Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методы обеспечения селективности на низком напряжении 12
1.1 Понятие полной и частичной селективности 14
1.2 Зона селективности 14
1.3 Токовая селективность 16
1.4 Временная селективность 18
1.5 Использование токоограничивающих выключателей и «псевдовременная» селективность 22
1.6 Селективная совместная работа ограничивающих выключателей с предохранителями 24
1.7 Селективность "SELLIM" 25
1.8 Логическая селективность 27
1.9 Классификация методов обеспечения селективности 28
1.10 Выводы по первой главе 32
ГЛАВА 2 Естественная селективность электромагнитных расцепителей 33
2.1 Полная селективность автоматических выключателей 33
2.2 Математическая модель электромагнитного расцепителя 34
2.3 Графоаналитический метод решения 41
2.4 Программное моделирование 46
2.5 Экспериментальное исследование поведения математической модели 49
2.6 Сравнительный анализ поведения программной модели и реальной системы электроснабжения 60
2.7 Выводы по второй главе з
ГЛАВА 3 Селективность токоограничивающих автоматических выключателей 65
3.1 Токоограничение и графики представления энергии 66
3.2 Применение системы координат t=f(IK3) для исследования характеристик автоматических выключателей 71
3.3 Энергетические характеристики расцепителей автоматических выключателей
3.3.1 Электромагнитные расцепители 74
3.3.2 Электронные расцепители 76
3.3.3 Расцепители с детектором электрической дуги
3.4 Преимущества и практическая реализация энергетической селективности 78
3.5 Выводы по третей главе 92
ГЛАВА 4 Развитие конструкций автоматических выключателей 93
4.1 Классификация направлений совершенствования конструкций низковольтных аппаратов защиты 93
4.2 Повышение надежности при небольших токах короткого замыкания 96
4.3 Повышение точности работы автоматического выключателя 102
4.4 Обеспечение полной селективности 108
4.5 Автоматический выключатель с электронным расцепителем 116
4.6 Выводы по четвертой главе 123
Заключение 125
Список использованных источников
- Использование токоограничивающих выключателей и «псевдовременная» селективность
- Сравнительный анализ поведения программной модели и реальной системы электроснабжения
- Электронные расцепители
- Повышение точности работы автоматического выключателя
Введение к работе
Актуальность темы. Рост мощности низковольтных электрических сетей и необходимость бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей, даже в случае короткого замыкания на одном из участков, выдвигают повышенные требования как к системам защиты электроустановок, так и входящим в их состав аппаратам защиты. В этой связи, актуальное значение приобретают вопросы, связанные с комплексом мер, направленных на совершенствование аппаратов защиты: повышение быстродействия, снижению времени срабатывания, а также по увеличению отключающей способности и надежности селективной работы.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в повышении надежности электроснабжения ответственных потребителей путем
обеспечения ПОЛНОЙ сСЛекТИВНОСТИ яппяпятов защиты. Для достижения
поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
На основе анализа характерных видов повреждений и современных способов защиты низковольтных электроустановок сформулировать проблемы обеспечения полной селективности оборудования.
Проанализировать известные методы обеспечения полной селективности автоматических выключателей и дать предложения по совершенствованию данных методов.
Проанализировать известные принципы построения автоматических выключателей селективного действия и дать предложения по совершенствованию их конструкций.
Разработать методики теоретической проверки селективности.
Экспериментально подтвердить полученные теоретические результаты.
Объект исследования — методы обеспечения полной селективности
действия аппаратов защиты.
Предмет исследования - автоматические выключатели электроустановок низкого напряжения.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы изложенные в общей теории электрических аппаратов; методы анализа нелинейных электрических и магнитных цепей; методы теории подобия и моделирования; метод экспертных оценок; интегральное и дифференциальное исчисление; численные методы решения систем уравнений и поиска экстремумов функций; методы обработки экспериментальных данных.
Научная новизна полученных результатов.
Научно обоснована естественная селективность. Разработана математическая модель электромагнитного расцепителя, изучено поведение модели при совместной работе аппаратов в режимах короткого замыкания Разработаны методики практического применения полученных научных результатов.
Усовершенствована методика организации селективности для токоограничивающих аппаратов, позволяющая учитывать снижение
ограниченных токов при совместной работе сразу нескольких аппаратов.
