Построение защитной (времятоковой) характеристики автомата

Цель работы: Опытное построение защитной характеристики автомата и сравнение ее с паспортной. Обеспечение селективности автоматов.

Теоретические сведения

Автоматы обеспечивают защиту от перегрузок, токов КЗ, а также оперативное включение и отключение цепей при полной нагрузке. Они могут оснащаться различнымирасцепителями максимального тока (тепловыми, электромагнитными или полупроводниковыми), независимым расцепителем и расцепителем минимального напряжения. Наиболее массовое применение имеют модульные автоматы с комбинированным нерегулируемым расцепителем (сочетание теплового с электромагнитным). Тепловой расцепитель обеспечивает защиту от перегрузки с обратно зависимой от тока характеристикой, а электромагнитный – от токов КЗ без выдержки времени. Полупроводниковые расцепители имеют возможность регулирования уставки тока и времени срабатывания и, как правило, устанавливаются на автоматах с большими номинальными токами (более 400 А). Автоматы с такимирасцепителяминазываютселективными.

Технические характеристики автоматов с комбинированнымрасцепителем:

U _Н – номинальное напряжение, В;

I _НА – номинальный ток автомата, А;

I _НР – номинальный ток расцепителя, А;

I _КЗ.Д – предельная коммутационная способность, определяемая предельно допустимым значением отключаемого тока КЗ, кА;

 – защитная (времятоковая) характеристика (рис.7.1).

Эта защитная характеристика имеет две зоны: первая − для небольших токов (защита от перегрузок с обратнозависимой от тока выдержкой времени, реализуемая тепловым расцепителем), вторая – защита мгновенного действия (отсечка) от токов КЗ, реализуемая электромагнитным расцепителем.

Рис. 7.1. Типовая защитная (времятоковая) характеристика автомата cкомбинированнымрасцепителем

3600 c

0,02c 0

60 c 1 c

tcp

I/I НР

0       1,0 1,13 1,45  2,55   0,8k  k   1,2k

 

Комбинированный нерегулируемый расцепитель имеет следующие параметры:

- I _НР – номинальный ток расцепителя, обусловленный тепловой его частью. При протекании этого тока через автомат время его срабатывания равно бесконечности (автомат не срабатывает);

- – кратность тока срабатывания электромагнитной отсечки, реализуемой электромагнитнымрасцепителем.

Защитные характеристики автоматов имеют естественный разброс, главными факторами которого являются температура окружающей среды и температура нагрева автомата, определяемая током нагрузки, предшествующим сверхтоку. На рис. 7.1 верхняя кривая определяет время срабатывания автомата с холодного состояния, нижняя – с горячего. Поэтому защитная характеристика представляет некоторую зону, ограниченную указанными кривыми. Эта зона характеризуется следующими параметрами:

· при токе, равном 1,13 I _НР, тепловой расцепитель не должен срабатывать в течение 1 часа;

· при токе, равном 1,45 I _НР, тепловой расцепитель должен отключить автомат за время не более 1 часа;

· при токе, равном 2,55 I _НР, время срабатывания автомата должно быть в диапазоне от 1 до 60 с;

· электромагнитный расцепитель не должен срабатывать при  и должен срабатывать при .

Для каждого автомата с номинальным током I _НА  имеется заданный набор расцепителей, из которого всегда можно выбрать необходимый. В зависимости от величины k имеется несколько видов защитных характеристик автоматов, основными из которых являются: B, C, D (см.таблицу). 

Защитные характеристики автоматов

Тип защитной характеристики	Кратность тока электромагнитной отсечки k
	min	max
В	3	5
С	5	10
D	10	14

 

 

Существенное значение при использовании автоматов имеет задача обеспечения их селективности, простейший пример которой приведен на схеме рис. 7.2.

Если последовательно установленные в цепи автоматы (QF1 и QF2) имеют только тепловой расцепитель, то они могут действовать при КЗ селективно, если правильно подобраны их защитные характеристики (т.е. время отключения головного автомата больше). Для удобства сопоставления защитных характеристик строятся диаграммы селективности (рис.7.3) – на одном чертеже в одном масштабе вычерчиваются защитные характеристики всех последовательно установленных в цепи автоматов. Если автоматы оснащены только электромагнитными расцепителями (отсечкой) и ток КЗ больше тока срабатывания этих расцепи­телей, то такие автоматы будут срабатывать одновременно, т.е. несе­лективно.

