Селективный автоматический выключатель: как защитить электрическую цепь, соблюдая селективность

Обновлено: 18.04.2024

Одним их важнейших параметров, определяющих надежность схемы электроснабжения, является селективность защиты. То есть способность отключить только поврежденную линию, в которой либо в результате перегрузки, либо вследствие короткого замыкания возник сверхток, не отключая при этом другие цепи. Сверхтоком называют любое превышение тока в линии выше номинального тока аппарата защиты.
В соответствие с ГОСТ Р 50030.2-2010 (IEC 60947-2) селективность по сверхтокам может быть полная и частичная.

При полной селективности (см. 2.17.2) по сверхтокам при отключении аппарата защиты (автоматического выключателя) поврежденной линии вышестоящий по схеме автоматический выключатель не отключается при любых значениях тока перегрузки или короткого замыкания.

В случае частичной селективности (см. 2.17.3) вышестоящий (например, вводной в электрощите) автоматический выключатель щита при перегрузке или коротком замыкании в одной из отходящих линий не отключается одновременно с аппаратом защиты поврежденной линии только в определенном диапазоне токов.

Для достижения требуемой селективности автоматические выключатели подбирают по их времятоковым характеристикам с учетом разброса их параметров. При этом следует пользоваться данными по обеспечению селективности конкретных аппаратов (чаще всего представлены в виде таблиц селективности), предоставляемыми производителями автоматических выключателей.

Добиться полной селективности, используя модульные автоматические выключатели по ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898) как правило, практически невозможно. Например, если номинальный ток вводного автоматического выключателя 25 А, а номинальные токи автоматических выключателей отходящих линий 10 А, то селективность при одинаковых характеристиках срабатывания выключателей ограничивается в диапазоне токов до 200 А. То есть при токах короткого замыкания более 200 А автоматические выключатели отключатся не селективно (как правило, оба одновременно). Максимальный ток короткого замыкания, который может возникнуть, рассчитывают или измеряют в точке подключения ближайших по длине кабеля нагрузок (розеток, светильников).

Если вводной автоматический выключатель имеет характеристику срабатывания D при номинальном токе 25 А, а выключатель отходящей линии характеристику C при номинальном токе 10 А, то по таблицам селективности удается подобрать пару выключателей, которые обеспечат селективность при токах короткого замыкания до 500 - 600А. Автоматические выключатели должны быть одного производителя, в противном случае никто не даст никаких гарантий по селективности. А в случае возникновения аварийной ситуации из-за отсутствия селективности претензии предъявить будет некому.

В соответствие с требованиями ГОСТ 50345-2010 (МЭК 60898), модульные автоматические выключатели (для бытового и аналогичного применения) при коротком замыкании должны срабатывать за время, не превышающее 0,1 секунды. Обычно такие выключатели (в зависимости от производителя) срабатывают при коротком замыкании за время 0,03 - 0,05 секунды. При использовании неселективных выключателей, особенно разных производителей, может возникнуть ситуация, когда при коротком замыкании будет отключаться только вышестоящий аппарат защиты. Поэтому гарантии по селективности двух конкретных типов выключателей может дать только их производитель. Таблицы селективности можно найти в каталогах на низковольтное оборудование.

При использовании модульных автоматических выключателей для достижения частичной селективности хотя бы в небольшом диапазоне токов (что определяет размер селективной зоны действия защит по длине отходящей линии) отношение номинального тока вышестоящего аппарата (например, вводного) к нижестоящему, (например, групповых линий) должно быть, как правило, не менее 2,5 - 3.

Для достижения полной селективности при защите отходящих групповых линий модульными автоматическими выключателями по ГОСТ 50345-2010 (МЭК 60898), вышестоящие аппараты защиты электрощитов и автоматические выключатели для защиты распределительной сети должны соответствовать ГОСТ Р 50030.2-2010 (IEC 60947-2) и обладать в зоне действия селективной токовой отсечки определенным временем несрабатывания (как правило, данное время составляет несколько десятков миллисекунд). При этом отношение номинальных токов выключателей должно быть не менее 1,6. Для получения более точных данных следует пользоваться таблицами селективности, или запрашивать информацию у производителей оборудования.