Разработан прибор, позволяющий проводить замеры времени срабатывания аппаратов защиты без изменений системы электроснабжения. Прибор позволит улучшить точность проводимых измерений и снизить трудозатраты на проведение приемо-сдаточных и сертификационных испытаний в электроустановках потребителей перед вводом в эксплуатацию. Прибор может также использоваться для замеров разновременности срабатывания высоковольтных аппаратов.
Предложены принципиальные схемы автоматических выключателей. На основе полученных методик организации селективности токоограничивающих аппаратов составлены алгоритмы для контроллеров, управляющих работой этих аппаратов. Каждый из аппаратов отключается при определенном значении ft. Значения ft определяется проектантом на основании предложенной в работе методики. В качестве параметра предлагается также использовать мощность и энергию электрической дуги. При этом конструкция аппарата оснащается специальными измерительными цепями для контроля тока и напряжения на дуге.
На защиту выносятся:
Токовая селективность между автоматическими выключателями категории «А» существует благодаря естественной селективности.
Селективность между токоограничивающими выключателями различных производителей возможно организовать, если использовать разработанные методики, учитывающие суммарное токоограничивающее действие выключателей.
Развитие конструкций токоограничивающих выключателей позволяет использовать уставку срабатывания 11 в явном виде.
Практическая ценность и реализация.
Результаты работы касающиеся проверки селективности срабатывания аппаратов защиты используются в учебном процессе в ГОУВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» в курсах повышения квалификации для специалистов по проектированию электроустановок зданий и сооружений, специалистов электроизмерительных лабораторий, органах по сертификации.
Методика подбора селективного оборудования также используется при проектировании систем электроснабжения с повышенными требованиями к надежности и бесперебойности систем защиты электроустановок объектов ОАО «НИИСА», ООО «Техпроект», АНО НИЦ «Центрэлектростандарт».
Разработанный для эффективного проведения испытаний аппаратов защиты прибор в настоящее время выпускается ООО НПФ МИЭЭ «Приборы Мосгосэнергонадзора» серийно и активно применяется для проведения сертификационных испытаний аппаратов аккредитованными центрами по сертификации, а также при проведении приемо-сдаточных, сертификационных и эксплуатационных испытаниях систем электроснабжения.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались ка международных научно-технических конференциях (Москва ГОУВПО «МЭИ» (ТУ)) с 2004-2005г, а также на заседаниях кафедры «Электрические и электронные аппараты» (Москва ГОУВПО «МЭИ» (ТУ)) с 2004 по 2009г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы были отражены в шести статьях, которые опубликованы в специализированных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников, приложений. Полный объем диссертации составляет 232 стр., из них приложения, количеством 5, занимают 96 стр., список использованных источников, количеством 104, занимает 9 стр.
Использование токоограничивающих выключателей и «псевдовременная» селективность
Временная селективность состоит в настройке различных временных задержек (уставок) в аппаратах защиты, находящихся на различных уровнях системы электроснабжения и реагирующих на сверхток, возникающий в цепи. Чем ближе расположен аппарат к источнику, тем больше должно быть его время задержки срабатывания (больше уставка).
Для достижения полной временной селективности необходимо чтобы кривые tc=f(IK3) двух автоматических выключателей не пересекались ни в одной точке при любых ожидаемых величинах токов короткого замыкания.
Характерной иллюстрацией применения данного метода обеспечения селективности является аварийная ситуация, показанная на рис. 1.1, задействует все аппараты защиты электроустановки (Ql, Q2, Q3, Q4). Аппарат Q4 -ближайший к месту аварии - срабатывает быстрее, чем аппарат Q3, который, в свою очередь, реагирует на аварию быстрее чем Q2, и т.д. Предположим, аппарат Q4 выключился, и аварийный ток был ликвидирован. Аппараты Q1, Q2, и Q3, срабатывание которых не требуется, остаются в исходное состоянии.
Разница во времени срабатывания At между двумя последовательными аппаратами есть интервал селективности, который содержит три составляющие: - время Тс, за которое автоматический выключатель размыкает цепь; - время задержки срабатывания dt\ - время tr, за которое аппараты защиты возвращаются в исходное состояние. Поэтому At должно удовлетворять соотношению: At Tc + tr + 2dt (2.1) При больших токах короткого замыкания полная селективность обеспечивается, если различаются также два горизонтальных участка кривых справа от Itl (рис. 1.5).
Для достижения этого используются различные способы: - классический — заключается в выборе селективного автоматического выключателя с временной задержкой в режиме короткого замыкания; - использование токоограничивающего автоматического выключателя (Q2) - используется на последнем уровне распределения энергии (рис. 1.6) При реализации первого способа имеют место две причины существования предела селективности: - расцепитель автоматического выключателя имеет фиксированную или tc А Q2 Q Предел термической стойкости электроустановки и/или автоматического выключателя
Временная селективность: Q1 - быстродействующий аппарат; Q2 -селективный аппарат с временем задержки срабатывания 1 -2-3 регулируемую систему временной задержки; - установка и автоматический выключатель способны выдержать ток короткого замыкания в течение временной уставки задержки (обусловлено термической и динамической стойкостью). Выдержка времени срабатывания аппаратов при временной селективности отсчитывается с момента превышения тока в цепи тока срабатывания расцепителя. Все уставки должны быть выставлены согласованно. Существуют два типа временной селективности: - по времени - выдержка времени устанавливается постоянной и независящей от значения сверхтока при превышении им уставки срабатывания; - по обратнозависимой выдержке времени — чем больше сверхток, тем меньше время задержки. Если уставки настроены на 1Н0М , то защита от перегрузки обеспечивается с одновременной защитой- цепи от короткого замыкания.
Рассмотрим систему защиты от сверхтоков реальной электроустановки, электроснабжение которой организовано по радиальной схеме с автоматическими выключателями, имеющими временную задержку 0,3 с. (рис. 1.1). Такая организация селективной работы аппаратов защиты имеет два преимущества: - обеспечение резервирования защиты - достигается за счет обесточивания поврежденной части установки; - простота реализации.
Автоматический выключатель, расположенный ближе к источнику, имеет большую временную задержку, чем расположенный ниже (ближе к нагрузке). Таким образом, при большом количестве ступеней защиты с аппаратами, имеющими задержку срабатывания, наиболее удаленный от места короткого замыкания аппарат будет иметь наибольшую временную задержку, которая может превысить.допустимое время устранения аварии. В этом случае система защиты окажется несовместимой, во-первых, с допустимым временем протекания тока короткого замыкания защищаемого оборудования, а, во-вторых, с внешнем оборудованием (например, с оборудованием энергоснабжающей организации) [2, 9, 80, 100] .
Использование автоматических выключателей с выдержкой времени приводит к общему времени отключения от 20 мс (мгновенное) до сотен миллисекунд при срабатывании с временной задержкой (рис. 1.5).
Если электроустановка, а в ряде случаев и автоматический выключатель, не способны выдержать ток короткого замыкания Ік-Зі в течение времени задержки, необходимо чтобы автоматический выключатель Q1 имел мгновенный расцепитель с высокой уставкой /,/. В этом случае верхняя граница зоны селективности Iti определяется уставкой мгновенного срабатывания нижерасположенного автоматического выключателя и термической стойкостью электроустановки. Таким образом, использование мгновенного расцепителя с большой временной.уставкой уменьшает предел временной селективности У,;.
Очевидным недостатком временной селективности помимо существования вышеизложенных границ применения, является также необходимость затрачивания некоторого времени на ожидание «решения» системы защиты электроустановки. Это время ожидания является необходимым, исходя из самого принципа организации данного метода. При этом система электроснабжения подвергается действию аварийного тока, что приводит к дополнительному износу оборудования и более высоким требованиям к его термической и динамической стойкости. Уменьшение времени ожидания на ступенях временной задержки возможно при уменьшении разброса значений во время-токовых характеристиках автоматических выключателей (повышение точности срабатывания), что, безусловно, связано со значительным увеличением себестоимости оборудования. Применение в аппаратах микропроцессорных расцепителей, также связанное с увеличением себестоимости, позволяет повысить быстродействие системы защиты за счет увеличения точности работы. Следует отметить, что, несмотря на очевидные недостатки данного метода, он применяется для согласования защитных характеристик аппаратов в подавляющем большинстве электроустановок.
Сравнительный анализ поведения программной модели и реальной системы электроснабжения
Программное моделирование Исходные данные для расчета моделей вводятся графическим способом в виде принципиальной схемы. На рис.2.5 представлено изображение модели электромагнитного расцепителя, которое представляет собой объединенные в соответствии с системой уравнений (2.9) активные и пассивные стандартные модули программы. Каждый модуль является функцией, описанной на языке высокого уровня, параметры которой задаются пользователем как исходные данные задания на моделирование.
Так как рассматриваемые нами процессы (реакция электромагнитного расцепителя на ток короткого замыкания) протекают за время, значительно меньшее полупериода кривой сетевого напряжения, то в качестве источника будем использовать генератор постоянного напряжения VI. Значение напряжения выберем равным 110% амплитудного значения напряжения сети 341В - наиболее тяжелый режим при однофазном коротком замыкании. Пассивные элементы R1 и Ы представляют собой активную и реактивную составляющие сопротивления цепи короткого замыкания. Ключ, управляемый временем S3 коммутирует автоматический выключатель на ток короткого замыкания через некоторое время ts3dose после начала моделирования. Модуль HI осуществляет преобразование тока короткого замыкания в соответствии с формулой (2.10). Параметр Vm является, промежуточным сигналом на выходе модуля HI. Так как магнитное сопротивление зазора якоря много больше магнитного сопротивления ярма и стержней, то не будем его учитывать при расчетах. В первом приближении также не будем учитывать потоки рассеяния и будем считать, что через воздушный зазор проходит весь магнитный поток.
Элемент El перемножает сигналы, поступающие на его входы VE])IN] и VEI,IN2- Сигнал VEi,im характеризует собой текущий зазор якоря и вычисляется по формуле (2.11). E1,W2 f 1 V yS0+X; (2.11) Сигнал VEI,OUT+ представляет собой значение электромагнитной силы, вычисляемой по формуле Максвелла (2.7). Моделью механической подсистемы является контур, состоящий из элементов Ej L2, С2, Dj (рис.2.5). Ключ, управляемый напряжением S6 закорачивает диод при срабатывании расщепителя (появлении сигнала на входе S6). Работа схемы в таком режиме учитывает упор, препятствующий движению якоря в обратном направлении в момент аварии и возможность появления вибрации якоря. Ток в контуре представляет скорость движения якоря, которая с помощью интегратора II преобразуется в величину зазора с учетом начального положения якоря 5о. Элемент 12 возводит значение зазора в степень «-2» и подает полученный сигнал на Е1. Таким образом, путем организации обратной связи учитывается влияние зазора на электромагнитную силу (2.12) - --2 Г 7 V Ф IN Р = ы = у -V - " I E1.IN2 (2.12) л СІ С1.Ш1 C.1.1NZ 0 ft v0+x 2MoSJ7 2МО$Л
При определенном положительном значении зазора срабатывает механизм расцепления; начинается движение контактов и происходит разрыв цепи. Положительную составляющую зазора выделяют элементы UI, U2, D2, R3 и R4. Усилители U1 и U2 необходимы для снижения влияния прямого падения напряжения на диоде D2 на сигнал. U3 выполняет роль порогового элемента, a U4 осуществляет задержку фронта нарастания сигнала на время tU4, обусловленную выбором провала контактов. Ключ, управляемый напряжением SI отключает нагрузку при появлении фронта. Дуговые процессы в первом приближении учитывать не будем.
Сформулируем методику выбора селективных аппаратов с помощью такой модели: 1. Ввод активного R] и индуктивного Lj составляющих сопротивлений цепи короткого замыкания и момента начала аварийного режима tulciose. 2. Ввод геометрических и механических параметров электромагнитных расцепителей автоматических выключателей L3, Сі, Сг , UCi(0), Ud(0), tm tus.Sn.N,. 3. Ввод значений токов короткого замыкания из диапазона ожидаемых аварийных токов с шагом лі. После того как были введены все значения диапазона переход к п. 5. 4. Проверка селективности срабатывания аппаратов. Если да, то возврат к п. 3 и задание следующего значения тока. Если нет, то возврат к п. 2, выбор другого (других) аппаратов и задание параметров их расцепителеи. 5. Вывод результатов на печать.