Рис. 7.2. Селективность двух автоматовQF1 и QF2

Рис. 7.3. Простейшая диаграмма селективности для двух автоматов

 

При использовании комбинированных расцепителей(рис.7.3), при токах КЗ меньших селективность обеспечивается, но при этом электромагнитный расцепитель автомата QF1 установлен напрасно.

Если максимальные токи КЗ (в близи точки КЗ1) больше , а минимальные токи КЗ (в близи точки КЗ2) меньше , то эти токи КЗ будут отключаться селективно. Если же все токи КЗ (в точках КЗ1 и КЗ2) окажутся больше , то всегда при КЗ в сети сработают оба автомата и селективность их обеспечить не возможно. При этом необходимо помнить, что реальные токи КЗ могут быть меньше расчетных, например, за счет неучета в расчетах сопротивления дуги. Если обеспечение селективности связано с увеличеним времени отключения КЗ или существенного повышения затрат, а ущерб от неселективности не велик, допускают неселективную работу аппаратов.

При необходимости обязательного обеспечения селективности в указанных ситуациях применяются так называемые селективные автоматы. Эти автоматы оснащаются полупроводниковымирасцепителями, имеющими регулируемую уставку как по току, так и по времени срабатывания.

 

Порядок выполнения работы

Ознакомиться с лабораторным стендом и его принципиальной схемой (рис. П7.1, П7.2).

Выполнить следующее:

·  используя силовые соединительные шнуры подключить один полюс автомата QF1 или QF2, которые встроены в стенд, или любого другого, с номинальным током до 20 А, к выходу нагрузочного трансформатора (клеммы ХТ7 и ХТ8 на схеме рис.П7.2);

·  установить переключатель SA1 в положение «1»;

·  включить питание стенда выключателем FD1;

·  изменяя ток с помощью автотрансформатора Т1 построить защитную (времятоковую) характеристику автомата (рис.7.1) в диапазоне токов от 2I_Ндо тока уставки мгновенной отсечки (5 -7 точек). При этом необходимо учесть, что время срабатывания автоматов при двукратном номинальном токе расцепителя составляет десятки секунд, при срабатывании электромагнитной отсечки – десятки миллисекунд;

·  предусмотреть выдержку времени между отдельными измерениями не менее 3 мин. для остывания деталей автомата;

·  сравнить опытную защитную характеристику с паспортной (рис.П7.2), для чего вычертить обе характеристики на одном чертеже и указать опытные технические параметры и паспортные данные;

·  по таблице определить тип защитной характеристики исследуемого автомата;

·  вычертить диаграмму селективности двух автоматов (QF1 и QF2) и сформулировать выводы по ней.

В отчете по лабораторной работе должны быть приведены паспортная и опытная защитные характеристики (на одном рисунке) исследуемого автомата, а также его технические параметры.

 

7.3. Контрольные вопросы

1. Из каких основных узлов состоят автоматические воздушные выключатели (автоматы)? Каковы их функции?

2. Технические параметры автоматов.

3. Какимирасцепителями могут оснащаться автоматы?

4. Чем обуславливается разброс защитной характеристики автомата?

5. Что такое карта селективности автоматов? Как она строится и для чего?

6. Какими путями обеспечивается селективность автоматов?

 

Приложение 7.1

Лабораторные работы по изучению низковольтных аппаратов проводятся на универсальном лабораторном стенде, разработанном на кафедре «Электрические и электронные аппараты» Московского Энергетического Института совместно с компанией АВВ, внешний вид которого представлен на рис. П7.1.

Рис. П7.1. Внешний вид лабораторного стенда

 

Краткое описание лабораторного стенда. Лабораторный стенд включает в себя все оборудование и электрические аппараты, необходимые для выполнения следующих лабораторных работ:

1. Опытное построение защитной (времятоковой) характеристики автомата;

2. Изучение технических параметров и характеристик устройств защитного отключения (УЗО);

3. Изучение типовой схемы магнитного пускателя и построение защитной (времятоковой) характеристики теплового реле;

4. Изучение работы электромагнитных контакторов переменного и постоянного тока.

