«...Вот говорят: прогресс, развитие... Все тут развиваются, все хотят
получше, помощнее... А как питать?! Питание хотят тоже хорошее! Всем
дай! А как?! Особенно, если вдруг где-то у них начнет «есть» сверх меры
или вовсе замкнет?! Начинают слова всякие умные говорить, мол,
модульность, селективность, узо... А потом как у них пыхнет в щитке
- сразу «а почему»?!..»
(Дядя Вася, электрик из нашего ЖЭКа)

В электротехнике под «селективностью» понимают совместную работу последовательно включенных аппаратов защиты электрических цепей (автоматические выключатели, плавкие предохранители, УЗО и т.п.) в случае возникновения аварийной ситуации.

Селективность используется при выборе номинала устройств защиты гражданских и промышленных электроустановок для отключения от общей системы питания только той ее части, где произошла авария. Это достигается за счет срабатывания только того автоматического выключателя, который защищает аварийную линию питания.

При проектировании и эксплуатации современных систем электроснабжения основной задачей является обеспечение селективности, т.е. координации рабочих характеристик аппаратов защиты при любых типах повреждения.

Селективная защита позволяет использовать аппараты защиты с отключающей способностью ниже, чем расчетный ток КЗ в точке его установки, учитывая, что другое устройство защиты с необходимой отключающей способностью имеется на стороне питания. В таком случае характеристики этих устройств должны согласовываться так, чтобы значение удельной энергии (I²t), пропускаемой устройством на стороне питания, было не выше выдерживаемого без повреждения устройства на стороне нагрузки и защищаемых линий.

Координация – это последовательное соединение двух или нескольких аппаратов с целью защиты от сверхтоков, чтобы обеспечить селективность при сверхтоках и резервную защиту.

Для селективной работы автоматических выключателей при перегрузках нужно, чтобы номинальный ток (I_n) автоматического выключателя со стороны питания был больше I_n автоматического выключателя со стороны потребителей. Добиться селективной работы автоматических выключателей при КЗ сложнее, а иногда невозможно. Проверка возможности селективной работы производится при расчетном токе КЗ по специальным таблицам, которые имеются в каталогах фирм-производителей оборудования.

Латинские буквы B, C и D обозначают характеристику наиболее распространенных автоматических выключателей, которая называется «тип мгновенного расцепления» и установлена в ГОСТ Р 50345 (МЭК 60898-95) «Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения». Конкретный тип мгновенного расцепления устанавливает диапазон токов мгновенного расцепления, протекание которых в главной цепи автоматического выключателя может вызвать его расцепление без выдержки времени. В ГОСТ Р 50345 для каждого типа мгновенного расцепления установлены следующие стандартные диапазоны токов мгновенного расцепления: тип В – 3÷5I_n; тип С – 5÷10I_n; тип D – 10÷50I_n (I_n – номинальный ток автоматического выключателя). Автоматические выключатели с типом мгновенного расцепления D обычно имеют диапазон токов мгновенного расцепления свыше 10I_n до 20I_n.

Стандартная времятоковая зона предписывает следующее поведение автоматического выключателя. Если в главной цепи автоматического выключателя протекает электрический ток, величина которого равна нижней границе диапазона токов мгновенного расцепления (3I_n, 5I_n и 10I_n), то автоматический выключатель должен расцепиться за промежуток времени более 0,1 с.

При протекании в главной цепи тока, равного верхней границе диапазона токов мгновенного расцепления (5I_n, 10I_n и 50I_n), автоматический выключатель расцепляется за время менее 0,1 с. Если значение тока главной цепи находится в диапазоне токов мгновенного расцепления, автоматический выключатель расцепляется либо с незначительной выдержкой времени (несколько секунд), либо без выдержки времени (менее 0,1 с). Фактическое время срабатывания автоматического выключателя определяется его индивидуальной времятоковой характеристикой.

В ассортименте модульного оборудования ТМ IEK есть две серии – ВА47-29 и ВА49-100 с номинальной отключающей способностью 4,5 кА и 10 кА соответственно. Вышеупомянутые аппараты обеспечивают работу только в пределах указанных величин, и за счет подбора автоматов с различными буквенными обозначениями достигается только частичная селективность. Здесь мы можем говорить только о «частично-условной» селективности в цепях электропитания конечного потребителя, т.к. на этой группе аппаратуры невозможно реализовать временную селективность. Например, со стороны питания поставить ВА49-100 типа D, а в зоне конечных потребителей – ВА49-27 типа В или, для достижения большего защитного эффекта, - типа А.

