Селективность в домашнем щите: как достичь невозможного?

В предыдущей статье журнала (№ 6 за 2022 год) я подробно рассказал, что такое ток короткого замыкания и какое значение он имеет для всех, кто причастен к электротехнической науке. Что касается практической электротехники, в журнале № 2 за этот год я на примере своей квартиры и дачи измерил реальный ток короткого замыкания тремя способами. Сегодня — завершающая статья из этого цикла статей. Я расскажу, что такое селективность и как на нее влияет значение тока короткого замыкания. Рассмотрим, когда можно, а когда невозможно обеспечить селективность и чем это может грозить. Приготовьтесь — для полноты изложения пришлось детально разобрать некоторые теоретические вопросы.

В реальной жизни отсутствие селективности может привести к очень неприятным последствиям. Например, из-за замыкания в удлинителе, передавленном шкафом, может произойти отключение всей квартиры. Далее зависит от ситуации. Если никого дома нет, возможно размораживание холодильника с порчей продуктов. Могут быть последствия еще хуже — если дело происходит зимой в частном доме, из-за остановки насоса вполне вероятна заморозка воды в отопительной системе со всеми вытекающими последствиями…

Что такое селективность?

Применительно к автоматическим выключателям (АВ), включенным в последовательную цепь, селективностью называется способность отключения только аварийной линии, без отключения вышестоящего (вводного) выключателя.

Вместо термина «селективность» иногда используют понятие «избирательность».

Иными словами, в двухступенчатой схеме защиты, которая используется в подавляющем большинстве случаев, при возникновении сверхтока должен отключиться только нижестоящий выключатель, питающий проблемную линию, а вводной выключатель, через который питаются другие линии, которые «ни в чем не виноваты», должен продолжить исправно работать и пропускать через себя ток.

Привожу схему, поясняющую селективную работу последовательно включенных автоматических выключателей.

Схема для иллюстрации селективной работы автоматических выключателей

При возникновении сверхтока в линии, которая питается через автоматический выключатель АВ2, вводной АВ1 должен продолжать работать во включенном состоянии, питая остальные линии (АВ3).

Как обычно, гладко бывает только на бумаге, поскольку на практике такая селективность зависит от нескольких факторов:

• от величины (диапазона значений) сверхтока, который возник в результате нештатной ситуации;
• от соотношения номиналов вышестоящего и нижестоящего АВ;
• от характеристик отключения (время-токовых характеристик) электромагнитных расцепителей АВ (В, С, D).

Кроме того, следует учитывать, что на практике мы имеем дело не с графиками и нормами ГОСТ, а с реальными устройствами, которые могут иметь разброс параметров в определенном диапазоне.

Что такое сверхток?

Сверхток, как известно, — это любой ток, который превышает номинальный. Максимальное его значение на практике можно считать равным току КЗ.

Обычно номинальным током цепи считают номинальный ток «нижнего» по схеме автоматического выключателя, который ограничивает ток в этой цепи. Разумеется, если расчет схемы проведен верно и автоматический выключатель является тем самым слабым звеном, которое разорвет цепь при сверхтоке.

Все значения сверхтока условно делят на две части — ток перегрузки и ток короткого замыкания. Это деление пошло из-за того, что за каждый из этих токов «отвечает» свой расцепитель внутри автоматического выключателя. Током перегрузки принято называть ток, от которого срабатывает тепловой расцепитель (биметаллическая пластина), который работает сравнительно инерционно. Током короткого замыкания называют такие величины сверхтока, при которых защиту цепи обеспечивает электромагнитный (ЭМ) расцепитель, работающий гораздо быстрее теплового.

Следует отличать три понятия — явление короткого замыкания, ток КЗ как измеренный параметр электросети в данной точке и ток КЗ как область работы автоматического выключателя, при котором срабатывает электромагнитный расцепитель. Ох уж эти вольности в терминологии!

Выводы и полезное видео по теме

Неполадки при работе автоматических выключателей и их устранение:

Вычерчивание карты селективности посредством специальной программы:

Надежное, безопасное использование электрической проводки невозможно без учета избирательности автоматов. Зная об основных моментах создания селективной защиты, можно грамотно выполнить подбор оборудования для своего технического проекта.

Вы профессионально занимаетесь электромонтажными работами и хотите дополнить изложенный выше материал? Или заметили несоответствие или ошибку в этой статье? А может вы хотите задать вопрос нашим экспертам? Пишите, пожалуйста, свои комментарии в блоке ниже.

Надежная и безопасная работа электрических сетей обеспечивается различными способами, среди которых важную роль играет селективность автоматических выключателей. Она представляет собой особую функцию релейной защиты, способной избирательно обнаруживать неисправный участок или элемент в общей системе и отключать только его. Таким образом, предупреждаются аварийные ситуации, а уровень защиты становится значительно выше.

