Ограничение тока короткого замыкания автоматическими выключателями

В главных распределительных устройствах НН, питаемых непосредственно от понижающего трансформатора, ток КЗ может превосходить в 20 и более раз номинальный ток автоматического выключателя. Этот выключатель часто называют головным. Для выключателей, устанавливаемых на отходящих линиях, номинальные токи естественно меньше, чем на вышестоящем головном выключателе. При этом уровень токов КЗ для выключателей отходящих линий практически не отличается от токов КЗ головного аппарата. Тогда ток КЗ может достигать 100-кратных значений. Для снижения термического и электродинамического действий столь высоких значений токов применяют токоограничивающие автоматические выключатели.

Токоограничение автоматическими выключателями при КЗ создается за счет сопротивления электрической дуги, возникающей в момент размыкания контактов аппарата. Но для эффективного токоограничения размыкание контактов аппарата должно возникать еще до того, как ток КЗ достигнет своего амплитудного значения, т. е. уже в первом нолунериоде. Такое быстрое размыкание контактов осуществляется за счет отталкивания контактов электромагнитными силами Ампера, создаваемыми при взаимодействии тока с магнитным полем близлежащих элементов токоировода в аппарате. В автоматических выключателях с номинальными токами, не превосходящими 150 А, подвижный контакт при КЗ может быть отброшен от неподвижного непосредственным ударом якоря электромагнитного расцепителя мгновенного действия по рычагу, несущему подвижный контакт.

Эффект токоограничения приводит к тому, что реальное пиковое значение тока КЗ становится много меньше ожидаемого значения. Это улучшает электродинамическую стойкость всех элементов сети и самого выключателя. Пример зависимостей ударного тока КЗ от ожидаемого действующего значения тока КЗ приведен на рис. 2.6.

Вместе с тем, и значение интеграла Джоуля за время протекания тока КЗ сокращается во много раз, так как время протекания тока становится меньше одного нолупериода. Ограничение значения интеграла Джоуля за время отключения физически означает ограничение энергии, выделившейся за время КЗ в межконтактном промежутке (т.е. в электрической дуге) и во всех токоведущих элементах как сети, так и автоматического выключателя. Пример зависимостей интеграла Джоуля КЗ от ожидаемого действующего значения тока КЗ приведен на рис. 2.7.

Рис. 2.6. Ограничение ударного тока КЗ автоматическими выключателями:

1 — выключатель с номинальным током 1000 А; 2 — выключатель с номинальным током 2500 А; 3 — аппараты без токоограничения.

Рис. 2.7. Ограничение значения интеграла Джоуля режима КЗ автоматическими выключателями:

1 — выключатель с номинальным током 1000 А; 2 — выключатель с номинальным током 2500 А; 3 — аппараты без токоограничения Номинальные и наибольшие параметры автоматических выключателей. Среди многочисленных возможных параметров для автоматических выключателей важнейшими являются номинальное напряжение U_n и номинальный ток 1_п. Эти значения не являются обязательными в эксплуатации. Реально автоматический выключатель может использоваться и при меньших значениях напряжения. Так, выключатель с U_n = 690 В может эксплуатироваться в сети с рабочим напряжением 400 В. Такое напряжение называют рабочим напряжением. При работе в условиях повышенной окружающей температуры или при работе на большой высоте над уровнем моря выключатель не следует эксплуатировать при номинальном токе. Ток, определяемый условиями эксплуатации, называют рабочим током. Рабочие (или эксплуатационные) значения напряжения и тока обозначают U_e и 1_е.

Способность автоматического выключателя выполнять свое назначение в условиях протекания тока КЗ характеризуют наибольшими параметрами. К их числу относится, в частности, наибольший кратковременный ток 1^. Такой ток в условиях КЗ автоматический выключатель должен пропускать (без отключения самим выключателем) в течение заданного короткого промежутка времени. Обычно этот ток задают для времени действия 1 с. Тогда его называют односекундным током.

Конечно, для автоматического выключателя важно знать и то значение тока КЗ, которое возможно в процессе коммутации им этого тока. Этот ток называют током наибольшей коммутационной способности. Ток, который автоматический выключатель в состоянии отключить однократно, но может стать после этого непригодным к немедленному включению, называют током предельной наибольшей отключающей способности и обозначают 1_си.

Но в эксплуатации важно знать ток КЗ, который автоматический выключатель может отключить неоднократно, оставаясь пригодным для дальнейшей эксплуатации. Если такой ток выключатель может отключить подряд трижды, то его значение — ток наибольшей эксплуатационной отключающей способности. Его обозначают I_cs и задают обычно в процентах от 1_си. Вместе эти токи характеризуют отключающую способность автоматического выключателя.

Вопросы практики

Отключающая способность современных автоматических выключателей может быть от нескольких единиц до сотен килоампер. Выключатель одного и того же номинального тока может иметь разные значения отключающий способности. Наивысшие значения отключающей способности свойственны токоограиичивающим автоматическим выключателям. Указываемые при этом значения токов 1_си являются лишь ожидаемыми действующими значениями. Эти значения никогда не достигаются в процессе отключения тока КЗ, потому что в действие вступает ограничение тока сопротивлением электрической дуги.

Если при отключенном выключателе в защищаемой им цепи существует короткое замыкание, то включение автоматического выключателя происходит б условиях возникновения (хотя бы в одной из фаз) ударного тока в первом полунериоде переходного процесса. Этот ток может в полтора-два раза превосходить действующее значение ожидаемого тока КЗ, и в момент замыкания контактов возможен их отброс электромагнитными силами с последующим замыканием. При этом из-за электрической дуги, возникающей при отбросе контактов, контакты могут частично расплавиться и при последующем замыкании свариться. Способность выключателя противостоять действию ударного тока КЗ характеризуют током наибольшей включающей способности 1_ст.

В соответствии с современными стандартами значение 1_ст задается изготовителем как максимальный ожидаемый пиковый ток, который аппарат может удовлетворительно включать в установленных условиях включения.

Вопросы практики

Понятие включающей способности может применяться и к другим условиям включения, а не только к условиям включения па существующее КЗ. В частности, опасные режимы включения возникают и при включении асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, особенно при их реверсировании. Такие токи во многом определяют категорию применения контакторов (см. гл. 3).