Защита от сверхтока: что это такое, требования, особенности

435 Согласование защиты от перегрузки и защиты от короткого замыкания

435.1 Защита посредством общего устройства

Если устройство защиты от перегрузки соответствует требованиям и имеет отключающую способность не меньшую, чем значение ожидаемого тока короткого замыкания в месте, где оно установлено, то считают, что это устройство также обеспечивает защиту проводника, расположенного на стороне потребителя, от токов короткого замыкания.

Примечание — Это положение может не иметь силы для всего диапазона токов короткого замыкания; проверку осуществляют в соответствии с требованиями .

435.2 Защита посредством отдельных устройств

Требования и относятся к устройству защиты от перегрузки и к устройству защиты от короткого замыкания соответственно.

Характеристики этих устройств должны быть согласованы таким образом, чтобы сквозная мощность короткого замыкания не превышала значение, которое может выдержать, устройство защиты от перегрузки.

434 Защита от токов короткого замыкания

434.1 Общие требования

Устройства защиты должны
отключать любой ток короткого замыкания, протекающий по проводникам защищаемой
цепи раньше, чем такой ток мог бы вызвать опасность вследствие тепловых и
механических воздействий на проводники и их соединения.

434.2 Определение ожидаемого тока короткого замыкания

Ожидаемый ток короткого
замыкания в каждой соответствующей точке электроустановки должен быть определен
либо расчетным путем, либо путем измерений.

434.3
Характеристики устройств защиты от короткого
замыкания *

* В отечественной
практике следует также выполнять требования «Правил устройства
электроустановок» (гл. 3.1) в части установления характеристик защитных
устройств от короткого замыкания.

Каждое устройство защиты
должно соответствовать двум следующим условиям.

434.3.1
Отключающая способность должна быть не менее значения ожидаемого тока короткого замыкания в
той точке, где установлено устройство, за исключением случаев, оговоренных
ниже.

Допускается применение устройств
с более низкой отключающей способностью, если другое защитное устройство,
имеющее необходимую отключающую способность, установлено со стороны питания. В
этом случае характеристики этих двух устройств должны быть согласованы таким
образом, чтобы сквозная мощность короткого замыкания не превышала значения,
допускаемого для устройства, установленного на стороне потребителя и
проводников, защищенных этими устройствами.

Примечание — В
некоторых случаях может возникнуть необходимость учитывать другие характеристики,
такие как динамические усилия и энергия дуги для устройства, установленного на
стороне потребителя.

Уточненные данные, требующие
согласования, следует получать от предприятия-изготовителя устройств.

434.3.2
Время отключения полного тока короткого замыкания в любой точке цепи не должно превышать времени,
в течение которого температура проводников достигает допускаемого предела.

Для короткого замыкания
продолжительностью до 5 с время t, в
течение которого превышение температуры проводников от наибольшего значения
допускаемой температуры в нормальном режиме до предельно допустимой
температуры* может быть приблизительно подсчитано по формуле

* Значение предельно допустимой температуры нагрева проводников при
коротком замыкании приведены в «Правилах устройства электроустановок» (гл. 1.4,
пункт 1.4.16).

где t — продолжительность, с;

S — сечение,
мм2;

I — действующее
значение тока короткого замыкания, А;

K = 115
— для медных проводников с поливинилхлоридной изоляцией;

K = 135
— для медных проводников с резиновой изоляцией (в т.ч. с изоляцией из бутиловой
резины и этиленпропиленовой резины), с изоляцией из сшитого полиэтилена;

K = 74
— для алюминиевых проводников с поливинилхлоридной изоляцией;

K = 87
— для алюминиевых проводников с резиновой изоляцией (в т.ч. с изоляцией из
бутиловой резины и этиленпропиленовой резины), с изоляцией из сшитого
полиэтилена;

K = 115
— для соединений медных проводников, выполняемых пайкой, что соответствует
температуре 160 °С.

Примечания

1 Для очень
короткой продолжительности (менее 0,1 с), когда асимметрия тока значительна,
значение K2S2
токоограничивающих устройств должно быть больше указываемого
предприятием-изготовителем значения (I2t), характеризующего термическую стойкость устройства защиты.

