Защита сетей автоматическими выключателями. Виды защит

Самым распространённым устройством защиты можно по праву назвать автоматический выключатель. Основанный на простых физических принципах с годами он совершенствовался и на сегодняшний день по насыщенности функционала подбирается к микропроцессорным устройствам защит.

Совершенствование устройства повлекло увеличение разнообразия реализуемых им защит. Оснащённые микропроцессорными блоками, современные автоматические выключатели могут заставить призадуматься о том, как правильно выставить уставки присоединения. Поэтому цель данной публикации — развеять оторопь из-за неуверенности в теории защит, реализуемых автоматическими выключателями.

Хочу предупредить читателя, что все приведённые здесь время-токовые характеристике условны. Их не нужно использовать как руководство при работе со всеми выключателями. Нужно понимать, что на каждый конкретный автоматический выключатель производитель приводит его время-токовые характеристики в паспорте или руководстве по эксплуатации. Все приведённые здесь характеристики нужны лишь для понимания теории работы.

Классификация автоматических выключателей

Согласно ГОСТ 60898-1-2020 автоматические выключатели классифицируются по признакам:

• По роду тока:
• Переменного тока;
• Постоянного тока;
• По числу полюсов:
• Однополюсные;
• Двухполюсные с одним защищённым полюсом;
• Двухполюсные с двумя защищёнными полюсами;
• Трехполюсные с тремя защищёнными полюсами;
• Четырёхполюсные с тремя защищёнными полюсами;
• Четырёхполюсные с четырьмя защищёнными полюсами.
• По току мгновенного расцепления:
• Типа B;
• Типа C;
• Типа D.
• По способу монтажа:
• Настенного типа;
• Утопленного типа;
• Панельно-щитового типа для установки в распределительных шкафах.
• По току максимального расцепления;
  
• По конструктивному исполнению:
• Компактные автоматические выключатели (MCB — Miniature Circuit Breaker) — автоматически выключатели с отключающей способностью токов до 10 кА;
• Выключатели в литом корпусе (MCCB — Molded Case Circuit Breaker) — автоматические выключатели с большой отключающей способностью от 10 кА до 200 кА;
• Воздушные автоматические выключатели (ACB — Air Circuit Breaker) — автоматические выключатели, используемые в качестве первичных вводных и секционных выключателей в КТП и РУ-0,4 кВ.
  
• Мотор-автоматы (MPCB — Motor Protection Circuit Breaker) — автоматические выключатели для защиты электродвигателей со встроенным тепловым реле;
• Устройство защиты от утечек (RCD — Residual-current device) — подтип выключателей, оснащённых защитой от утечки тока (дифференциальной защитой) состоит из подтипов:
• Устройство защитного отключения УЗО (RCCB — Residual-current circuit breaker) — выключатель, оснащённый только дифференциальной защитой (защитой от утечки);
• Дифференциальный автомат АВДТ (RCCO — Residual-current circuit breaker with overcurrent protection) — выключатель, сочетающий в себе и функцию дифференциальной защиты, и функцию защиты от сверхтоков и токов перегрузки.
  

По принципу действия расцепителей автоматические выключатели делятся на несколько классов:

• Электромагнитные;
• Тепловые;
• Комбинированные: с тепловым и электромагнитным расцепителем;
• Дифференциальные;
  
• Микропроцессорные.

Это далеко не полный список признаков, по которым можно классифицировать автоматические выключатели.

Автоматические выключатели с простыми расцепителями

Независимая характеристика срабатывания

Самая простая из защит, реализованная по электромагнитному принципу, суть которого заключается в подрыве "защёлки" автомата за счёт резкого изменения (ударного) тока выше заданной уставки. Как правило, такие защиты основаны на возникновении самоиндукции в катушках из нескольких витков, установленных в главной цепи автомата. Время-токовая характеристика такого автомата выглядит таким образом:

На таком принципе строятся отсечки. По характеристике видно, что пока величина тока не превысит 5I_НОМ, никакого отключения автоматического выключателя не произойдёт. Такие автоматические выключатели применяются в сетях, где не требуется выполнять защиту от перегрузки, только от короткого замыкания.