Теперь рассмотрим поведение модели при исходных данных характерных для воздушного автоматического выключателя бытового назначения имеющего номинальный ток 16А (табл. 2.2 - 2.3) в диапазоне токов короткого замыкания при постоянной времени т л" 5 -г-10 мс. Установившееся значение сверхтока регулируется сопротивлением R. Результаты моделирования представлены в табл.2.4-2.7[64].
Используя данную модель, исследуем совместную работу двух электромагнитных расцепителеи последовательно включенных автоматических выключателей Q1 и Q2 с различными номинальными токами расцепителеи (рис.2.6). Ближе к источнику расположен расцепитель с большим номинальным током. Расцепители с большим номинальным током обладают и большими массогабаритными показателями. Исходя из этого, а также из (2.6) можно сделать предположение, что время срабатывания расцепителя увеличивается с ростом массы якоря. Поэтому сведем задачу по исследованию критерия селективности автоматических выключателей Q1 и Q2 к поиску предельного отношения масс якорей их электромагнитных расцепителеи.
Модель однофазной системы электроснабжения с двумя расцепителями при коротком замыкании на нагрузке, представлена на рис.2.5. Для заданного диапазона токов короткого замыкания, приведенного к номинальному току расцепителя Q2 опытным путем устанавливается минимальное соотношение масс якорей, при котором селективность еще будет обеспечиваться. Номинальные токи расцепителей IQitHOM = 25 -г 250А, IQ2,HOM = 16А. Исходные данные проведенных опытов сведены в табл.2.4, а результаты представлены в табл.2.5 и в виде графиков (рис.2.6, 2.7).
Электронные расцепители
В предыдущей главе, мы получили и проверили на практике методику выбора (проверки) селективных токоограничивающих автоматических выключателей. Таким образом, появилась теоретическая возможность отказаться от временной селективности (как снижающую надежность электроснабжения (глава 1)) и перейти к организации естественной селективности электромагнитных расцепителей (глава 2) и селективности автоматических выключателей по энергетическому принципу (глава 3).
В настоящее время имеющиеся на рынке разработки ведущих фирм -производителей [10, 35, 36, 82, 93, 94, 96, 104, 105] не позволяют в явном виде задавать в качестве уставки срабатывания расцепителя ft. Уставка ft в них используется в качестве вспомогательной к основным - токовой и временной. Целью настоящей главы является провести обзор направлений развития конструкций аппаратов защиты и дать предложения по их усовершенствованию с использованием новых возможностей организации энергетической селективности.
Техническое совершенствование конструкций низковольтных аппаратов защиты происходит в следующих направлениях [14]: совершенствование классических конструкций и технологий производства. Это диктуется развитием конкурентного рынка сбыта и, как следствие, постоянно возрастающими требованиями по снижению себестоимости продукции. Эффективность расходования энергоресурсов, снижение трудоемкости производства, уменьшение расхода дорогостоящих материалов обеспечивают значительный экономический эффект. Этот подход характерен для производства массовых аппаратов общего применения и представляет собой эволюционный путь развития, в процессе которого продукт не приобретает, как правило, качественно новых свойств. изменение характеристик аппаратов с целью придания им новых функций и свойств. В Российской Федерации и за рубежом эта проблема решается за счет использования достижений полупроводниковой техники.
В этой главе рассматривается именно второе направление. Если представить конструкцию аппарата в виде двух составляющих: контактного устройства и устройства управления им (рис. 4.1), то процесс развития в данном направлении идет тремя путями.
Создание гибридных аппаратов - комбинированных аппаратов для коммутации цепей посредством как статических, так и электромеханических силовых ключей. В конструкциях этих аппаратов полупроводниковые ключи, имеющие систему управления, устанавливаются последовательно и (или) параллельно электромеханическим контактам. Целью такой комбинации является объединение положительных качеств электромеханических и статических аппаратов, а также достижение новых положительных эффектов, улучшающих технико-экономические показатели. Статические ключи обеспечивают высокое быстродействие, позволяют регулировать параметры электроэнергии в коммутируемой цепи. Электромеханические ключи позволяют получить низкие значения падения напряжения в проводящем состоянии и хорошую гальваническую развязку в выключенном состоянии. Положительным результатом гибридной коммутации является возможность существенного облегчения режима коммутации электромеханических ключей в условиях совместной работы со статическими. В результате аппарат приобретает высокую электрическую износостойкость по сравнению с обычными.