Следует отметить, что в зоне действия неселективной (мгновенной) токовой отсечки вышестоящего аппарата (обычно при значительных токах короткого замыкания вблизи мощных источников питания, определяемых расчетным путем) селективность у ряда производителей так же может быть обеспечена за счет так называемого «рефлексного отключения», когда энергия замыкания рассеивается на нижестоящем аппарате, обладающем функцией токоограничения (быстрое отключение до достижения максимального пика тока менее, чем за 10 мс). В этом случае энергии замыкания, пропускаемой через вышестоящий аппарат недостаточно для его срабатывания.

В распределительных щитах аварийного освещения и других систем обеспечения безопасности зданий необходимо обеспечить максимальную, желательно полную селективность защиты. В обоснованных случаях допускается частичная селективность, если максимальный ток короткого замыкания не выходит за пределы диапазона токов, при которых выполняется условие селективности. Нельзя допустить, что бы при коротком замыкании в отдельной групповой линии отключился вышестоящий (вводной) аппарат защиты.

Необходимо стремиться к уменьшению количества ступеней, используя, где это допустимо, на вводе в щиток выключатель нагрузки. В этом случае селективность должна быть обеспечена между автоматическими выключателями групповых линий и автоматическим выключателем, защищающим распределительную сеть. При использовании выключателей нагрузки на вводе в щиток освещения удается значительно повысить надежность сети аварийного освещения в случае, если вышестоящий аппарат защиты обеспечивает полную селективность с групповыми аппаратами, по сравнению со схемой, когда на вводе в щиток предусматривают аппарат, обеспечивающий только частичную селективность. Если же вышестоящий аппарат, защищающий распределительную сеть, и и вводной аппарат в щиток, предусматриваются одинаковыми (обеспечивающими селективность с групповыми аппаратами), то это ведет к удорожанию и, как правило нерациональному усложнению схемы. При этом данные аппараты работают между собой не селективно. Селективное же их выполнение приводит к завышению вышестоящей защиты, увеличению сечений питающих линий и к неоправданным затратам. Поэтому подобные решения следует применять только в обоснованных случаях (например, при необходимости разделения зон ответственности эксплуатирующих организаций).

Часто в примечаниях к схеме распределительного щита можно увидеть фразу: «Допускается использовать оборудование других производителей, имеющее аналогичные параметры». Следует учитывать, что подбирать автоматические выключатели следует всегда с учетом их селективности.

В электрощитах многих зданий, построенных 30 - 40 лет назад, можно увидеть стандартные электрические щиты, в которых вводной автоматический выключатель установлен с номинальным током 100 А и автоматические выключатели отходящих линий на 10 и 16 А. Если расчетный ток такого щита не превышает 40 - 50 А, то иногда службы эксплуатации здания получают предписание установить в щит вводной автоматический выключатель, соответствующий расчетному току. И когда в такой щит устанавливают современный аппарат защиты, то при коротком замыкании в любой отходящей линии могут отключиться и вводной и групповой аппарат и даже только вводной автоматический выключатель. В щитах аварийного освещения подобное недопустимо.

Автор выражает глубокую признательность Сергею Волкову (АО «Атомэнергопроект»), за полезные советы и рекомендации, сделанные при подготовке статьи.

Селективный автоматический выключатель является частью электрической цепи. Он выполняет защитную функцию и предотвращает сгорание электропроводки, поломку подключенного к ней оборудования в случае короткого замыкания или превышения номинального напряжения на конкретных участках цепи.

Принцип селективности

Селективностью в электрике и электронике принято называть свойство защитного механизма, выражающееся в способности выделять неисправно функционирующий элемент и отключать его.

Селективная защита бывает:

Абсолютная. Действует только на участке, где случается поломка или замыкание.
Относительная. Задействует предохранители, находящиеся выше, когда в силу разных причин другие защитные приборы не срабатывают.

Ярким примером селективности является принцип работы распределительного щитка в доме. Электрическая схема каждого помещения (спальни, кухни, ванной и т. д. ) имеет свой предохранитель. При возникновении короткого замыкания или перепада напряжения в конкретном месте срабатывает абсолютная защита, весь дом не обесточивается.

Если отдельный предохранитель не функционирует, начинает действовать абсолютная защита. Прибор, установленный на входе, полностью отключает энергоснабжение.

Подключение защитных устройств

Селективность автоматических выключателей принято классифицировать исходя из способа их подключения.