Обратнозависимая время-токовая характеристика

Но есть категория электрооборудования, которая может работать с перегрузками во время включения или в процессе работы. Его тоже нужно как-то защищать. Логично и правильно защищать потребитель по принципу чем выше ток, тем быстрее нужно его отключить. Инженеры давно это поняли, поэтому выпускаются автоматические выключатели с обратнозависимой время-токовой характеристикой.

Традиционно, основана эта защита на нагреве биметаллической пластины. Чем выше протекает через неё ток, тем быстрее она срабатывает (выгибается) и воздействует на расцепитель. Зависимость величины времени срабатывания от величины тока через пластину имеет обратнозависимую кривую.

Форма обратнозависимой кривой подчинена закону интеграла Джоуля (I²t) — это условная величина, показывающая, какое количество тепловой энергии выделится на участке цепи за время t при действии тока I до отключения этой цепи. Суть его заключается в том, что если взять за постоянную некую величину выделяемой тепловой энергии E=I²t, то при большем токе потребуется меньше времени, а при меньшем токе — больше времени на одно и то же количества тепла. Например, нам нужно, чтобы до отключения цепи выделилось не больше E=1 [А²с] тепла. Тогда, принимая, что E=1=const, получаем зависимость:

По этой кривой очевидно то, что какую бы точку на ней мы ни взяли, выделяемая энергия будет равна E=1. Т. е., при токе I=0,5 А потребуется время t=4 с, чтобы получить E=1; при токе 1 А уже потребуется 1 c, чтобы получить E=1; при токе 2 А время затраченное на выделение энергии E=1 составит всего 0,25 с; и т. д.

На практике используют характеристику совмещённую, в которой есть и отсечка, и обратнозависимая характеристика.

Зону действия обратнозависимой характеристики принято называть зоной перегрузки или тепловой защитой: от 1,1∙I_НОМ до I_ОТС. Зона тепловой защиты или перегрузки нужна для того, чтобы терпеть высокий ток (но в пределах этой зоны) с надеждой на то, что через определённое время, меньшее, чем время срабатывания, он вернётся в зону несрабатывания (т. е. в зелёную зону), а оборудование, которое защищается этим автоматом, войдёт в номинальный режим работы. Ток перегрузки — это тот ток, который оборудование и кабельная линия может выдержать какое-то время без повреждения за счёт своей перегрузочной способности. Т. е. нагрев токоведущих частей и изоляции не достигнет такого значения, когда произойдёт её разрушение. Очевидно, что чем больше ток, тем быстрее идёт нагрев, поэтому характеристика перегрузки обратнозависимая: чем больше ток, тем меньше выдержка времени на отключение.

Зона отсечки — совсем другое дело. Здесь ток достигает таких значений, что его нужно как можно быстрее отключить без надежды на его возврат в номинальный режим, чтобы исключить повреждение оборудования. На рисунке это зона от I_ОТС и до бесконечности вправо. Время отключения в этой зоне — это время собственной работы электромеханики расцепителя.

Но объекты защиты могут быть разными, следовательно, и характеристики должны быть разными. Например, двигатели при включении допускают довольно длительную перегрузку при превышающих номинал токах. А вот для сети освещения на светодиодных лампах такие перегрузки не свойственны, поэтому защитное отключение должно произойти при меньших значениях токов.

Производители автоматических выключателей приводят время-токовые характеристики на автоматы не как одну кривую, а как диапазон срабатывания. Меньшее значение времени срабатывания соответствует предварительно нагретому состоянию автомата токами нагрузки, а большее значение времени срабатывания — холодному состоянию автомата (когда он остыл до какой-то регламентированной температуры и после этого был включен на аварийный ток):

• Характеристика В: Предназначена для защиты преимущественно резистивных нагрузок или нагрузок с низким реактивным сопротивлением. Срабатывание отсечки находится в пределах от (3..5)·I_НОМ. Подходит для защиты сетей освещения или проводки в доме, а так же любой нагрузки имеющей минимальный бросок тока при включении;
  
• Характеристика C: Самая распространённая характеристика с отсечкой (5..10)·I_НОМ, применяется для защиты распределительных сетей или потребителей с существенной индуктивностью, такие как электродвигатели или трансформаторы, которые имеют существенный бросок тока при включении.
  