2 Другие
значения K в настоящее время находятся в
стадии рассмотрения для:

— проводников
малого сечения (в особенности для сечения менее 10 мм2);

—
продолжительности короткого замыкания св. 5 с;

— других
типов соединений проводников;

—
неизолированных проводников;

— проводников
с минеральной изоляцией.

3 Номинальный
ток устройств защиты от короткого замыкания может превышать допустимый
длительный ток кабеля.

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН И ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 337
«Электрооборудование жилых и общественных зданий»

2 ПРИНЯТ И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Госстандарта России от 29
ноября 1994 № 206

3 Настоящий стандарт содержит полный аутентичный текст международного
стандарта МЭК 364-4-473-77 «Электрические установки зданий. Часть 4. Требования
по обеспечению безопасности. Раздел 473. Меры защиты от сверхтоков»

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5 Настоящий стандарт на 7-м заседании Межгосударственного совета по
стандартизации, метрологии и сертификации принят в качестве межгосударственного
стандарта ГОСТ 30331.9-95 (МЭК 364-4-473-77) «Электроустановки зданий. Часть 4.
Требования по обеспечению безопасности. Применение мер защиты от сверхтоков»,
который содержит полный аутентичный текст ГОСТ Р 50571.9-94 (МЭК 364-4-473-77)

6 Постановлением Комитета Российской Федерации по стандартизации,
метрологии и сертификации от 12 марта 1996 г. № 164 межгосударственный стандарт
ГОСТ 30331.9-95 (МЭК 364-4-473-77) введен в действие для применения в качестве
нормативного документа по стандартизации Российской Федерации с 1 июля 1996 г.

7 ПЕРЕИЗДАНИЕ

435 Согласование защиты от перегрузки и защиты от короткого замыкания

435.1 Защита посредством
общего устройства

Если устройство защиты от перегрузки соответствует
требованиям раздела 433 и
имеет отключающую способность не меньшую, чем значение ожидаемого тока
короткого замыкания в месте, где оно установлено, то считают, что это
устройство также обеспечивает защиту проводника, расположенного на стороне
потребителя, от токов короткого замыкания.

Примечание — Это положение может не иметь силы для всего
диапазона токов короткого замыкания; проверку осуществляют в соответствии с
требованиями 434.3.

435.2 Защита посредством
отдельных устройств

Требования разделов 433 и 434
относятся к устройству защиты от перегрузки и к устройству защиты от короткого
замыкания соответственно.

Характеристики этих устройств должны быть согласованы таким
образом, чтобы сквозная мощность короткого замыкания не превышала значение,
которое может выдержать устройство защиты от перегрузки.

Карта селективности и правила ее создания

Схема утверждённого образца, на которой нанесены все токовые параметры защитных аппаратов и устройств, с указанием общего источника питания, выполняется в удобном для просмотра масштабе. Это карта селективности. Она обеспечивает максимальное применение защитных качеств автоматических выключателей. Все процессы, возможные при эксплуатации, отображены на ней графически.

На карту в обязательном порядке наносятся:

места важных расчётных точек;
защитные характеристики автоматов и возможных КЗ, при этом указаны их min и max значения.

Данная карта служит основанием для составления таблицы по выбору защитных аппаратов. Кроме того, карта позволяет оценивать общую защитную селективность и даёт полную информацию о согласованных между собой уставках всех автоматов.

Построение карты выполнено по осям. Ось абсцисс представляет токовые значения, на ось ординат наносятся временные значения.

К сведению. На ось могут наноситься и другие разновидности характеристик. Каждая схема включает в себя параметры двух-трёх автоматов. Построение таких карт можно выполнить при помощи компьютерной программы.

Пример карты селективности, выполненной при помощи программы

Грамотно выполненная селективная защита позволяет сохранить оборудование. При отключении конкретного участка она допускает выполнить обратное включение питания автоматическим включением резерва (АВР) и свести к минимуму простой оборудования и перерывы в подаче электроэнергии потребителям.