По этому принципу защита сети может быть:

Полная. В цепочке последовательно подключённых устройств раньше срабатывает тот, что находится вблизи аварийного участка.
Частичная. Её действие аналогично полной с той лишь разницей, что срабатывает она до определённого значения сверхтока.
Временная. Последовательно соединённые приборы имеют равные токовые характеристики, но разный период выдержки на срабатывание. Этот период постепенно возрастает от проблемного участка до источника питания. Временная селективность позволяет одному предохранителю страховать другой в случае его отключения.
Токовая. Основным её параметром выступает максимально-токовая отсечка. Устройства располагаются по мере её уменьшения от источников питания до объектов загрузки.
Времятоковая. Автоматы, реагирующие на ток и время, делятся на четыре группы. Максимальную эффективность показывает первая группа (A), используемая в электронных схемах. Четвёртая группа (D) применяется в электроприводных системах, для которых характерен большой пусковой ток.
Зонная. Функционирует под контролем измерительных приборов, передающих данные в центр контроля. На основе полученных сведений определяется, какое из устройств будет отключено. Для такого типа защиты требуются дополнительные источники питания, реализовать его сложно и финансово затратно. Применяется в промышленной сфере.

Самым скоростным является энергетический тип защиты. Предохранители, подключённые по такой схеме, действуют настолько быстро, что короткое замыкание не успевает достичь максимума.

Расчёт защитных показателей

Роль селективных устройств в электрических цепях чаще всего выполняют стандартные выключатели. Чтобы их действие было эффективным, нужно провести правильные расчёты и настройки. При размещении выключателя вблизи источника энергии должно быть соблюдено правило, выраженное формулой Iс. о. послед. ≥ Kн. о.∙ I к. пред.

В ней используются следующие параметры:

Iс.о.послед. Ток, при котором срабатывает защита.
I к. пред. Ток короткого замыкания в конце зоны действия защиты, располагающейся на наибольшем удалении от источника питания.
Kн.о. Коэффициент надёжности. Зависит от разброса показателей.

Настройка защитного оборудования, в котором важным фактором регулирования является временной промежуток, происходит по формуле tс. о. послед. ≥ tк. пред.+ ∆t. В ней tс. о. послед. и tк. пред. обозначают периоды, через которые срабатывают отсечки предохранителей, установленных вблизи и на удалении от источника питания соответственно. Показатель ∆t характеризует временную ступень селективности, которая определяется по каталогу.

Для обеспечения максимальной защиты электросети используются не только числовые расчёты, но и составляется карта селективности. На ней в виде графиков изображаются времятоковые показатели выключателей, размещённых в цепи по очереди и имеющих один источник напряжения. При составлении такой карты важную роль играет масштаб. Он должен быть таким, чтобы были видны все расчётные точки. Также важно, чтобы карта содержала информацию о максимумах и минимумах коротких замыканий в точках системы.

Несмотря на все преимущества селективной защиты, её установка не всегда является целесообразной. Она показывает свою эффективность только при значительных неполадках в электросети. Основаниями для монтажа селективных защитных приборов служат высокие показатели номинальных автоматов, полученные в результате предварительных расчётов.

Роль автоматических выключателей

Залогом безопасной работы электрической схемы служит чёткая система защиты, в основе которой лежит принцип разделения общей цепи на отдельные участки. Такое разделение позволяет быстро выявить неисправность и устранить её.

Благодаря установке селективных выключателей удаётся добиться правильной совместимости всех используемых защит и обеспечить:

безопасность жизни людей и работы электроприборов;
автоматическое обнаружение неисправного участка и его ремонт;
снабжение электроэнергией участков цепи, расположенных в непосредственной близости к повреждённым зонам;
поддержку качества предоставляемой электроэнергии.

Тот факт, что однополюсные автоматические выключатели, монтированные на фазном проводе, справляются с функцией защиты сети, не означает, что от выключателей с двумя полюсами следует полностью отказаться. Именно такие устройства защищают систему от токов, сохраняющихся в нейтраль после отключения фазного провода.

Двухполюсные автоматы устанавливают на DIN-рейку распределительного щита вместо двух однополюсных приборов. Они показывают высокую эффективность работы в квартирах и частных домах. Отключение такого устройства служит гарантией безопасного проведения любых работ с электричеством.

Автоматический выключатель, имеющий два полюса, может выполнять роль защитного и управляющего механизма в системах с технологической (кинематической, механической и др.) связью. Если обеспечить питание двух таких устройств от независимых линий, то при выходе из строя одного из них произойдёт отключение другого.

В соответствии с правилами устройства электроустановок, выбор селективных выключателей следует осуществлять с учётом номинальных токов электроприёмников. Это поможет избежать срабатывания защитного оборудования при кратковременных перегрузках.