Электрическая схема лабораторного стенда изображена на  рис. П7.2 и включает в себя следующие элементы:

FD1 – дифференциальный автомат, служащий для защиты цепей стенда (расположен внизу лицевой панели);

XS1, XS2 – две розетки для подключения внешней аппаратуры, например, осциллографа;

В – вентилятор, служащий для охлаждения элементов, размещенных внутри стенда;

 

Рис. П7.2. Электрическая схема лабораторного стенда

SA1 – переключатель, положение которого определяет конкретную выполняемую лабораторную работу (расположен внизу лицевой панели);

Т1 – автотрансформатор, служащий для регулирования напряжения (рукоятка управления расположена на правой панели);

Т2 – разделительный трансформатор;

Т3 – нагрузочный трансформатор, используемый для построения защитных характеристик автоматов и теплового реле;

К1, К2 – контакторы переменного тока;

К3 – контактор постоянного тока;

FD2, FD3, FD4 –дифференциальные автоматы;

QF1, QF2 – модульные автоматы;

КК1 – тепловое реле;

V, A – цифровой мультиметр, который совмещает в себе функции вольтметра и амперметра (расположен внизу лицевой панели);

Таймер – прибор для измерения времени в миллисекундном диапазоне (расположен вверху левой панели).

Приложение 7.2

На рисунке представлены защитные характеристики модульных автоматов.

Защитные характеристики модульных автоматов фирмы АВВ

 

 

Лабораторная работа № 8

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ, ТЕХНИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВ

ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ (УЗО)

 

Цель работы: Изучение принципа работы и технических параметров  устройств защитного отключения (УЗО). Экспериментальное определение времени срабатывания УЗО.

Теоретические сведения

 

Устройства защитного отключения (УЗО) предназначены для автоматического отключения электроустановок при однофазном (однополюсном) прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока утечки (замыкания), превышающего заданное значение.

УЗО применяются для комплектации вводно-распределительных устройств, распределительных щитов, групповых щитков (квартирных и этажных), устанавливаемых в жилых и общественных зданиях, в административных зданиях, производственных помещениях, а так же для защиты отдельных потребителей электроэнергии.

Исключение составляют электроустановки, не допускающие по технологическим причинам перерыва в электроснабжении. В таких случаях должны применяться другие электрозащитные меры. Например, запрещено устанавливать УЗО на линиях, питающих установки пожарной сигнализации.

Из всех известных электрозащитных средств УЗО яв­ляется единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.

Другим, не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. Короткие замыкания, как правило, развиваются из дефектов изоляции, замыканий на землю, утечек тока на землю. УЗО, реагируя на ток утечки на землю или на защитный проводник, заблаговременно, до развития в корот­кое замыкание, отключает электроустановку от источника питания, пре­дотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, воз­никновение дуги и возможное последующее возгорание. Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток (ток утечки) в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Основные функциональные блоки УЗО представлены на рис. 8.1.

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциаль­ный трансформатор тока 1. В абсолютном большинстве УЗО, производи­мых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве дат­чика дифференциального тока используется именно трансформатор тока.

Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока — то­ка утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Про­водники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора то­ка. Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как I ₁ а от нагрузки как I ₂, то можно записать равенство: I ₁ = I ₂.

Сеть 380/220В

УЗО

QF

L1

L2

L3

N

PE

N

PE

RT

T

N

L

ЭУ

(2)

(1)

2

3

4

1

UПР

UФ

I1

I2

IΔ

IIIΔ(2)

IΔ(1)

IIΔ(2)

IΔ(2)

IΔ(1)

Тр

Рис. 8.1. Структура УЗО

 

 

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные и встречно направлен­ные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора так­же равен нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя. При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции и который оказался не зануленным, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I ₁ протекает дополнительный ток — ток утечки (I _D), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках (I ₁ + I _D в фазном проводни­ке) и (I ₂ = I ₁ в нейтральном проводнике) вызывает неравенство маг­нитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа 2, последний сра­батывает и воздействует на исполнительный механизм 3 и УЗО отключает цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспо­собности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

На рис 8.1 представлены две расчетные ситуации. Перваяситуация – непосредственное прикосновение человека к токоведущей части, находящейся под напряжением. Человек попадает под полное фазное напряжение и через его тело проходит ток утечки  (показан на рис. 8.1 прерывистой линией). Если этот ток превосходит ток уставки: , происходит быстрое отключение УЗО. Электробезопасность при этом обеспечивается быстротой срабатывания УЗО. Втораяситуация – косвенное прикосновение. Это прикосновение к проводящему корпусу электроустановки, на котором появилось напряжение прикосновения , вызванное повреждением изоляции фазного проводника. Корпус электроустановки занулен (присоединен к защитному проводнику РЕ) и по петле фаза-ноль протекает ток утечки , величина которого зависит от сопротивления в месте пробоя изоляции на корпус. Максимальное значение этого тока равно току однофазного КЗ при нулевом сопротивлении в месте пробоя. Величина тока утечки в защитном проводнике  определяет напряжение прикосновения , наибольшее значение которого, равное фазному, будет иметь место лишь при обрыве защитного проводника (). Таким образом, возможный диапазон напряжения прикосновения  представляет интервал от нуля до фазного. Если  превышает дифференциальный ток срабатывания, то УЗО так же быстро отключается, что обеспечивает необходимую электробезопасность.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа:

