях.

В основу их популярности заложена высокая универсальность:

• защита электрической сети в результате возникновения аварийных ситуаций;
• отключение отдельных участков цепи.

Выбор защитных коммутационных устройств начинается с расчетов токов короткого замыкания (КЗ) в схеме защищаемого участка.

Коммутаторы выбирают по трем параметрам:

• условиям нормального функционирования;
• отключающей способности;
• селективности при коротком замыкании.

Условия нормального функционирования

Выбор автоматов, исходя из условий, сводится к подбору аппарата в соответствии с номинальными параметрами сети. При этом нужно обязательно соблюдать следующие условия:

1. Рабочее номинальное напряжение устройства должно быть равно или превышать напряжение сети. В двухпроводной сети в бытовых условиях напряжение составляет 220 Вольт, а в четырехпроводной – 380 Вольт.

2. Ток расцепителя автомата должен быть равным или превышать ток нагрузки. Стоит учесть, что некоторые защитные устройства имеют номинал расцепителя ниже, чем указанный типоразмер. Ток нагрузки определяется с учетом всей нагрузки отходящих линий для вводного автомата и нагрузки потребителя для одиночного.

Отключающая способность

Немаловажным фактором при выборе защитного автомата является устойчивость к коротким замыканиям. Для анализа данного условия используется понятие предельной коммутационной стойкости (ПКС), характеризующее нормальную работу устройства при включении его на ток КЗ. При этом необходимо проверить его работоспособность после завершения цикла О-ВО-ВО.

Одноразовая ПКС – это способность устройства отключить максимальный ток КЗ хотя бы раз. После отключения, устройство может прийти в негодность.

Условия стойкости к токам КЗ:

1.ПКС не должна быть меньше наибольшего расчетного тока трехфазного КЗ на защищаемом участке сети. Если ПКС не указан на корпусе устройства, то за его основу берется ПКС для автоматов данной марки и типоразмер с максимальной установкой расцепителя. Предельный ток стойкости характеризует способности автомата отключать ток КЗ при полном сохранении своей работоспособности. Это свойство определяет его термическую и электродинамическую стойкость.

2.Электродинамическая стойкость определяется прохождением амплитудного тока короткого замыкания без деформации системы контактов. Амплитудное значение ударного тока должно быть меньше тока электродинамической устойчивости устройства. Амплитудное значение для металлического замыкания составляет 2,12, для переходного сопротивления – 1,83.

3.Расчетное значение количества тепла должно быть меньше каталожного значения теплового импульса, которое отражает количество тепла, выделяемого при прохождении тока КЗ через выключатель без нанесения вреда его системе контактов.

После расчета устойчивости к токам КЗ и нормального режима функционирования, выполняется проверка по селективности.

Селективность при КЗ

Селективность – это способность защитного автомата отключать только аварийный участок. В связи с чем, селективность обеспечивается между защитными устройствами высокой стороны трансформатора и автоматом ввода на низкой стороне или между вводным устройством и фидером.

Для расчета данного показателя, характеристики смежных коммутаторов наносятся на так называемую карту селективности. При этом во временных координатах характеристики аппаратов и электротока на карте не должны пересекаться. Оптимально, когда на одном участке имеется одна ступень селективности – в качестве вводного устройства используется селективный, а непосредственно на нагрузке – неселективный.

Согласование защиты вводного автомата НН и трансформатора ВН выполняется по токовой отсечке и максимальной токовой защите. Данные характеристик не должны пересекаться на графике.

Для трансформаторов МТЗ, электроток срабатывания, для соединений обмоток типа У/У0, должен соответствовать следующим условиям:

1.Iс.з. <= 0,8671I(З) к.мин/1,5.

2.Ic.з. <= 0,8671I(З) к.R/1,2.

Для обмотки типа Д/У0:

1.Iс.з <= I(З) к.мин/1,5.

2.Iс.з <= I(З) к.мин/1,2.

Коэффициенты 1,2 и 1,5 – это минимальные показатели Кч трансформатора МТЗ при металлическом или переходном КЗ.

По условиям селективности, электроток отсечки защитных устройств не должен быть выше тока срабатывания МТЗ ВН на значение коэффициента надежности, который определяется по специальным справочным таблицам.

Выбирая автоматические выключатели нужно учитывать возможность отключения не только трехфазных близких КЗ, но и однофазных далеких, в случае, когда параметры электротоков сопоставимы с максимальными рабочими:

Ic.o<= I (1) кR./Кн.с*Кч, где:

I(1)кR– это минимальный ток однофазного короткого замыкания;

Кч – это коэффициент надежности (для фильтровых защит – 1,5).

В случаях, когда монтаж расцепителя автомата для защиты от одно и трехфазных КЗ невозможен, то для однофазных КЗ устанавливается отдельная защита.

После расчета установки коммутаторов, необходимо определиться с типом, номинальными параметрами и исполнением защитного устройства.