433 Защита от токов перегрузки

433.1 Общие требования

Устройства защиты должны
отключать любой ток перегрузки, протекающий по проводникам, раньше чем такой
ток мог бы вызвать повышение температуры проводников, опасное для изоляции,
соединений, зажимов или среды, окружающей проводники.

* В отечественной
практике следует также выполнять требования «Правил устройства
электроустановок» (гл. 3.1, пункт 3.1.11) в части согласованности проводников и
защитных устройств.

Рабочая характеристика
любого защитного устройства, защищающего кабель от перегрузки, должна отвечать
двум следующим условиям

1) I_B£ I_n£ I_Z;

2) I₂£ 1,45×I_Z,

где I_B — рабочий ток цепи;

I_Z— допустимый длительный ток
кабеля;

I_n — номинальный ток
устройства защиты (для устройства защиты с регулируемыми характеристиками
номинальным током I_n является ток выбранной
установки);

I₂ — ток, обеспечивающий
надежное срабатывание устройства защиты, практически I₂ принимают равным:

— току срабатывания при
заданном времени срабатывания для автоматических выключателей;

— току плавления плавкой
вставки при заданном времени срабатывания для предохранителей.

Примечание
— Защита в соответствии с этим пунктом не обеспечивает полной защиты в
некоторых случаях, например от длительного сверхтока, меньшего по значению, чем
I₂, и не всегда обеспечивает экономически целесообразное
решение.

При этом предполагается, что электрическая сеть спроектирована так,
что небольшие перегрузки с большой продолжительностью будут иметь место не
часто.

433.3
Защита проводников, подключенных параллельно

В случае, когда одно и тоже
устройство защиты защищает несколько проводников, подключенных параллельно,
значение длительно допустимого тока этих проводников представляет собой сумму
допустимых токов отдельных проводников при условии, что проводники выбраны так,
что токи в них приблизительно равны.

Это требование может
применяться для кольцевых распределительных сетей.

436 Ограничение сверхтока с помощью характеристик источника питания

Проводники следует считать
защищенными от токов перегрузки и короткого замыкания, если их питание
осуществляется от источника, сопротивление которого таково, что его
максимальный ток не может превысить допустимый длительный ток проводников
(например некоторые трансформаторы для питания звонков, некоторые сварочные
трансформаторы и некоторые типы термопреобразователей).

Ключевые
слова: электроустановки зданий; обеспечение безопасности; защита от сверхтока;
характеристики защитных устройств; устройства защиты от токов перегрузки;
устройства защиты от тока короткого замыкания; отключающая способность; время
отключения полного тока короткого замыкания; согласованность защиты от
перегрузки и защиты от короткого замыкания

Перегрузка по напряжению

Перегрузка по напряжению становится опасной, когда его амплитуда приближается к уровню пробоя полупроводникового элемента (транзистора или диода). Относительно IGBT и MOSFET критическое перенапряжение может воздействовать как на силовые («коллектор–эмиттер», «сток–исток»), так и на сигнальные выводы («затвор–эмиттер», «затвор–сток»). На рис. 2 показаны основные виды перегрузок на силовых терминалах полупроводниковых ключей в классической схеме стойки инвертора.

Рис. 2. Виды перегрузок по напряжению

В любой коммутационной цепи могут присутствовать внешние и внутренние перенапряжения, имеющие разную природу возникновения. «Внешнюю перегрузку» можно рассматривать как динамическое увеличение напряжения коммутации v_K. Такая ситуация может наблюдаться в питающей контактной DC-сети или в любой системе силового питания постоянного тока. Увеличение DC-напряжения вызывается разными причинами, это происходит, например, при динамическом торможении электропривода или сбое в алгоритме управления импульсным выпрямителем.