Создание статических аппаратов, не имеющих подвижных частей и дугогасительных камер, в которых силовой полупроводниковый прибор не только участвует в коммутации тока, но и длительно проводит ток нагрузки. Главное достоинство таких аппаратов состоит в том, что они способны сочетать в себе функции быстродействующего токоограничивающего аппарата защиты и управления, с выполнением не только операции «включено - выключено», но и более сложных, например, осуществлять «мягкий» пуск (торможение) электропривода с ограничением за счет фазового регулирования пусковых токов и резких динамических воздействий в переходных процессах. В то же время всем статическим аппаратам присущи два принципиальных недостатка -значительные потери активной мощности в проводящем состоянии и отсутствие гальванической развязки в разомкнутом состоянии.
Создание статических систем управления, способных выполнить комплексную защиту электрооборудования от аварийных режимов работы и резко улучшить качество защиты. Системы управления силового электронного устройства (аппарата) выполняют следующие функции:
Обобщенная функциональная схема конструкции аппарата Д — блок датчиков; РЕГ - регулятор; ФИУ -формирователь импульсов управления; ИОП - источник опорного питания; УКД - устройство контроля и диагностики; ЗУ - защитные устройства; ИНФ - блок обработки информации; КА - блок коммутационной аппаратуры - формирование сигналов управления силовыми элементами (рис. 4.1); - регулирование выходных параметров; - включение и отключение по заданному алгоритму; - обмен информацией с внешней средой; - текущий контроль общего состояния устройства; - диагностика отказов; - управление защитными устройствами. В работе предлагается несколько вариантов для усовершенствования конструкций аппаратов, относящихся к третьему направлению.
На рис. 4.2 представлена принципиальная схема устройства в однофазном исполнении [30]; на рис. 4.3 - выключатель с приводом в положении «Включено». К главным контактам выключателя 1 подключен узел контроля величины энергии дуги отключения, который содержит блок 7 питания, измерительный преобразователь 8 энергии дуги на базе датчика Холла, выходное реле 10, микроконтроллер 9 и исполнительный механизм 6, воздействующий на расцепляющий рычаг механизма свободного расцепления. Выход датчика Холла 8 подключен к входу микроконтроллера 9. Сигнал на выходе элемента микроконтроллера 9 появляется, если величина энергии дуги не превышает порога срабатывания. В этом случае реле 10 выдает команду на исполнительный механизм 6, воздействующий на расцепляющий рычаг в сторону включения выключателя. Алгоритм работы микроконтроллера представлен на рис.10
Измерительный преобразователь 8 выполнен на базе датчика Холла 14, расположенного в полюсном пространстве в плоскости, перпендикулярной магнитному полю токоведущей шины. Входные электроды датчика Холла через резистор 14 подсоединены к главным контактам 1 выключателя, а выходные его электроды - к входу микроконтроллера 9. Выход микроконтроллера 9 подключен к входу реле 10 на оптронном тиристоре, коммутирующем цепь исполнительного механизма 6.
Блок питания 7 предназначен для выработки напряжения на конденсаторе 11, необходимого для срабатывания исполнительного механизма, и не связанных с главными контактами напряжений для питания узла контроля величины энергии дуги. Блок 7 питания может быть подключен через вспомогательные замыкающие контакты 12.
Повышение точности работы автоматического выключателя
При выборе аппаратов для организации защиты оборудования от сверхтоков проектант должен учитывать заявленный изготовителем статистический разброс характеристик. Для токоограничивающих автоматических выключателей такой разброс представляется, как правило, двумя кривыми: гарантированного несрабатывания и гарантированного срабатывания (рис.3.10). В зоне между этими кривыми изготовитель не гарантирует срабатывание или несрабатывание аппарата. Для нетокоограничивающих автоматических выключателей и предохранителей характеристики срабатывания также обладают подобными зонами [8].
Наличие «зоны неопределенности» в характеристиках аппаратов защиты объясняется влиянием различных факторов как внутренних (конструктивные допуски и степень износа узлов, тепловое состояние на момент аварии, состояние поверхности контактов и т.д.) так и внешних (коэффициент мощности цепи, фаза тока при коротком замыкании, температура окружающей среды, воздействие соседних приборов, влияние расстояния между приборами).