Проблему селективности решает применение автоматических выключателей, соответствующих ГОСТ Р 50030.2 (МЭК 60947-2-98) промышленного исполнения. В каталоге продукции ТМ IEK это серии автоматических выключателей в литом корпусе ВА88 и воздушных ВА07. Среди этого оборудования есть аппараты с категорией применения «А» (общего применения) и «В» (специально предназначенные для обеспечения селективности в условиях КЗ относительно других устройств защиты от КЗ).

Схема на рис. 1 указывает на необходимость согласования срабатывания двух автоматических выключателей – «1» и «2», что бы в случае КЗ в точке «3» сработал только автоматический выключатель «2», что гарантирует бесперебойное энергоснабжение остальной части схемы, запитанной через выключатель «1».

Учитывая, что селективность в пределах диапазона токов перегрузки электрической установки обычно реализуется посредством различий номинальных токов автоматических выключателей защиты линий потребителей и основного (вводного) автоматического выключателя на стороне питания, то селективность в диапазоне токов КЗ достигается путем дифференциации значений токовых уставок и, при необходимости, времени срабатывания.

Селективность может быть полной или частичной:

• полная селективность: при значениях тока меньше или равных максимальному току КЗ в точке «3» – срабатывает только автоматический выключатель «2»;
• частичная селективность: при значениях тока КЗ ниже определенного значения срабатывает только автоматический выключатель «2», а при значениях тока КЗ, равных или выше этого определенного значения срабатывают автоматические выключатели «1» и «2».

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.

Схема на рис. 2 – это пример полной селективности трех автоматических выключателей, установленных последовательно в системе с номинальным напряжением 400В и расчетным током КЗ 30кА.

Как показано на диаграмме (Рис. 3), при указанных выше уставках пересечение между времятоковыми кривыми различных автоматических выключателей отсутствует. Здесь выполнено условие селективности, когда минимальная задержка 70мс гарантирует следующую селективность:

• до 50 кА между поз. 1 и поз. 2;
• до 35 кА между поз. 2 и поз. 3.

Таким образом, если максимальный расчетный ток КЗ системы составляет 30 кА, то можно говорить о полной селективности.

Селективность по току

Достигается путем задания различных уставок по току автоматических выключателей (максимально – токовой отсечки), причем более высокие уставки имеют автоматические выключатели на стороне питания.

В оконечных электрических установках главным образом используются автоматические выключатели, имеющие функцию максимальной токовой защиты. Фактически обеспечивается только частичная селективность. Времятоковые характеристики указаны на рис. 4.

Селективность по времени

Достигается путем преднамеренной задержки времени срабатывания автоматических выключателей, причем в последовательной цепочке выключателей большее время срабатывания имеет выключатель, ближайший к источнику питания.  Уставка срабатывания по времени выключателей на стороне питания должна быть на 50% выше, чем на стороне нагрузки, так же, как и при обеспечении селективности по току. В данном случае нужно убедиться, что автоматические выключатели с задержкой срабатывания имеют значение кратковременно выдерживаемого тока I_cw, превышающее максимальный ток КЗ, который может протекать в установке (максимальное значение расчетного тока при задержке срабатывания). Селективность по времени требует установки задержки не менее 100 мс по отношению ко времени срабатывания автоматического выключателя на стороне нагрузки. Времятоковые характеристики – на рис. 5.

Зонная селективность

Реализуется между двумя аппаратами, объединенными специальной связью. Когда расположенный ниже обнаруживает неисправность, он посылает сигнал выключателю, расположенному выше, который начнет отсчет выдержки времени, равной 50 мс. Если за это время расположенный ниже выключатель не в состоянии ограничить воздействие неисправности, то активизируется выключатель, расположенный выше (рис. 6). Электронные расцепители автоматических выключателей обеспечивают выполнение зонной селективности.

Селективность улучшается при использовании автоматических выключателей с электронными расцепителями, в которых I²t=const, что позволяет избежать наложения характеристик. Времятоковые характеристики указаны на рис. 7.

Все вышеприведенные рассуждения о подборе оборудования и его настройках велись с учетом величины токов КЗ на различных участках схемы электропитания. Что же это за токи? Различают максимальный и минимальный ожидаемые токи КЗ.

Максимальный ожидаемый ток КЗ – это ток на линейных зажимах устройства защиты от КЗ, который может быть рассчитан при известных параметрах сети питания и параметрах электроустановки со стороны питания до места устройства защиты.

Минимальный ожидаемый ток КЗ – это ток, соответствующий КЗ в самой отдаленной точке защищаемой цепи, при КЗ между фазой и нейтралью или, если нейтраль не распределена, между фазами. В случае питания установки от нескольких источников рассматривается только один источник, имеющий максимальное внутреннее полное сопротивление.