«Внутреннее перенапряжение», как правило, генерируется при запирании силового ключа, работающего на индуктивную нагрузку L_K (Dv = L_K × di/dt), или возникновении осцилляций на паразитных контурах коммутационных цепей. Вот типовые примеры подобных ситуаций:

Активное отключение тока нагрузки i_L транзисторами S₁ и S₂ при нормальной работе инвертора: в импульсных источниках питания (SMPS) под L_K понимается индуктивность рассеяния трансформатора, которая находится в пределах 1–100 нГн.
Обратное восстановление (di_rr/dt) при пассивном отключении быстрых диодов в режиме жесткой (HS) или плавной коммутации (ZCS). Конвертеры ZCS по принципу своей работы отличаются высокой индуктивностью коммутационной цепи, которая может достигать 10 мкГн.
Высокая скорость отключения тока КЗ (десятки кА/мкс) в 2-уровневых инверторах со звеном постоянного тока.
Активное аварийное отключение тока DC-шины в инверторах тока (Current Source Inverter, CSI).

Кроме указанных причин, перегрузка силового ключа может быть следствием статического или динамического небаланса при последовательном соединении транзисторов. Перенапряжения при нормальной работе преобразователей или в аварийном режиме могут иметь периодический (в диапазоне Гц и кГц) и апериодический характер.

Причины возникновения перенапряжений между сигнальными выводами:

неисправность источника питания драйвера;
обратная связь через емкость Миллера вследствие высокого значения dv/dt (например, в режиме КЗ);
обратная связь по эмиттеру/истоку из-за высокой скорости коммутации di/dt;
рост напряжения на затворе при активном ограничении;
паразитные осцилляции в цепи затвора (колебательный процесс при коммутации силовой цепи, паразитные колебания между затворами параллельных ключей и т. д.).

433 Защита от токов перегрузки

433.1 Общие требования

1) I_B£ I_n£ I_Z;

2) I₂£ 1,45×I_Z,

где I_B — рабочий ток цепи;

I_Z— допустимый длительный ток
кабеля;

I₂ — ток, обеспечивающий
надежное срабатывание устройства защиты, практически I₂ принимают равным:

— току срабатывания при
заданном времени срабатывания для автоматических выключателей;

— току плавления плавкой
вставки при заданном времени срабатывания для предохранителей.

Это требование может
применяться для кольцевых распределительных сетей.

432 Характеристики защитных устройств

Устройства защиты должны
быть соответствующих типов, указанных в .

432.1
Устройства, обеспечивающие защиту от тока
перегрузки и от тока короткого замыкания

Устройства защиты должны,
обеспечивать отключение любого сверхтока до ожидаемого значения тока короткого
замыкания включительно в той точке, где установлено устройство, и
соответствовать требованиям и .

Такими устройствами могут
быть:

— автоматические выключатели
с комбинированным расцепителем;

— плавкие предохранители;

— автоматические выключатели
в сочетании с плавкими предохранителями.

Примечания

1 Плавкий
предохранитель включает все части, составляющие комплект устройства защиты.

2 Применение устройства защиты, отключающая способность которого ниже
значения ожидаемого тока короткого замыкания в месте, где установлено
устройство защиты, предусмотрено в .

432.2 Устройства, обеспечивающие защиту только от токов
перегрузки

Применяют устройства защиты
от токов перегрузки с обратно зависимой от времени токовой характеристикой,
отключающая способность которых может быть ниже ожидаемого значения тока
короткого замыкания в той точке, где установлено устройство. Такие устройства
должны соответствовать требованиям .

432.3 Устройства, обеспечивающие защиту только от тока
короткого замыкания

Устройства защиты от тока
короткого замыкания могут быть установлены в таких местах, где защита от
перегрузки достигается другими средствами или не требуется.

Эти устройства должны
обеспечивать отключение тока короткого замыкания до ожидаемого значения тока
короткого замыкания включительно. Устройства должны соответствовать требованиям
.

Такими устройствами могут
быть:

— автоматические выключатели
с токовой отсечкой;

— плавкие предохранители.

Когда нужна карта селективности?