·  УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (элек­тромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирова­ния — выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является для устройства сам сигнал — дифференциальный ток, на который оно реагирует;

·  УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электрон­ные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в электроэнергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего ис­точника.

Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, более ограничено в силу их меньшей надежности, подвер­женности воздействию внешних факторов и др. Однако основной причи­ной меньшего распространения таких устройств является их неработоспо­собность при часто встречающейся и наиболее опасной (по условиям веро­ятности электропоражения) неисправности электроустановки, а именно — при обрыве нулевого рабочего проводника в цепи до УЗО по направлению к источ­нику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику выно­сится опасный для жизни человека потенциал.

Существует класс приборов — УЗО со встроенной защитой от сверхто­ков, так называемые комбинированные УЗО или дифференциальные автоматы. Конструктивной особенностью дифференциальных автоматов (УЗО со встроенной защитой от сверхто­ков) является то, что механизм размыкания силовых контактов запускается при воздействии на него любого из трех элементов — катушки с сердечни­ком токовой отсечки, реагирующей на ток короткого замыкания, теплового расцепителя, реагирующего на токи перегрузки, и магнитоэлектриче­ского расцепителя, реагирующего на дифференциальный ток.

Основные технические параметры УЗО:

1. Номинальное напряжение (U_Н) — действующее значение напряже­ния, при котором обеспечивается работоспособность УЗО. U _Н = 380 В для четырехполюсных и U _Н = 220 В для двухполюсных УЗО.

2. Номинальный ток (I _Н) выбирается из ряда: 6, 10, 16, 25, 40, 63, 80, 100, 125 А. Поскольку УЗО должно быть защищено от КЗ и перегрузок последовательным защитным устройством (ПЗУ), номинальный ток УЗО должен быть скоординирован с номинальным током ПЗУ.

Номинальный ток УЗО должен быть равен или на ступень выше номинального тока последовательного защитного устройства. Это означает, что, например, в цепь, защищаемую автоматическим выключателем с номинальным током 25 А должно быть установлено УЗО с номинальным током 40 А (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Устройство	Номинальный ток, А
ПЗУ	10	16	25	40	63	80	100
УЗО	16	25	40	63	80	100	125

3. Номинальный отключающий дифференциальный ток (ток уставки I _{D Н}) — зна­чение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО: I _{D Н} = 6, 10, 30, 100, 300, 500 мА.

Уставку УЗО для каждого конкретного случая применения выбирают с учетом следующих факторов:

- значения существующего в данной электроустановке суммарного то­ка утечки на землю — так называемого «фонового тока утечки»;

- реального значения отключающего дифференциального тока УЗО, ко­торое в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50807-94 находится в диапазоне 0,5 I _{D Н} ÷ I _{D Н.}

Согласно требованиям ПУЭ номинальный дифференциальный отключающий ток УЗО должен быть не менее чем в три раза больше суммарного тока утечки защищаемой цепи электроустановки - I _D.

I _{D Н} ³ 3 I _D.

Суммарный ток утечки электроустановки замеряется специальными приборами, либо определяется расчетным путем.

При отсутствии фактических (замеренных) значений тока утечки в электроустановке ПУЭ (п. 7.1.83) предписывают принимать ток утечки электроприемников из расчета 0,4 мА на 1 А тока нагрузки, а ток утечки цепи из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника.

Рекомендуемые значения номинального отключающего дифференциального тока I _{D Н} УЗО приведены в табл. 8.2.

Временные указания предписывают: для сантехнических кабин, ванных и душевых устанавливать УЗО с током срабатывания:

- 10 мА, если на них выделена отдельная линия; в остальных случаях, (например, при использовании одной линии для сантехнической кабины, кухни и коридора) допускается использовать УЗО с уставкой 30 мА;

- в индивидуальных жилых домах для групповых цепей, питающих штепсельные розетки внутри дома, включая подвалы, встроенные и пристроенные гаражи, а также в групповых сетях, питающих ванные комнаты, душевые и сауны УЗО с уставкой 30 мА;

- для устанавливаемых снаружи дома штепсельных розеток УЗО с уставкой 30 мА.  

Таблица 8.2     

Номинальный ток нагрузки в зоне защиты, А	16	25	40	63	80
I D Н при работе в зоне защиты одиночного потребителя, мА	10	30	30	30	100
I D Н при работе в зоне защиты группы потребителей, мА	30	30	30 (100)	100	300
I D Н УЗО противопожарного назначения на ВРУ, мА	300	300	300	300	500

 

Для повышения уровня защиты от возгорания при замыканиях на заземленные части на вводе в квартиру, индивидуальный дом и другие потребтели электроэнергии, в ПУЭ рекомендуется установка УЗО с током срабатывания до 300 мА.

4. Номинальное время отключения Т_Н — промежуток времени между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом гашения дуги на всех полюсах.

Стандартные значения максимально допустимого времени отключения УЗО не должны превышать величин, приведенных в табл. 8.3.

Таблица 8.3

Ток уставки	I D Н	2 I D Н	5 I D Н	500А
Время отключения ТН, с	0,3	0,15	0,04	0,04

 

Стандартами установлено предельно допустимое время отключения УЗО – 0,3 с. В действительности современные качественные УЗО имеют быстродействие порядка 20—30 мс. Это означает, что УЗО - «быстрый» выключатель, поэтому на практике возможны ситуации, когда УЗО срабатывает раньше аппарата защиты и отключает как токи нагрузки, так и сверхтоки, включая ток однофазного КЗ.

В силу очень высокого быстродействия УЗО практически невозможно обеспечить селективность действия УЗО по току при значениях уставок на соседних ступенях защиты, например, 10 и 30 мА, или 30 и 100 мА. Необходимо также учитывать, что на практике утечка тока в электроустановке вовсе не обязательно плавно увеличивается по мере старения изоляции, появления мелких дефектов и т.д. Возможны пробой изоляции или ее серьезное повреждение, когда ток утечки мгновенно достигает значения, значительно превышающего уставку. Логично, что в этих случаях возможно срабатывание любого из УЗО, установленных последовательно в цепи.

Селективность работы УЗО может быть обеспечена применением моди­фикаций УЗО с выдержкой времени срабатывания (УЗО с индексами S или G). УЗО с индексом S имеют выдержку времени от 0,13 до 0,5 с, с индексом G — меньшую выдержку.

На рис. 8.3 приведены времятоковые характеристики УЗО без выдержки времени с номинальным отключающим дифференциальным током I _{D Н} = 30 мА и УЗО с выдержкой времени (характеристика S) с номинальным отключающим дифференциальным током I _{D Н} = 300 мА.

Рис. 8.3.Времятоковые характеристики УЗО с номинальными дифференциальными токами срабатывания 30 и селективного 300 мА

 

Порядок выполнения работы

Описание лабораторного стенда представлено в приложении 7.1(см.лаб. работу№7). В нем установлены 3 УЗО фирмы АББ:

FD2 (; 

FD3 ;

FD4 . 

Требуется выполнить следующее:

·  включить питание стенда выключателем QF, при этом переключатель SA1 должен оставаться в положении «0»;

·  подключить осциллограф к клеммам ХТ11 – ХТ12 для измерения времени отключения УЗО;

·  изменяя ток утечки переключением выключателей SA2 – SA10 с минимального значения 5 mА до 300 mА построить защитные характеристики для всех трех УЗО, установленных в стенде;

·  с помощью соединительных проводов подключить все три УЗО к выходу нагрузочного трансформатора Т3, переключить SA1 в положение 1 и определить время отключения УЗО при максимальном токе.

Вотчете по лабораторной работе должны содержаться изложение целей работы, краткое описание лабораторной установки, технические параметры исследуемых УЗО, защитная характеристика FD2, таблица 8.3 с указанием полученных экспериментальным путем значений времени срабатывания, выводы по проделанной работе и полученным результатам.

 

8.3. Контрольные вопросы

1. Какие функции выполняют УЗО?

2. Где (в каких точках сети) должны устанавливаться УЗО?

3. В чем состоит принцип работы УЗО?

4. Какими техническими параметрами характеризуется качество УЗО?

5. Каковы требования к быстродействию УЗО?

6. Как обеспечивается селективность нескольких УЗО?

Лабораторная работа № 9