При проектировании новой электросети или реконструировании существующей важно придерживаться требований, создающих условия для надежной работы. Речь идет о селективности — согласовании характеристик защитных аппаратов на каждом этапе распределения электроэнергии. Это свойство обеспечивает срабатывание аппарата защиты, в цепи которого произошла перегрузка или короткое замыкание (КЗ). В то же время остальная часть электроустановки должна продолжать работать.

Например, в случае короткого замыкания в одной из кухонных розеток должен сработать групповой выключатель (на схеме — категории «В» с номинальным током 10 А). То есть должна отключиться лишь линия «розетки кухни», а не вводной автоматический аппарат, который отключает всю квартиру.

Если защитный аппарат по каким-либо причинам не отключился, то сработает вышестоящий автоматический выключатель квартирного щитка.

Определения

Селективность — согласование характеристик защитных аппаратов, установленных последовательно, так, чтобы в аварийной ситуации отключалась лишь та линия питания или часть схемы, в которой возникла неисправность.

Полная селективность — такая координация работы аппаратов защиты, при которой отключение аппарата со стороны потребителя происходит раньше, чем отключение аппарата со стороны источника питания. Отключение осуществляется во всем диапазоне возможного тока КЗ в этой сети вплоть до значения наибольшей отключающей способности нижестоящего защитного аппарата.

Частичная селективность — такая координация работы аппаратов защиты, при которой аппарат со стороны потребителя осуществляет защиту только до значения Is (предельного тока селективности). Причем аппарат со стороны источника питания не должен срабатывать.

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

Зона короткого замыкания — диапазон тока, превышающего номинальный ток, в котором для отключения используется электромагнитный расцепитель.

Избирательное срабатывание защитных устройств обеспечивается координаций время-токовых характеристик. Наладить селективную работу оборудования в случае перегрузок можно тогда, когда номинальный ток устройства защиты со стороны питания будет хотя бы на одну ступень выше тока автомата со стороны нагрузки.

Способы обеспечения селективности

В зоне токовой перегрузки, как правило, используется время-токовый способ создания селективности. В зоне токов КЗ могут применяться иные методы. Рассмотрим их подробнее.

Временная селективность

Данный тип селективности обеспечивается за счет разного времени срабатывания защитных аппаратов. Для ее реализации вводится задержка времени, с которой должно срабатывать устройство.

Время срабатывания выключателя №1, который находится ближе всего к защищаемому оборудованию, устанавливается на показатель 0,02 с. На втором этапе защиты для отключения неполадки в цепи с током настраивается время срабатывания автомата на 0,5 с. На последнем этапе время срабатывания аппарата задается на значение в 1 секунду. Защита № 3 нужна для резервирования двух нижестоящих защит (№№ 1 и 2).

Этот метод реализуется в основном во вводных устройствах и распределительных щитах между воздушными автоматическими выключателями, оборудованными расцепителями с защитой от КЗ, которая срабатывает с временной задержкой.

Селективность по току

У всех трех защит задержка срабатывания является минимальной и составляет 0,02 с. Но показатели срабатывания по току (уставки) разные:

для выключателя №1 — 200 А;
для автомата №2 — 300 А;
для защиты №3 — 400 А.

Если в защищаемой сети возникает короткое замыкание, ток стремительно возрастает. В результате срабатывает защита и происходит отключение. При токовой селективности автоматических выключателей, если защита №1 не сработает, ее будет резервировать следующая — №2.

Время-токовая селективность

Для настройки защиты электрических установок напряжением до 1000 В применяют еще один метод — согласование время-токовых характеристик, которые имеют используемые автоматические выключатели.

Например, можно достичь избирательности срабатывания защиты за счет подбора время-токовой характеристики автомата В так, чтобы она находилась на заданном расстоянии ниже характеристики выключателя А. Определить эту зону можно опытно-расчетным путем, учитывая погрешности срабатывания защит. С учетом данной зоны составляются таблицы селективностей.

Современные производители вместе с автоматами предоставляют покупателям готовые таблицы селективности. Они позволяют подобрать все выключатели с полной селективностью и обеспечить максимальную безопасность объекта.

При выборе защитных устройств с учетом требований селективности вы получаете сразу два преимущества — повышение надежности электрической установки и упрощение работы по обнаружению повреждения в цепях для протекания тока. Обратите внимание: селективность защиты трудно обеспечить, если использовать аппараты разных производителей. Поэтому лучше устанавливать автоматы одного производителя и опираться на таблицы селективности.

Читайте также: