Исследование селективности автоматических выключателей в САПР (Simaris Siemens)

Холодков Артем Николаевич,

аспирант Самарского государственного технического университета.

Научный руководитель – доцент

Проценко Александр Николаевич.

В электроснабжении под «селективностью» понимают совместную работу последовательно включенных аппаратов защиты электрических цепей в случае возникновения аварийной ситуации.

Неотъемлемой частью систем защиты сетей электроснабжения являются быстродействующие автоматические выключатели (АВ), которые применяются как для работы в номинальных режимах для оперативных коммутаций, так и для отключений в аварийных режимах, при коротком замыкании. Поэтому требования увеличения их предельной коммутационной способности и обеспечения селективной работы в значительной мере определяют направления по созданию новых типов АВ.

На сегодняшний момент при проектировании систем защиты существует проблема в подборе оборудования, отвечающего требуемым параметрам. Фирмы-производители гарантируют селективную работу автоматических выключателей собственного производства. Причем форма представления их рекомендаций по выбору аппаратов защиты основывается исключительно на собственных экспериментальных данных и не поддаётся анализу с точки зрения режимов работы системы электроснабжения и взаимозаменяемости с оборудованием других фирм производителей. Это существенным образом ограничивает проектировщиков в выборе аппаратов защиты. Такая ситуация, во-первых, препятствует применению оборудования с наилучшими характеристиками. А во-вторых, фактически «привязывает» проектную и эксплуатирующую организацию к конкретным маркам аппаратов. Это снижает надёжность и гибкость систем электроснабжения и создаёт опасность снижения конкурентоспособности на рынке низковольтного оборудования.

В настоящее время для организации селективной работы АВ на низком напряжении применяют различные методы. Наиболее популярными из них являются «токовая» и «временная» селективности. Для АВ всегда существует формально предельный ток селективности (Is), обусловленный расчётными значениями токов КЗ и взаимным расположением характеристик аппаратов. Однако производители гарантируют для автоматических выключателей собственного производства селективную работу за границей Is.

Исследуем вопрос селективности выключателей в САПР Simaris design на примере приведенной схемы (рис. 1).

Рис. 1.

После построения схемы и ввода необходимых параметров, Simaris design автоматически подбирает подходящие АВ, удовлетворяющие условиям защиты системы от перегрузки и КЗ (в зависимости от заданных начальных параметров системы). Хотя в функциях программы присутствует специальная настройка цели подбора оборудования на полную селективность, добиться ее с помощью методов доступных в программе Simaris design без изменения параметров системы трудно. Для этого должен выполняться ряд условий. В итоге обеспечивается лишь частичная селективность АВ. Что в ряде случаях может доставить существенные проблемы.

Поскольку большинство неисправностей в цепях появляется во время эксплуатации, то частичная селективность применима, если предел селективности выше значения тока КЗ на конце линии. В этом случае говорят о рабочей селективности. Ее реализация часто весьма удобна, экономична и проста. Но если ток КЗ на конце линии выше значения Is, то селективная работа выключателей обеспечиваться не будет.

В каталогах многих фирм-производителей АВ существуют специальные «таблицы селективности», с помощью которых можно селективно согласовать работу выключателей между собой. САПР Simaris такие таблицы не содержит, хотя и использует их при оценке селективности АВ в процессе автоматического подбора. Однако без ручного вмешательства проектировщика в процесс подбора, селективная работа АВ не всегда может гарантироваться должным образом.

Работа с такими таблицами позволит пользователю решить проблемы выбора селективно-работающих АВ уже на начальной стадии проектирования. Проектировщик будет точно знать, будет ли обеспечиваться селективность при текущих параметрах оборудования, ее вид и диапазон значений предельного тока селективности, что позволит в дальнейшем сэкономить время для оптимального подбора аппаратов защиты.

Рассмотрим часть этих таблиц селективности выключателей фирмы Siemens для определения степени их полезности. Попытаемся добиться полной селективности АВ системы вручную на примере части построенной схемы и выясним, в каких условиях это возможно.

Таблица 1.

I_R - уставка тока защиты от перегрузки;

Icu - предельная отключающая способность при КЗ;

Ii - уставка тока для мгновенной защиты от КЗ (без выдержки);

Is - предельный ток селективности. Если максимальный ожидаемый ток КЗ меньше или равен этому числу, то будет обеспечена полная селективность;

I_sd = уставка тока для защиты от КЗ с кратковременной выдержкой;

t_sd = выдержка времени для защиты от КЗ с выдержкой времени;

ETU и TM = электронный и термо-магнитный расцепитель максимального тока соответственно.