Упрощенный вариант расчета токов КЗ:

Расчет минимального тока КЗ производится по следующим формулам:

Для трехфазных цепей с нераспределенной нейтралью (КЗ между фазами):

где: I – ожидаемый ток КЗ, А;
U – линейное напряжение источника питания, В;
r – электрическое удельное сопротивление жилы кабеля, Ом мм2/ м, при 20°С;
L – длина защищаемой проводки, м;
S – площадь поперечного сечения жилы кабеля, мм2.

Для трехфазных цепей с распределенной нейтралью с уменьшенным или неуменьшенным сечением проводника (КЗ между фазой и нейтралью):

где: U₀ - номинальное напряжение источника питания между фазой и нейтралью, В;
m - отношение между сопротивлением нейтрального проводника и сопротивлением фазного проводника (или отношение между площадью сечения фазного и площадью сечения нейтрального проводников, если они сделаны из одного и того же материала);
ρ - удельное сопротивление материала проводника (0,018 для меди и 0,027 для алюминия), для проводников с сечением выше 95 мм2 учитываем реактивное сопротивление.

Расчетные токи КЗ используют для определения требуемой отключающей способности устройства защиты при КЗ.

По минимальному току КЗ выбирают ток мгновенного отключения автоматического выключателя, который должен быть не меньше расчетного минимального тока КЗ.

Если устройство располагается на главном вводе электроустановки, выбор устройства защиты производят по наибольшей отключающей способности.

При оценке надежности работы максимальной токовой защиты, в том числе в сети 0,4 кВ, согласно ПУЭ п. 3.1.8, в качестве критерия рассматривается её чувствительность, определяемая кратностью тока КЗ по отношению к номинальному току тепловых и току срабатывания электромагнитных расцепителей автоматов. В последнем, 7-м издании ПУЭ, п. 1.7.79, введен новый критерий, а именно максимально допустимое время автоматического отключения повреждения.

В условиях изменяющегося сопротивления и тока КЗ время срабатывания защиты не может быть определено, как это обычно делается, по заводской времятоковой характеристике расцепителя автомата. При значительном изменении тока КЗ становится неопределенным и понятие чувствительности защиты, особенно выполняемой тепловыми расцепителями.

Кратность тока отсечки вводного автомата следует принимать как можно меньше. Кратность тока отсечки выпускаемых выключателей может быть равной 5I_n; 10I_n, с погрешностью ± 20%. Следует учитывать, что надежное срабатывание отсечки происходит при верхнем значении кратности тока в указанных диапазонах, т.е. 6I_n, 12I_n. При этих кратностях тока зона действия отсечки не распространяется на всю длину кабелей малого сечения. Меньшую кратность тока отсечки допускают автоматы с электронными расцепителями, например, ВА88, ВА07.

Еще один из способов решения задачи селективности – это применение в цепи питания плавких предохранителей.

Ниже приведены сведения из стандарта ГОСТ Р 50030.2, определяющие принципы координации автоматических выключателей с плавкими предохранителями, включенными в одну цепь.

При правильно рассчитанной системе координации отключающих устройств предполагается, что при любых значениях сверхтока вплоть до номинальной предельной наибольшей отключающей способности I_cu отключение производит только автоматический выключатель.

На практике действительны такие соображения:

• если значение ожидаемого аварийного тока в данной точке системы ниже I_cu, предполагаем, что включение в цепь одного или нескольких плавких предохранителей не связанно с резервной защитой;
• если значение тока координации IB (предельное значение тока, выше которого при последовательном соединении двух аппаратов защиты от сверхтоков один защитный аппарат обеспечивает резервную защиту второго) слишком мало, возникает опасность потери селективности;
• если значение ожидаемого аварийного тока в данной точке системы выше I_cu, следует так подобрать один или несколько плавких предохранителей, чтобы обеспечить IB ≤ I_cu.

Определение тока координации и соответствие требованиям IB ≤ I_cu следует проверять сопоставлением рабочих характеристик автоматического выключателя и плавкого предохранителя.

Пригодность комбинации оценивают, рассмотрев рабочую характеристику I²t плавкого предохранителя в диапазоне от I_cu до ожидаемого тока КЗ в области применения, но не выше наибольшей отключающей способности комбинации. Это значение не должно превышать I²t автоматического выключателя при его номинальной наибольшей отключающей способности. Это иллюстрируют приведенные на рис. 8 графики.