Что такое время-токовые характеристики?

Надеясь на подготовленность читателя, буду краток и расскажу только о том, что касается темы статьи. Буквы В, С и D — это главная характеристика электромагнитного расцепителя. Буквой обозначается диапазон токов мгновенного расцепления. В начале этого диапазона ЭМ расцепитель не должен сработать, в пределах диапазона — может сработать, а при сверхтоке, равном верхнему краю диапазона (и больше), — должен сработать. Границы диапазонов можно проиллюстрировать на упрощенных графиках для трех АВ с одинаковым номинальным током 10 А, но с разными характеристиками отключения:

Графики для одного номинального тока и разных характеристик расцепления

График работы теплового расцепителя, показанный плавной жирной линией, одинаков для всех трех автоматических выключателей. А вот диапазоны токов мгновенного расцепления (закрашены синим) — разные.

При сверхтоке до 11,3 А три наших выключателя выключаться не должны никогда. При увеличении тока время выключения уменьшается вплоть до секунд, а при работе в так называемой зоне токов КЗ время выключения может составлять десятки и даже единицы миллисекунд. Все токи, которые превышают отмеченные диапазоны, должны приводить к мгновенному расцеплению.

Подробно о время-токовых характеристиках автоматических выключателей можно узнать в ГОСТ IEC 60898-1-2020.

Главные функции

Ключевые задачи селективной защиты – обеспечение бесперебойного функционирования электросистемы и недопустимость сгорания механизмов при появлении угроз. Единственным условием для корректной работы такого типа защиты считают согласованность защитных агрегатов между собой.

Как только возникает аварийная ситуация, испорченный участок при помощи селективной защиты мгновенно определяется и отключается. При этом исправные места продолжают работу, а отключенные никак им в этом не мешают. Селективность существенно снижает нагрузку на электрические установки.

Базовый принцип обустройства такого типа защиты кроется в оборудовании автоматов с номинальным током, который меньше, чем у прибора на вводе. В сумме они могут превышать номинал группового автомата, но по отдельности – никогда. К примеру, при установке вводного устройства на 50 А следующий аппарат не должен обладать номиналом выше 40 А. Первым всегда сработает агрегат, находящийся максимально близко к месту ЧП.

Таким образом, к основным функциям селективной защиты можно отнести:

• обеспечение безопасности электрических приборов и работников;
• быстрое выявление и отключение той зоны электросистемы, где случилась поломка (при этом рабочие зоны не прекращают функционирование);
• снижение негативных последствий для рабочих частей электромеханизмов;
• снижение нагрузки на составные механизмы, предотвращение поломок в неисправной зоне;
• гарантия непрерывного рабочего процесса и постоянного электроснабжения высокого уровня.
• поддержка оптимальной работы той или иной установки.

Селективность и сверхток — какая связь?

Селективность может быть полной, когда вышестоящий АВ не отключится при любом токе КЗ, который ограничен отключающей способностью нижестоящего АВ.

На практике при использовании модульных автоматических выключателей удается достичь только частичной селективности, которая обеспечивается лишь в некотором диапазоне значений сверхтока. Верхняя граница зоны частичной селективности называется предельным током селективности Is. Частичная селективность по току будет обеспечена, если сверхток не будет больше тока селективности Is.

Максимальный сверхток в конкретной точке схемы равен току КЗ Iкз. Поэтому на практике можно считать, что полная селективность работы последовательно включенных АВ обеспечивается при Iкз ≤Is, а частичная — при Iкз>Is.

Когда селективность обеспечена, то в случае возникновения сверхтока ничего страшного не произойдет — просто сработает автомат проблемной линии, а остальные линии продолжат работать, как ни в чем не бывало.

В зоне токов перегрузки можно говорить о время-токовой селективности, поскольку на селективность влияет и уровень сверхтока, и время его действия. Но в зоне токов КЗ имеется только токовая селективность, поскольку время срабатывания электромагнитных расцепителей всех характеристик одинаково.

Официальные определения по теме селективности можно прочитать в ГОСТ Р 50030.2-2010 (в частности, п. 2.17).

Пример обеспечения селективности

Для примера посмотрим, как будут выглядеть на одном графике время-токовые характеристики двух АВ — с номинальным током 10 А и характеристикой «В» (В10, мы про него говорили выше) и с номинальном током 25 А и характеристикой «С» (С25). Если эти автоматические выключатели включить последовательно, зона селективности будет располагаться между их диапазонами токов мгновенного расцепления. То есть селективность и нормальная работа схемы будет обеспечиваться при сверхтоках от 50 до 125 А:

Благодаря графическому представлению ВТХ мы видим, что предельный ток селективности равен минимальному току мгновенного расцепления — 125 А. В случае, если ожидаемый ток КЗ (максимально возможный сверхток) в точке замыкания меньше 125 А, можно говорить о полной селективности — при любом сверхтоке от 50 до 125 А нижестоящий автомат (В10) отключится мгновенно, а вышестоящий (С25) останется включенным. Тут все ясно.