• Характеристика D: Имеет диапазон срабатывания отсечки (10..20)·I_НОМ. Применяется для защиты потребителей, работающих в тяжёлых условиях: при тяжёлых пусках электродвигателей, для питания сварочных аппаратов и т. п.;
  

Реже встречающиеся характеристики срабатывания:

• Характеристика A: Предназначена для защиты чувствительных устройств. Срабатывание отсечки происходит в диапазоне от (2..3)·I_НОМ.
• Характеристика Z: Быстродействующая характеристика, предназначена для защиты полупроводниковых приборов или электронных компонентов. Диапазон срабатывания (2..3)·I_НОМ. Пытливый ум заметит, что такой же диапазон имеет характеристики A. Тогда в чём отличие характеристики Z от характеристики A, если у них одинаковые кратности срабатывания отсечки? Автомат с характеристикой Z отключится быстрее, чем с характеристикой A в зоне перегрузки. Минимальное время отключения для автомата с характеристикой A составляет более 20 с, в то время, как минимальное время отключения с характеристикой Z составит не более 8 с.
  
• Характеристика K: Имеет кратность отключения (10..14)·I_НОМ. Предназначена для защиты потребителей с большими пусковыми токами.

Специальные автоматы для защиты электродвигателей (мотор-автоматы)

Суть защиты, применённая в мотор-автоматах перекочевала из защит тепловыми реле (или реле перегрузки). Мотор-автоматы — это специальные автоматические выключатели, в которые встроена защита, применяемая в тепловых реле. Тепловые реле это отдельная обширная тема, которую мы обязательно рассмотрим. Но предлагаю затронуть её здесь в том объёме, который достаточен для понимания работы мотор-автоматов.

В основном, существует два стандарта, определяющих характеристику реле перегрузки: европейский IEC 60947-4-1 и Северо-Американский NEMA MG-1. Оба эти стандарта опираются на контрольную величину тока, при которой происходит гарантированное срабатывание за условленное время. Величиной этого тока является, так называемый, ток заклинивания ротора — 7,2·I_R для IEC и 6·I_R для NEMA. Здесь I_R — номинальный ток (rated current) двигателя, выставляемый на автоматическом выключателе или тепловом реле. До значения 1,05·I_R действие теплового расцепителя не происходит, а при 1,2·I_R действие теплового расцепителя произойдёт не позже, чем через 2 часа. Обозначается:

Class XY

где X - значение времени гарантированного отключения из стандартного ряда, а Y - поддиапазон стандартного ряда.

Например, обозначение Class 10 говорит о том, что при токе заклинивания ротора (7,2·I_R для IEC или 6·I_R для NEMA) защита гарантированно отработает не раньше 4 и не позже 10 секунд, а для Class 10A диапазон срабатывания: от 2 до 10 секунд.

В таблице ниже сведены характеристики и данные по времени отключения для различных стандартов:

Характеристика мотор-автомата имеет такой же обратнозависимый от тока характер, как и рассмотренная до этого I²t.

Дифференциальная защита или защита от утечки тока

Если автоматический выключатель оснащается органом дифференциальной защиты, то он становится дифференциальным автоматическим выключателем (диф. автомат). Если устройство имеет только дифференциальную защиту (без отсечки и теплового расцепителя), то это устройство называется УЗО — устройство защитного отключения.

