Электрораспределительных устройств

Аппаратуру электрораспределительных устройств выбирают по номинальному напряжению, номинальному току и конструктивному исполнению. Необходимо, чтобы выполнялись условия:

где U_{уст ном} – номинальное напряжение установки, В;

U_{ап ном} – номинальное напряжение аппарата, В;

I_{н mах} – максимальный длительный ток нагрузки в сети, А;

I_{ап ном} – номинальный ток аппарата, А.

По конструктивному исполнению аппараты выбирают так, чтобы они могли надежно работать в специфических условиях данной электрической установки. Аппарат, выбранный по номинальным характеристикам, должен быть проверен на термическую и динамическую стойкость.

Выбор аппаратуры ЭРУ заключается в подборе электроизмерительных приборов, устройств управления и сигнализации, определении номинальных токов плавких вставок и уставок автоматических выключателей и в подборе аппаратуры защиты (например реле).

Выбор электроизмерительных устройств.При выборе этих устройств следует определить их тип, систему механизма и число измерительных приборов, подобрать верхние пределы измерения их шкал, а также устройства для расширения при необходимости пределов измерения.

Правила Речного Регистра требуют применять электроизмерительные приборы с пределом шкал не менее следующих:

– вольтметры – 120% номинального напряжения;

– амперметры для генераторов, не работающих параллельно, и приемников – 130% номинального тока;

– амперметры для генераторов, работающих параллельно, шкала тока нагрузки – 130% номинального; шкала обратного тока – 15% номинального;

– ваттметры для генераторов, работающих параллельно, для мощности нагрузки – 130% номинальной, для обратной мощности – 15% номинальной;

– частотомеры – ± 10% номинальной частоты.

Номинальные значения напряжения, тока и мощности генераторов должны быть отмечены на шкалах электроизмерительных приборов ясно видимыми знаками. По требованию Речного Регистра подобные знаки могут быть нанесены на шкалы других приборов.

Выбор предохранителей.Для цепей со статической нагрузкой (например, освещение, нагревательные приборы и т. д.) плавкую вставку выбирают из условия

где I_{ном пл в} – номинальный ток плавкой вставки предохранителя;

I_ном – номинальный ток потребителя (фидера).

Для защиты цепей с динамической нагрузкой, при включении которой происходит изменение тока (например электродвигатели), плавкую вставку выбирают с учетом пусковых токов. Например, при питании одного электродвигателя ток плавкой вставки определяют по выражению

где k_пуск – коэффициент, учитывающий кратность пускового тока;

I_{ном д} – номинальный ток электродвигателя;

α – коэффициент, учитывающий продолжительность пуска электродвигателя (при нормальных условиях пуска для предохранителей типов ПД и ПДС на номинальные токи до 160 А при времени пуска 8 с принимают α = 2,5, при пуске более 10 с α = 1,6–2,0. Предел коэффициента α = 1,6–3,2).

Для фидеров электродвигателей необходимо, чтобы выбранный предохранитель был отстроен от ложных срабатываний при пуске электродвигателей, то есть должно выполняться условие

t_{пл в} > t_п,

где t_{пл в} – время перегорания плавкой вставки;

t_п– время пуска электродвигателя.

При питании п электродвигателей плавкую вставку выбирают из условия, что двигатель с наибольшим значением пускового тока находится в пусковом режиме, а остальные – в нормальном рабочем режиме. Тогда максимально возможный ток цепи

Imах = kпуск Iном д + kо ,

(109)

где k_пуск – коэффициент, определяющий кратность пускового тока;

k_о – суммарный рабочий ток п – 1 электродвигателей с учетом коэффициентов одновременности k_ои загрузки k₃.

Ток плавкой вставки при п двигателях в цепи находят из двух условий:

Iпл в = ; I'пл в = k'о ;

(110)

здесь k'_о– коэффициент одновременности работы электродвигателей.

Плавкую вставку выбирают по большему из этих двух токов исходя из условия

Номинальный ток предохранителя определяют по номинальному току выбранной плавкой вставки. Напомним, что номинальные токи некоторых типов предохранителей отличаются от номинальных токов плавких вставок.

Затем проверяют предохранитель на разрывную способность. Под разрывной способностью предохранителя понимается такой предельный ток i_доп, который предохранитель способен разорвать без выброса пламени и дыма, без механического разрушения патрона, контактной системы и других частей, что может воспрепятствовать дальнейшей исправной работе предохранителя после смены плавкой вставки. При этом должно выполняться условие

где i_расч – расчетное значение ударного тока КЗ в системах переменного тока или максимальное значение тока КЗ в системах постоянного тока.

Выбор автоматических выключателей.Выбор автоматических выключателей по рабочему току аналогичен выбору предохранителей. Вначале выбирают номинальный ток максимального расцепителя, а затем – номинальный ток выключателя.