Обычно карта селективности строится для максимальных токовых защит, а именно для защиты от перегрузки, МТЗ и токовой отсечки (ТО).Несмотря на то, что дистанционные защиты также являются защитами с относительной селективностью, для них карту селективности обычно не строят. Это связано с тем, что селективность этих защит достаточно просто проанализировать по расчету.Максимальные токовые защиты используются, в основном, для присоединений классом напряжения до 110 кВ включительно.Таким образом получаем, что карта селективности должна быть построена для защит сетей 0,4-110 кВ, а именно:

Все защиты сети 0,4 кВ (селективность автоматических выключателей и плавких вставок)
Все защиты сетей 6-10 кВ (кроме дифференциальных защит генераторов и двигателей)
Большая часть сетей 35 кВ (там, где нет дистанционных защит)
Резервные защиты понижающих трансформаторов с высшим напряжением 110 кВ (последний элемент карты селективности)

Сегодня во многих проектах, особенно на напряжении 0,4 кВ, карта селективности отсутствует. Это нарушение норм проектирования, приводящее к неселективным отключениям потребителей.Всегда стройте карту селективности защит, чтобы избежать подобных случаев!

Что такое сверхток?

Сверхток, как известно, — это любой ток, который превышает номинальный. Максимальное его значение на практике можно считать равным току КЗ.

Обычно номинальным током цепи считают номинальный ток «нижнего» по схеме автоматического выключателя, который ограничивает ток в этой цепи. Разумеется, если расчет схемы проведен верно и автоматический выключатель является тем самым слабым звеном, которое разорвет цепь при сверхтоке.

Все значения сверхтока условно делят на две части — ток перегрузки и ток короткого замыкания. Это деление пошло из-за того, что за каждый из этих токов «отвечает» свой расцепитель внутри автоматического выключателя. Током перегрузки принято называть ток, от которого срабатывает тепловой расцепитель (биметаллическая пластина), который работает сравнительно инерционно. Током короткого замыкания называют такие величины сверхтока, при которых защиту цепи обеспечивает электромагнитный (ЭМ) расцепитель, работающий гораздо быстрее теплового.

Следует отличать три понятия — явление короткого замыкания, ток КЗ как измеренный параметр электросети в данной точке и ток КЗ как область работы автоматического выключателя, при котором срабатывает электромагнитный расцепитель. Ох уж эти вольности в терминологии!

Энергетическая селективность

Теория

Координация энергетического типа является специфическим способом обеспечения селективности, который основан на токоограничивающих характеристиках автоматического выключателя в литом корпусе. В условиях КЗ такие АВ имеют чрезвычайно высокое быстродействие (время срабатывания порядка нескольких миллисекунд). Поэтому для анализа данного вида селективности невозможно использовать времятоковые характеристики автоматических выключателей, приведённые в каталогах.«Взаимодействие и поведение двух последовательно установленных токоограничивающих автоматических выключателей в значительной степени зависит как от значения возникающего тока, так и от типоразмера АВ. Поэтому значения предельного тока селективности не могут быть определены конечным пользователем. Специально для решения этой проблемы производители предоставляют так называемые таблицы энергетической селективности и программы расчёта, в которых указаны значения предельного тока селективности Is при КЗ между различными комбинациями АВ, — разъясняет Игорь Мещеряков. — Необходимый объём технических данных, программных средств и устройств для реализации селективности любого уровня сложности может предоставить только производитель автоматических выключателей с широким ассортиментом продукции и значительными ресурсами для проведения испытаний. Ведь во многом для составления таблиц энергетической селективности необходимо именно проведение испытаний, в ходе которых проверяется срабатывание различных автоматических выключателей при КЗ». Энергетическая селективность является основой для построения координации в распределительных щитах, вводных распределительных устройствах (ВРУ) и ГРЩ с номинальными токами от 16 А до 1600 А.

Практический пример

На стороне питания установлен токоограничивающий автоматический выключатель АББ Tmax T5N с электронным расцепителем на 400 А. Исходя из параметров электрической сети для стороны нагрузки был подобран аппарат АББ Tmax XT4N.Расположение аппаратов приведено на рис. 1.Руководствуясь времятоковыми характеристиками автоматических выключателей, приведенными на рис. 3, можно сделать ошибочный вывод, что Is = 6 кА (токовая селективность). В то же время, исходя из таблицы, имеющейся в брошюре АББ «Таблицы координации», которую предоставляет производитель (см. рис. 4), видно, что данная пара выключателей имеет Is = 50 кА. Следовательно, времятоковые характеристики не являются достаточным критерием для определения предельного тока энергетической селективности.Как видно из примера, энергетический вид селективности позволяет получить значительно большие значения предельных токов селективности, чем токовая без завышения уставок защиты от КЗ.