Принцип работы дифференциальной защиты основан на соблюдении баланса тока, протекаемого через устройство: специальный чувствительный датчик тока (ДДТ) устанавливается таким образом, что через него проходят все полюса. Когда нет повреждения изоляции, ток от источника протекает через нагрузку и возвращается в источник по другим фазам и, если нагрузка несимметричная, то ещё и через нулевой проводник. Конструктивно датчик тока устроен так, что суммирует входящий и выходящий токи. Сумма этих токов должна быть равна нулю. Если происходит повреждение изоляции (как показано в фазе "С"), то ток повреждённой фазы находит обводной путь для возврата к источнику, и баланс суммы токов нарушается на величину этого обводного тока — I_Δn. Если величина обводного тока превысит уставку дифференциальной защиты, произойдёт мгновенное отключение выключателя.

Особенность дифференциальной защиты автомата в том, что она не защищает от междуфазного замыкания, при котором отсутствует утечка. Для дифференциальной защиты это "нормальный" режим работы. Но так как на рисунке дифференциальный автомат, имеющий защиту от короткого замыкания и перегрузки, то аварийный режим будет устранён этими защитами. Это ключевое отличие дифференциального автомата от УЗО: в УЗО нет защиты от междуфазного замыкания, оно его не отключит.

Что еще нужно знать про дифференциальную защиту?

Бегло рассмотрим, что ещё нужно знать про дифференциальные автоматы и УЗО. Первое, с чего следует начать — это то, что дифференциальный расцепитель бывает двух видов: электронный и электромеханический. Существует еще комбинированный тип, содержащий в себе оба этих типа.

Существование этих двух принципов работы расцепителей порождает различные типы органов, реагирующий на дифференциальный ток:

• Тип AC: Орган расцепителя, реагирующий надёжно на синусоидальный ток утечки. Применяется такой тип расцепителя для нагрузок не имеющих выпрямителей или преобразователей, на выходе которых возможно возникновение тока утечки. Это как правило простые линейные нагрузки типа тэнов, трансформаторов, ламп накаливания, обмоток электродвигателей. УЗО данного типа так же не сработает, если частота токов утечки отличается от номинального 50/60 Гц.
  
• Тип A: В добавление к типу AC, тип A уже способен реагировать на пульсирующий после однополупериодного выпрямления ток и даже на постоянный, величина которого не менее 6 мА. УЗО такого типа применяется с нагрузками имеющими в своём составе выпрямительные устройства.
• Тип F: Усовершенствование типа A, наделённое свойством реагировать на токи утечки частотой до 1 кГц. Вполне способен реагировать на утечки возникающие в цепях питания однофазными частотными преобразователями нагрузки. Отлично подойдёт для питания, например, вентиляторов со встроенными регуляторами скорости, применяемыми в вентиляционных системах. Сработает на утечку постоянного тока величиной не менее 10 мА.
  
• Тип В: В этом типе к функциям типа F добавлены возможности реагировать на выпрямленный ток и токи утечки частотой до 2 кГц. Несмотря на это, применение их ограничено трёхфазными сетями частотой 50/60 Гц, питающими выпрямительные устройства или преобразователи частоты. Они не могут устанавливаться в сетях постоянного тока и на выходах преобразователей частоты.
  
• Тип B+: Эволюционное развитие типа B, в котором диапазон частоты токов утечки расширен до 20 кГц. Устройство типа B+ сработает в указанном диапазоне при токе не превышающем 420 мА.
  

Эти факторы нужно учитывать, чтобы понимать правильность подбора УЗО или дифференциального автомата питаемой им нагрузке.

Микропроцессорные блоки защиты и усложнение характеристики

Рассмотренные выше время-токовые характеристики имеют строго определённую форму, чтобы её поменять, нужно поменять сам автомат. Появление микропроцессорных блоков защиты автоматических выключателей позволило усложнять и гибче подстраивать форму этих характеристик. Рассмотрим каждую из них последовательно. Но прежде, определимся с обозначениями уставок, применяемыми для настройки характеристик.

Настраиваемый рабочий ток потребителя I_R

Начнём с уже знакомой нам характеристики, состоящей из зоны перегрузки и зоны отсечки.