Номинальные токи расцепителей автоматических выключателей I_{ном р}, включенных в различные питающие линии (фидеры), выбирают по расчетным рабочим токам этих линий i_расч исходя из условия:

Номинальный ток расцепителя секционного выключателя и выключателя перемычки находят из условия I_{ном р} I_раб (где I_раб – расчетное значение длительного рабочего тока, проходящего через выключатель в режиме, когда значение указанного тока максимально).

Номинальный ток расцепителя выключателя фидеров групповых щитов следует определять для наиболее загруженного режима:

Iном р ≥ Iф = kо ,

(113)

где I_ф – расчетный ток фидера;

k_о– коэффициент одновременности работы потребителей;

k_{з i} – соответственно номинальный ток и коэффициент загрузки i-го потребителя;

I_р – суммарный номинальный ток расцепителей резервных выключателей.

Селективность действия защиты в зоне КЗ достигается введением выдержек времени на срабатывание.

В общем случае время срабатывания защиты должно увеличиваться в направлении от потребителя к источнику питания в такой последовательности: индивидуальная защита приемника, групповая защита, защита фидеров, отходящих от ГЭРЩ, защита перемычек, защита источников питания.

Существующие аппараты и устройства защиты позволяют построить четырехступенчатую систему защиты.

Уставка по току срабатывания выключателей фидеров электродвигателей определяется из условия отстройки от ложных срабатываний в режиме пуска электродвигателя:

Iуст ≥ ,

(114)

где I_уст – уставкапо току срабатывания в зоне КЗ выключателя по техническим условиям, процент по отношению к номинальному току расцепителя;

k_д – коэффициент, учитывающий допуски на пусковой ток и ток срабатывания выключателя в зоне КЗ (k_д = 1,1–1,4);

k_a– коэффициент, учитывающий значение апериодической составляющей пускового тока (k_а = 1,3);

k_пуск – кратность пускового тока двигателя по техническим условиям.

Если электродвигатель переменного тока имеет автоматическое переключение питания, то уставка по току срабатывания выключателя

Iуст ≥ ,

(115)

здесь р – коэффициент, учитывающий остаточную ЭДС двигателя при включении его в противофазе с напряжением сети; значение коэффициента находится в пределах 0,7–1,0 в зависимости от времени переключения и мощности электродвигателя.

Уставка по току срабатывания выключателей фидеров потребителей, работающих в импульсном режиме,

Iуст ≥ ,

(116)

где I_max – максимально возможное значение тока;

δ – минусовый допуск на ток срабатывания в зоне КЗ (для отечественных аппаратов δ = 0,2).

Уставку на ток срабатывания выключателей, расположенных на фидерах питания силовых РУ, выбирают из условия отстройки от ложных срабатываний выключателя в режимах пуска или переключения приемника:

а) при установке на фидере неселективного выключателя

Iуст ≥ ,

(117)

где I_{вкл 1} – ток включения (или переключения) наиболее мощного потребителя;

;

I_ф – расчетный ток фидера щита;

– сумма номинальных токов.

В формуле (104) сумма токов

= 1,2 + ,

(118)

где g – количество асинхронных электродвигателей;

т – (g + 1) – количество трансформаторов;

I_{х j} – ток холостого хода j-го трансформатора, процент от номинального тока;

k_mj = 1,1 при Р_т < 25 кВ·А и k_mj = 1,8 при Р_т > 100 кВ·А;

I_{ном mj} – номинальный ток первичной обмотки трансформатора.

Значение определяется в случае, если аппаратурой управления допускается одновременный пуск нескольких электродвигателей, например электродвигателей, не имеющих минимальной защиты;

б) при установке на фидере питания силового распределительного щита выключателя с выдержкой времени

Iуст ≥ .

(119)

Из сравнения выражений (104) и (106) видно, что при наличии выдержки времени нет необходимости отстраиваться от апериодического тока потребителей вследствие его кратковременности.

Для генераторных и секционных выключателей, выключателей перемычек между станциями уставки выбираются из условия отстройки от ложных срабатываний в режимах синхронизации, пуска наиболее мощных потребителей, одновременного переключения группы синхронных электродвигателей с одного источника на другой.

Ориентировочно уставка для генераторных выключателей выбирается равной 2,5–3,5 номинального тока генератора, а для секционных и выключателей перемычек – 3–5-кратному значению рабочего тока соответствующего фидера.

Разделители зоны КЗ должны обладать необходимой чувствительностью, то есть должны срабатывать не только при металлических трехфазных КЗ, но и при двухфазных КЗ и через дугу. Чувствительность защиты проверяется следующим соотношением:

Iуст ≤ ,

(120)

где k_ч – коэффициент чувствительности, принимаемый равным 1,7 для выключателей генераторных фидеров и равным 2,0 для остальных выключателей.

Минимальное значение периодической составляющей тока при КЗ в конце защищаемого участка

= Iб ,

(121)

где – начальное значение сверхпереходной ЭДС эквивалентного генератора, принимаемое равным единице;

z_{к max} – расчетное значение сопротивления до точки КЗ, включающее сопротивление кабеля защищаемого участка;

I_б – базисный ток эквивалентного генератора.