Но что же будет при сверхтоках менее 50 А? Тут изменится лишь то, что время отключения может быть больше — это ясно из графика. Однако такие сверхтоки на практике встречаются редко, а ток КЗ 50 А говорит о том, что проводку надо менять — она не может обеспечить нормальное электропитание и пожаробезопасность.

Тут может возникнуть закономерный вопрос — а для чего же выключателю С25 электромагнитный расцепитель, если он при токах менее 125 А не функционирует?

Ответ можно дать, посмотрев на такую схему:

До сих пор мы говорили о токе КЗ в конце кабельной линии, в районе нагрузки. Этот ток обозначен как Iкз2. Но в электрощите, где установлены оба автоматических выключателя, ток КЗ, обозначенный как Iкз1, может быть ощутимо выше. В нашем случае в щитке он может быть более 200 А. И если замыкание происходит в щитке после вводного АВ (а это бывает в основном из-за человеческого фактора), он мгновенно выключится.

Поэтому, если устроите КЗ в щитке сразу после группового автомата АВ2, не удивляйтесь, что выбило оба автомата — ведь условие селективности не выполняется.

Кстати, во многие светлые головы, изучающие тему селективности, приходит гениальная идея — установить на вводе автомат с характеристикой «D». Да, селективность будет прекрасной — примерно такой же, как если установить на вводе рубильник. Ведь в случае низкого тока КЗ такой автомат будет бесполезен.

Виды селективных схем подключения

Кроме абсолютной и относительной селективности существует еще 7 видов селективной защиты:

• зонная;
• времятоковая;
• энергетическая;
• временная;
• полная;
• частичная;
• токовая.

Для обеспечения требуемой селективности автозащиты электросети с автоматическими выключателями используют разные методы. Но в любом случае важно правильно установить выключатель, следуя выбранной схеме и правилам монтажа.

Вид #1 — полная и частичная защита

Полная защита обозначает, что если последовательно подключена пара автоматов, появление сверхтоков вызывает отключение одного, расположенного вблизи зоны неисправности.

Частичная защита действует по тому же принципу, что и полная, но только после того, как ток достигнет установленной пороговой величины.

Если селективность обеспечена до меньшей из величин тока двух АВ, есть повод говорить о полной селективности между ними. В этом случае предельная величина предполагаемого тока КЗ установки при каких либо обстоятельствах будет равной или меньшей величины тока двух АВ.

Вид #2 — токовый тип селективности

У токовой избирательности основной показатель — предельная токовая отметка. От объекта до ввода значения выстраивают по признаку возрастания. Действие этой избирательности защит основано на той же базе, что и у временной селективности.

Разность только в том, что выдержка делается по значению тока — с приближением точки КЗ к вводу, растут показания тока КЗ. Временной показатель отключения может быть таким же.

Поврежденную из-за КЗ зону определяют посредством уставки срабатывания на разные величины тока. Полной селективность может быть только в условиях, где ток КЗ невысокий, а в промежутке между двумя автоматами есть оборудование, отличающееся немалым электрическим сопротивлением. При таком раскладе токи КЗ будут значительно отличаться.

Применяют такой вид избирательности в основном в конечных распредщитах. Здесь сочетается номинальный ток незначительной величины и ток КЗ с большим полным сопротивлением стыковочных кабелей.

Читать также: Высота бра на лестнице

Этот вариант селективности является экономичным, простым и действующим в течение мгновения. Все же зачастую указанная селективность может являться частичной т.к. наибольший ток, как правило, небольшой.

Когда значения Isd1 и Isd2 одинаковы или предельно близки, то Is — максимальный ток селективности равен Isd2. Если эти величины намного отличаются, Is = Isd1.

Условием обеспечения селективности по току является соблюдение неравенств: Ir1/Ir2 > 2 и Isd1/Isd2 > 2. В этом случае максимум селективности — Is = Isd1.

К недостаткам относят и быстрый рост уровня уставок защиты от токов большого уровня. Невозможно быстро отключить поврежденную цепочку, если один из автоматов окажется неисправным.

При расчете уставок защиты по току необходимо принимать во внимание действительные токи, проходящие через выключатели, работающие в автоматическом режиме.