Любой автоматический выключатель имеет номинальный ток (I_НОМ или I_n). Это максимальный рабочий ток автомата, превышение которого запускает тепловую защиту. Он является базовым и неизменным. Номинальный ток берётся из стандартного ряда, например, 1, 2, 4, 6, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 120, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 А и так далее. Как мы видим, чем выше номинальный ток, тем больше разница между соседними типоразмерами (70 А между 250-ю и 320-ю, 80 А между 320-ю и 400-ми и так далее). А что если рабочий ток нашего потребителя 560 А? Автомат на 500 А будет маловат, а 630 А — будет слишком загрублен для тепловой защиты (напомню, что тепловая защита запустится только при 1,1∙630 = 693 А, то есть сверх 173 А рабочего тока).

Для того, чтобы приблизить ток уставки тепловой защиты к реальном рабочему току потребителя вводится ток I_R (rated), который может регулироваться вниз от номинального тока In в определённом диапазоне, например: I_R = 0,4...1∙I_n. Для автомата в 630 А ток I_R будет в диапазоне от 252 до 630 А. Таким образом, границу срабатывания зоны перегрузки можно приблизить как можно ближе к нашему рабочему току 520 А.

Отсечка без выдержки времени I_i

Символами I_i, как можно догадаться, обозначается предел срабатывания тока отсечки без выдержки времени.

Регулировка наклона перегрузочной характеристики при 6∙I_R

Для того, чтобы изменять наклон кривой время-токовой характеристики в области перегрузки часто используется такой параметр как время срабатывания при токе 6∙I_R. Это опорная точка, высоту которой определяет время срабатывания при 6-ти кратном рабочем токе. Физический смысл этого параметра — выдержка времени при заклинивании ротора асинхронного двигателя. Так как его пусковой ток находится в пределах 5...8∙I_НОМ. двигателя. В этой точке удобно оценить время выдержки перед отключением, если при включении ротор двигателя оказался заклинен. Уставка эта прижилась не только для двигательных нагрузок.

Токовая отсечка с выдержкой времени I_SD

Не всегда от токовой отсечки требуется мгновенная работа. Иногда нужно, чтобы отсечка немного "подождала". Чтобы при возникновении короткого замыкания по цепи вверх не отключались все автоматы (потому что ток замыкания может быть таким, что сделает неравнодушным отсечки двух, а то и трёх вышестоящих автоматов), требуется обеспечить селективность по времени. Как правило, выдержки времени таких отсечек не превышают 1 с. Отсечку с выдержкой времени обозначают I_SD, а время её работы t_SD.

Отсечка с выдержкой времени на некоторых выключателях может быть выбрана из вариантов независимой от тока или обратнозависимой от тока (по закону I²t).

Отсечку с выдержкой времени наделяют еще одной функцией — ускорением при включении. Суть его работы такова, что при включении выключателя на короткое замыкание происходит отключение без выдержки времени (мгновенно). Если выключатель уже был включён, а ток короткого замыкания возник в процессе работы, то срабатывает выдержка времени t_SD.

Защита от однофазного замыкания на "землю" I_g

На сложных автоматических выключателях с электронным расцепителем выделяют отдельно защиту от однофазных замыканий на землю, потому что сама эта защита имеет несколько реализаций:

С контролем тока фаз.

Контроль тока однофазного замыкания от суммы токов всех фаз — 3I_o = I_a+I_b+I_c. При появлении тока 3I_o, превышающего уставку — автомат срабатывает с выдержкой времени.

С трансформатором тока в нулевом проводе.

В нулевом проводе устанавливается трансформатор тока, сигнал от которого поступает в автоматический выключатель. На основании этого сигнала происходит отключение автомата. Эта защита применяется в тех случаях, когда есть вероятность, что однофазные нагрузки могут превысить допустимый предел тока симметричной работы трансформатора. В иностранной литературе защиту называют ENCT — External Neutral Current Transformer.

С трансформатором тока в заземляющем проводе трансформатора.