Если для какого-либо выключателя чувствительность недостаточна, то рекомендуется увеличить сечение кабеля для фидеров отдельных потребителей; уменьшить количество одновременно включаемых потребителей или перегруппировать их так, чтобы уменьшить кратность тока уставки выключателя.

Далее производят проверку выключателя по токам КЗ. При возникновении тока КЗ в цепи, где установлен выключатель, на последний действуют следующие факторы:

– большие динамические усилия на контактах, обусловленные взаимодействием магнитных полей, образованных током;

– дуга, влияющая на дугогасительное устройство;

– тепловые воздействия, вызванные выделением большого количества тепла в токоведущих частях.

Проверка выключателей типа АС и AM на динамическую стойкость производится по ударному току КЗ до отключения выключателя и по току включения его на КЗ через время t = 0,03 с:

(122)

где i_{уд расч} – расчетный ударный ток КЗ в цепи;

i_{уд доп} – допустимое значение ударного тока КЗ выключателя;

i_{0,03 расч} – расчетный ударный ток КЗ в цепи, соответствующий моменту времени t = 0,03 с после начала КЗ;

i_{0,03 доп} – допустимое значение тока КЗ выключателя в момент времени t = 0,03 с.

Для всех других типов выключателей динамическую стойкость проверяют только по ударному току КЗ.

Разрывная (предельная коммутационная) способность автоматического выключателя характеризуется предельной включающей и предельной отключающей способностями. Предельная включающая способность определяется первым наибольшим пиком тока в цепи, который способен включить выключатель. Этот пик при переменном токе называется ударным током КЗ, а на постоянном – максимальным током КЗ. Предельная отключающая способность определяется значением тока в цепи в момент расхождения контактов.

Селективные выключатели постоянного тока и переменного тока частотой 50 Гц и селективные и неселективные выключатели тока частотой 400 Гц проверяют на предельную коммутационную способность по двум условиям:

(123)

где I_{t расч}– расчетное действующее значение тока КЗ в момент расхождения дугогасительных контактов выключателя (соответствующее уставке по времени);

I_{t доп} – допустимое действующее значение тока выключателя в момент расхождения дугогасительных контактов.

Выключатели мгновенного действия в зоне КЗ на динамическую стойкость и коммутационную способность проверяются одновременно по ударному току КЗ.

На термическую стойкость проверяются только селективные выключатели, причем сравнивается допустимое количество тепла, которое выделяет выключатель без разрушения его элементов, с количеством тепла, выделяемого при прохождении тока КЗ. Следовательно, термическая стойкость аппаратов обеспечивается при выполнении условия

,

(124)

где	–	величина, характеризующая термическое действие тока КЗ за время, равное уставке на срабатывание;
(I2t)доп –	термическая стойкость выключателя.

Предохранители и установочные выключатели мгновенного действия на термическую стойкость не проверяются, так как быстро отключают КЗ.

Включатели с электромагнитными расцепителями, ток срабатывания которых составляет 7–14-кратное значение номинального тока расцепителей, при установке их на большом удалении от источников электроэнергии должны проверяться на возможность срабатывания при КЗ (с учетом избирательности в защите). Очевидно, что выключатель отключает КЗ при условии, если

где I_кз – действующее значение периодической составляющей тока КЗ;

k_зап – коэффициент запаса на разброс характеристик;

I_уст – номинальный ток уставки электромагнитного расцепителя выключателя.

Если данное условие не выполняется, то выключатель с электромагнитным расцепителем должен быть заменен либо выключателем с тепловым или комбинированным расцепителем, либо предохранителем.

Выбор пакетных, универсальных и других выключателей и переключателей.Выключатели и переключатели выбирают по числу полюсов и возможности обеспечения необходимых переключений. Кроме того, их подбирают по току и напряжению той цепи, в которую их устанавливают. Эти значения, естественно, не должны быть больше номинального тока и номинального напряжения выключателя. После выбора выключателей и переключателей необходимо проверить их на отключающую способность. Аппараты, имеющие большие габаритные размеры, кроме того, проверяют на термическую и электродинамическую стойкость.

Выбор реле.Реле выбирают по допустимым значениям напряжения и тока, а также по наличию необходимого числа замыкающих и размыкающих контактов. Если у реле нет необходимого числа контактов или они не подходят по рабочему току, дополнительно ставят промежуточные реле.

После того как реле выбрано, его следует проверить на износостойкость по допустимому числу срабатываний. При подборе реле следует иметь в виду, что возможно как прямое включение реле в электрическую цепь, так и через измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Выбор контакторов.Контакторы выбирают по числу, роду, значению тока и напряжения главных контактов, по роду тока и значению напряжения втягивающих катушек, по числу и виду вспомогательных контактов. Выбранные контакторы следует проверить на электродинамическую и термическую стойкость.