Кроме того, несмотря на утвержденную стандартом МЭК 898-87 [20] классификацию по диапазонам токов мгновенного расцепления, характеристики срабатывания автоматических выключателей производства различных фирм, могут иметь разные диапазоны токов срабатывания, несмотря даже на одинаковую маркировку. Проверка расцепителей с подобными характеристиками выполняется в соответствии с техническими условиями фирм-изготовителей.
Таким образом, очевидно, что одним из главных направлений в развитии конструкций электрических аппаратов является создание аппарата, позволяющего повысить надежность систем электроснабжения за счет снижения влияния вышеуказанных факторов на характеристику срабатывания, без ухудшения других характеристик. В то же время аппарат должен быть совместим с другими типами аппаратов защиты и обеспечивать полную селективность при совместной работе.
Подобным требованиям отвечает токоограничивающий выключатель с электронным расцепителем. Наилучшими свойствами по разбросу характеристик обладают электронные расцепители, так собственная погрешность у цифровых устройств отсутствует. Более того, появляется возможность заводской калибровки каждого аппарата в отдельности в соответствии с его конструктивными особенностями.
Токоограничивающие свойства автоматического выключателя позволяют снизить уровень токов короткого замыкания за счет высокого быстродействия при размыкании контактов и сопротивления электрической дуги, вводимой в цепь главных контактов. С ростом уровня аварийных токов токоограничивающие свойства таких аппаратов проявляются все больше. Помимо снижения уровня токов, при токоограничении также снижается их длительность. Если при этом в системе защиты электроустановки селективность обеспечивается по ступенчато-временному принципу, то быстродействующие свойства аппарата становиться ненужными из-за невозможности их реализации (п. 1.4).
Для того чтобы применение быстродействующих аппаратов привело к быстродействию системы защиты, необходимо чтобы защита электрооборудования и селективность между аппаратами защиты обеспечивалась без выдержки времени, например, по энергетическому принципу (глава 3). На рис. 4.9 представлено два варианта обеспечения селективности аппаратов в системе защиты электроустановки с одинаковым оборудованием и уровнями токов на ступенях. В первом случае (рис.4.9.а), при обеспечении селективности по ступенчато-временному принципу на каждой вышестоящей ступени распределения быстродействия защит увеличивается в разы, притом, что уровни аварийных токов значительно возрастают. Во втором случае (рис.4.9.б), наблюдается прямо противоположная картина: с ростом уровня аварийного тока на каждой вышестоящей ступени распределения, быстродействие системы защиты увеличивается. При этом токоограничение проявляется все больше.
Принципиальная схема электронного расцепителя токоограничивающего автоматического выключателя и схема его присоединения к цепям контактов во многом повторяет принципы, принятые для электронных устройств рассмотренных выше в этой главе. На рис. 4.10 представлена схема устройства в однофазном исполнении.
При коротком замыкании под действием электродинамических сил, главные контакты 1 расходятся, и в цепь вводится дуга, ограничивающая ток короткого замыкания. Напряжение на дуге используется для питания электронного расцепителя, при этом время формирования напряжения для питания должно быть минимально возможным.
Поскольку магнитный поток, пронизывающий датчик Холла 14, прямо пропорционален току короткого замыкания, то на выходе датчика Холла формируется сигнал, пропорциональный аварийному току, а в микроконтроллере 9 он преобразуется в значение, пропорциональное импульсу тока / /. Это значение используется для управления исполнительным механизмом 6.
Поскольку /1 срабатывания электромагнитного расцепителя 3 ниже уровня /1, ограниченного дугой, то за время существования дуги происходит срабатывание механизма свободного расцепления, но при этом рукоятка 5 выключателя удерживается дистанционным приводом 25 во, включенном положении. Если при этом величина /1 выше определенного уровня I tuop, задаваемого порогом срабатывания микроконтроллера 9, на выходе последнего появится сигнал, соответствующий логической «1» и на исполнительный механизм 6 не будет поступать сигнал с выхода реле 10.
При исчезновении дуги (ток спал до нулевого значения) на выходе 9 появляется сигнал, соответствующий логическому «0». Непосредственно сразу за исчезновением дуги возможны следующие варианты сигналов (рис.4.11):команда на взвод выключателя, что соответствует случаю, когда выключатель расположен по условиям селективности вне зоны срабатывания (рис. 4.11).