Защита применяется от внутренних замыканий на кожух в трансформаторе и в токопроводе от трансформатора до вводного выключателя. В иностранной литературе называется SGR — Source Ground Return, у нас её называют Специальная Защита Нулевой Последовательности.

Защита от однофазного замыкания на "землю" имеет свою характеристику срабатывания. Она довольно простая и состоит из одного защитного элемента, потому что уже не требует отстройки от нагрузки. Она может быть независимая или обратнозависимая.

Защита от утечек на "землю" I_Δn

В системах заземления типа IT или TT токи короткого замыкания на "землю" не достигают существенных величин, но могут быть опасны для оборудования или персонала. В этих случаях применяется защита от утечек на "землю" по принципу УЗО: контролируется ток всех трёх фаз и нулевого провода. При возникновения небаланса тока, превышающего величину заданной уставки I_Δn, происходит срабатывание за время t_Δn. Как правило, защита имеет высочайшую чувствительность и выполняется независимой от тока характеристикой.

Защита ZSI — аналог ЛЗШ

Компания Schneider Electric предлагает усовершенствование для своих автоматических выключателей — защиту ZSI (Zone Selective Interlocking). Суть её заключается в обеспечении селективности срабатывания защит за счёт блокировки нижестоящими выключателями защит вышестоящих.

Из схемы выше видно, что между выключателями должны быть проложены связи. В настройках самого выключателя необходимо выбрать, какая из защит будет блокироваться от ZSI. Это может быть отсечка с выдержкой времени I_SD, или защита от замыкания на  "землю" I_g, или обе сразу.

Когда возникает замыкание в точке K₂, то выключатель QF1.1 посылает блокирующий сигнал на вышестоящий выключатель QF. Если у самого QF1.1 отсутствует блокирующий сигнал от QF2.1 (а он будет отсутствовать при замыкании в точке K₂), то выключатель QF1.1 отключиться без выдержки времени t_SD (т. е. мгновенно). У выключателя QF запустится выдержка времени t_SD = 0.3 c. Если за это время аварийный режим не устраняется, то через 0.3 с отключится выключатель QF резервируя выключатель QF1.1.

При возникновении замыкания в точке К₁ (что равносильно замыканию на распределительных шинах), аварию нужно устранить немедленно. Выключатель QF отключиться без выдержки времени, потому что ни от QF1.1, ни от QF1.2 не приходит блокирующий сигнал.

Релейщики увидят, что это ничто иное, как аналог логической защиты шин, применяемой в сетях среднего напряжения. Защита ZSI превращает токовую отсечку с выдержкой времени в токовую отсечку без выдержки времени в зоне короткого замыкания, т. е. селективно.

Графические обозначения автоматических выключателей

Какие защиты реализованы в автомате, можно узнать из руководства по эксплуатации на автомат. Но очень часто производители облегчают задачу и наносят на автомат условное графическое обозначение, по которому легко понять, в каких полюсах какие защиты реализованы.

Графические обозначения дифференциальных автоматов обширны и разнообразны. Главное в них понимать, где установлен датчик дифференциального тока и отличие электромеханического от электронного.

На графическом обозначении дифференциального автомата с электронным расцепителем показывают электронные компоненты: усилитель с датчика тока (треугольник) и исполнительный орган, воздействующий на механизм отключения автомата (квадрат). Обратите внимание, что треугольник имеет цепи питания непосредственно от полюсов автомата. Петлёй вокруг полюсов показан датчик дифференциального тока. Он, кстати говоря, может быть как сверху, так и снизу — в зависимости от конструктивного исполнения конкретного производителя. Кнопка с резистором указывает на наличие схемы проверки работоспособности устройства от кнопки "Тест".

Электромеханический расцепитель показан как орган максимального тока (I>), непосредственно подсоединённый к датчику дифференциального тока — петле вокруг полюсов. Орган максимального тока воздействует на механизм расцепления автомата.

Условное графическое обозначение устройства защитного отключения аналогично обозначению дифференциального автомата за исключением того, что в полюсах отсутствуют обозначения органов токовой отсечки и тепловой защиты.