I — ожидаемый ток КЗ;
I_S — предельный ток селективности;
I_B — ток координации;
I_cu — номинальная предельная наибольшая отключающая способность автоматического выключателя;
А — преддуговая характеристика плавкого предохранителя;
В — рабочая характеристика плавкого предохранителя;
С — рабочая характеристика. автоматического выключателя

Рассмотрим реализацию селективной защиты на примере абстрактной системы электроснабжения низкого напряжения (НН) с применением продукции ТМ IEK с практическими рекомендациями к конкретной аппаратуре.

При проектировании и эксплуатации современных систем электроснабжения НН основная задача – селективность аппаратов защиты, координации их рабочих характеристик при любых типах повреждения.

В решении этой задачи выделяем три уровня системы электроснабжения (см. рис. 9), каждый из которых имеет свои особенности и требования к аппаратам защиты.

Уровень 1: Главный распределительный щит (ГРЩ) является наиболее важной частью сети НН, которой свойственны:

• высокие требования к бесперебойности электроснабжения, так как ложное срабатывание аппарата на этом уровне приводит к отключению большого числа потребителей;
• относительно высокие значения токов КЗ из-за близости к источнику питания;
• большие номинальные токи, так как вся нагрузка нижерасположенной сети питается от секций ГРЩ.

На этом уровне в качестве вводных аппаратов наиболее часто применяются токоограничивающие воздушные автоматические выключатели. Эти аппараты согласно ГОСТ Р 50030.2 (МЭК 60947.2) относятся к категории применения «В», для которой нормируется величина кратковременно допустимого сквозного тока КЗ I_cw. Это позволяет данным аппаратам срабатывать с заданной выдержкой времени, которая устанавливается на блоке контроля и управления. Задача производителя при этом заключается в том, чтобы автоматический выключатель категории «В» имел значение I_cw, близкое или равное значению предельной отключающей способности I_cu. То есть, чтобы он обеспечивал временную селективность с нижестоящими аппаратами при токах КЗ вплоть до значения своей предельной отключающей способности. При этом не менее важно, чтобы рабочая отключающая способность аппарата I_cs была равна предельной I_cu, т.е. I_cs=100%I_cu. Это позволяет аппарату не менее трех раз отключать ток КЗ, равный предельной отключающей способности автоматического выключателя.

Всем этим особенностям и требованиям в полной мере удовлетворяют аппараты серии ВА07 торговой марки IEK, у которых I_cw= I_cu и имеет значение для разных исполнений от 65кА до 100кА.

В некоторых случаях необходимо, чтобы близкие КЗ относительно вводных аппаратов (например, КЗ на сборных шинах ГРЩ) отключались ранее, чем установленная на вводном аппарате выдержка времени защиты от КЗ. В этом случае предлагаетcя использовать так называемую «зонную» селективность, которая реализуется посредством передачи информации по информационной линии. Эта линия соединяет аппараты, охваченные «зонной селективностью». В аварийном режиме выключатель, расположенный выше повреждения, обнаруживает его и посылает сигнал блокировки на верхний уровень, т.е. вышестоящему выключателю. В этом случае вышестоящий аппарат будет работать с заданной на расцепителе выдержкой времени. В случае, если вышестоящий автоматический выключатель не получает сигнал блокировки, например при КЗ на шинах ГРЩ, он срабатывает мгновенно.

Таким образом, применяемые на ГРЩ вводные аппараты ВА07 категории «В» обеспечивают временную селективность при токах КЗ вплоть до своей предельной отключающей способности, имеют функцию логической селективности и характеристику I_cs=I_cu.

Уровень 2: Промежуточные распределительные щиты (вторичное распределение). На этом уровне системы электроснабжения НН - по-прежнему повышенные требования к бесперебойности питания, высокие значения ожидаемых токов КЗ, а также существует необходимость снижения тепловых и электродинамических воздействий токов КЗ на электроустановку (особенно на кабельные линии). Поэтому здесь часто применяются токоограничивающие автоматические выключатели в литом корпусе, относящиеся к категории «А», реже «В».  Типичные представители - аппараты серии ВА88.

Уровень 3: Конечное распределение. Основными требованиями этого уровня являются обеспечение эффективного токоограничения и электробезопасности (аппараты этого уровня защищают непосредственно конечного потребителя). Поэтому здесь применяют модульные токоограничивающие автоматические выключатели, относящиеся к категории «А». Это автоматические выключатели серии ВА47-29, ВА47-100, дифференциальные автоматические выключатели АВДТ32, АВДТ12/14 т.п.

Вопросам селективности можно было бы посвятить не одну статью, а целую серию. Но и вышеприведенный обзор основных аспектов реализации селективной защиты поможет осознанно и с пониманием подходить к решению задач подбора номинала комплектующих для конкретного технического проекта заказчика.

Владимир Селиверстов
Вестник ИЭК, март 2008