Из таблиц селективности можно сделать вывод о том, что время срабатывания аппаратов зависит от уставки электромагнитных расцепителей. Такой метод организации селективной работы аппаратов можно назвать «естественной селективностью», так как для его организации не требуется никаких дополнительных технических средств и мероприятий.

Рис. 2.

Заменим выбранные программой выключатели на другие из таблицы с учетом возможности их полной селективности.

Для распред. щита М1 – компактный АВ для переменного тока - 3VL.

Для двигателей 1,2,3,4 – выключатели 3RV для защиты двигателей.

В поставим М1 АВ серии 3VL5 с I_R = 400-500А и I_CU = 100кА.

Стоит отметить, что при выборе аппаратов защиты, нужно учитывать величину I_z (зависит от параметров кабеля и сечения проводников). Т.к. по условию защиты от перегрузки I_Z > I_R. По этому при начальном проектировании параметров кабеля желательно принимать это во внимание, что позволит в дальнейшем расширить выбор подходящих для работы АВ.

Двигатели Выключатели Границы селективности

1.         3RV1.4 I_R = 18-25А Icu = 100кА    T

2.         3RV1.4 I_R = 22-32А Icu = 100кА    T

3.         3RV1.4 I_R = 45-63А Icu = 100кА    12.0

4.         3RV1.2 I_R = 9-12.5А Icu = 100кА   T

В итоге выключатель 3-го двигателя не удовлетворяет условию обеспечения полной селективности и имеет предельный ток селективности 12кА. Добиться ее, без изменения величины нагрузки двигателей можно, поставив в М1 выключатель 3VL5 c I_R = 500-630А, Icu = 45-100кА. В результате АВ двигателя №3 начинает удовлетворять условиям полной селективности. Как и показано в таблице.

Отметим, что величина нагрузки не позволит выбирать нижестоящие выключатели с другими значениями диапазона уставок, если эти АВ не удовлетворяют условиям защиты от перегрузки I_InMotor > I_R > I_ibs (расчетный ток нагрузки электродвигателя). Причем суммарная нагрузка всех потребителей не должны превышать номинальной мощности трансформатора.

На данном примере показана возможность, в ряде случаях, настроить систему на полную селективность посредством ручного подбора АВ. Там же где полная селективность обеспечиваться не будет, таблицы селективности помогут выбрать оптимальные аппараты защиты с максимальным предельным током селективности, на что программа сама не способна. Это естественно имеет большое практическое значение.

Основной недостаток «таблиц селективности» в том, что в них заложены четкие условия величины уставок для обеспечения границ селективности ниже- и вышестоящих защитных аппаратов:

I_R = 1 x In

t_sd = 100ms

I_i = max

I_sd = max

Эти условия снижают диапазон селективно-работающих АВ. Т.к. путем регулирования величины уставок АВ, появляется возможность согласования селективной работы выключателей между собой там, где по данным таблиц селективность не обеспечивается. К тому же величина предельного тока селективности в таблицах выключателей фирмы Siemens, иногда различаются с данными программы Simaris design этой же фирмы.

Стоит также сказать, что такие таблицы абсолютно не поддаются анализу с точки зрения взаимозаменяемости с оборудованием других производителей, так как основаны на экспериментальных данных, полученных для аппаратов только собственного производства. Хотя они, безусловно, удобны, потому как не требует применения время-токовых характеристик для определения области селективной работы аппаратов.

В результате данного исследования была также расширены границы селективности выключателей фирмы Siemens. Увеличен диапазон селективности выключателей 3VL и 3VL, а также 3VL и 3WL, благодаря возможности изменения величины уставок. Изменены величины уставок I_i и предельного тока селективности некоторых серий АВ в соответствии с полученными данными в программе Simaris design.

[http://dump.ru/file/4565148]

Литература

1. Автоматические выключатели. Справочник Под ред. Акимова Е.Г.

2. Развитие методов организации полной селективности действия аппаратов защиты. Иващенко В. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Десятая научно-техническая конференция студентов и аспирантов.– М.: МЭИ, 2004.

3. Таблицы селективности выключателей Siemens.

4. Техническая коллекция Schneider Electric: Координация защит НН.

5. http://www.masterwire.ru/selektivnost-v-sistemax-energoobespecheniya/.

Поступила в редакцию 05.05.2010 г.