Рис. 3. Времятоковые характеристики автоматических выключателей АББ Tmax XT4 и Tmax T5.

Рис. 4. Таблица координации энергетической селективности автоматических выключателей АББ Tmax XT4 и Tmax T5

Важно заметить, что для реализации энергетической селективности настройки вышестоящего выключателя должны удовлетворять следующим требованиям:

если аппарат имеет термомагнитный расцепитель TMA, то настройка защиты от КЗ должна быть установлена на максимум (10хIn);
если аппарат имеет электронный расцепитель, то защита I должна быть отключена (I3 = OFF);
характеристики срабатывания выключателей не должны иметь пересечений.

432 Характеристики защитных устройств

Устройства защиты должны
быть соответствующих типов, указанных в .

432.1
Устройства, обеспечивающие защиту от тока
перегрузки и от тока короткого замыкания

Такими устройствами могут
быть:

— автоматические выключатели
с комбинированным расцепителем;

— плавкие предохранители;

— автоматические выключатели
в сочетании с плавкими предохранителями.

Примечания

1 Плавкий
предохранитель включает все части, составляющие комплект устройства защиты.

432.2 Устройства, обеспечивающие защиту только от токов
перегрузки

432.3 Устройства, обеспечивающие защиту только от тока
короткого замыкания

Такими устройствами могут
быть:

— автоматические выключатели
с токовой отсечкой;

— плавкие предохранители.

Выбор тока срабатывания защиты МТЗ

Выбор осуществляется с расчетом, чтобы установка уверенно срабатывала при повреждающих воздействиях, но не проявляла активности при недолгих толчках (к примеру, когда запускается электродвигатель) или высоком токе нагрузки. Дифференциация последнего от ситуации, когда должна активизироваться защита, является основной задачей. Также установка не должна быть излишне восприимчивой, иначе цепь будет отключаться, когда это не нужно.

Должны соблюдаться условия:

реле не должны активизироваться нагрузочным током, поэтому параметр, при котором срабатывает МТЗ, должен быть больше максимального нагрузочного показателя;
возвратный ток реле должен превышать нагрузочное значение, идущее по защите после окончания замыкания – это нужно для возврата реле в начальное положение.

431 Общие требования

Проводники в
электроустановках, находящиеся под напряжением, должны быть защищены одним или
несколькими устройствами автоматического отключения питающего напряжения в
случае перегрузки и коротких замыканий, за исключением случаев, когда сверхток
ограничивается в соответствии с . Кроме того, защита от перегрузки и
короткого замыкания должна соответствовать требованиям .

Примечания

1 Проводники,
находящиеся под напряжением, защищенные от перегрузки в соответствии с , считают защищенными
также и от повреждений, в результате которых могут возникнуть сверхтоки, не
превышающие значений токов перегрузки.

2 Защита проводников в соответствии с настоящим стандартом не
обязательно гарантирует защиту оборудования, присоединяемого к проводникам.

435 Согласование защиты от перегрузки и защиты от короткого замыкания

435.1 Защита посредством общего устройства

Если устройство защиты от
перегрузки соответствует требованиям и имеет отключающую способность не меньшую,
чем значение ожидаемого тока короткого замыкания в месте, где оно установлено,
то считают, что это устройство также обеспечивает защиту проводника,
расположенного на стороне потребителя, от токов короткого замыкания.

Примечание — Это
положение может не иметь силы для всего диапазона токов короткого замыкания;
проверку осуществляют в соответствии с требованиями .

435.2 Защита посредством отдельных устройств

Требования и относятся к устройству защиты
от перегрузки и к устройству защиты от короткого замыкания соответственно.

Характеристики этих
устройств должны быть согласованы таким образом, чтобы сквозная мощность
короткого замыкания не превышала значение, которое может выдержать, устройство
защиты от перегрузки.