Вид #3 — временной и времятоковый вариант

Когда в цепи имеется ряд автоматических выключателей, обладающих идентичными токовыми характеристиками, но разным временем выдержки, то при возникновении неисправности они страхуют друг друга. Тот, что находится в непосредственной близости к месту повреждения, сработает сразу, следующий — через какое-то время и т.д.

В случае времятоковой селективности защитные приборы реагируют не только на ток, но и на продолжительность реакции. При определенном значении тока через какое-то время задержки срабатывает защита, дистанция от которой к месту КЗ меньше. Исправная часть установки не отключается.

Комбинация токовой и временной селективности увеличивает эффективность отключения. Когда Isc B Вид #4 — энергетическая селективность автоматов

При энергетической селективности отключения происходят внутри корпуса автомата. Длительность процесса настолько мала, что ток КЗ не успевает приблизиться к своему предельному значению.

Времятоковая система защиты считается сложной. Здесь задействована не только реакция на ток, но и время, на протяжении которого это происходит.

С возрастанием тока у автомата падает величина времени срабатывания. Базой для этого вида селективности является регулировка защиты таким способом, когда со стороны защищаемого объекта она срабатывает быстрее при всех пороговых значениях тока, по сравнению с автоматом на вводе.

Вид #5 — зонная схема защиты

Зонный способ сложный и недешевый, поэтому применяют его в основном в промышленности. Как только пороговые показатели тока достигают максимума, в центр контроля поступают данные и выбранный автомат срабатывает. Электрическая сеть с таким видом избирательности включает специальные электронные расцепители.

Когда обнаруживается нарушение, от выключателя, расположенного ниже, поступает сигнал к устройству, находящемуся выше. Первый автомат должен отреагировать в течение секунды. Если он не среагировал, срабатывает второй.

Сравнивая этот вид селективности с временной избирательностью, можно увидеть, что время срабатывания в этом случае намного ниже — иногда составляет сотни миллисекунд. Снижается как процент интервенции в систему, так и процент ее повреждения. Уменьшаются тепловые и динамические влияния на части установки. Возрастает число уровней селективности.

В случае зонной селективности срабатывает защита, находящаяся со стороны источника питания, если взять за исходную точку место КЗ. До момента срабатывания автомата осуществляется контроль над тем, чтобы защитное устройство с нагруженной стороны не подало аналогичный сигнал.

Но такая избирательность требует присутствия дополнительного источника питания. Поэтому рациональное применение этого вид селективности — системы с высокими параметрами тока КЗ и током значительной величины. Такими являются коммутационно-распределительные аппараты, находящиеся со стороны нагруженности генераторов, трансформаторов.

Графики селективности

Графики ВТХ, которые я привел для наглядной демонстрации зоны селективности, относятся только к двум определенным автоматическим выключателям — С25 и В10. Предлагаю пойти дальше и построить универсальные графики, по которым можно определить зоны селективности для любых пар автоматов.

Оранжевая зона на графиках — диапазон токов мгновенного расцепления для характеристики «С», синяя — для характеристики «В». Графиком пользоваться просто. Например, выбираем уже известную нам пару С25-В10. На графиках красными отрезками обозначены их «зыбкие зоны», до которых они не должны сработать при КЗ, а после которых — должны. Между этими зонами проводим пунктиры, которые и будут обозначать границу зоны селективности.

График универсален — по нему можно графически определить зону селективности пары автоматов любых номиналов.

Принципы выбора автоматов УЗО по времени их срабатывания

Реализацию этой процедуры продемонстрируем с использованием следующей схемы.

Схема выбора УЗО по времени срабатывания

Для примера, в качестве уставки тока, для всех автоматов использован показатель в 25А, а временная уставка для разных защитных элементов является своей.

Если произойдет неисправность в потребителя, который получает питание через 3-й автомат, то ток от короткого замыкания привет к срабатыванию:

• автомата на проблемном участке № 3;
• на распределительном щитке № 2;
• на ГРЩ № 3.

Минимальная уставка времени задается на автомате №3, она равна 0,1 сек. Этот автомат сработает первым и локализует область поломки. Выключатели с номерами 1 и 2 останутся включенными и будут обеспечивать питание к зонам 4 и 5.

Если автомат № 3 по какой-то причине не сработает через 0,1 сек отсечку тока придется выполнять автомату № 2, отвечающему за защиту распределительного щитка. Это произойдет через 0,5сек, при этом будут обесточены пользователи не только 3 зоны, а и 4 и 5.

Если же не сработает ни 3 ни 2 автомат, то защита обеспечивается автоматом № 1 на главном распределительном щите. Отсечка тока будет проведена через 1 сек. При этом будут отключены зоны 3, 4 и 5, которые питаются от РЩ № 2, а также пользователи, подключаемые к щиткам ГРЩ № 1.

Таблицы селективности

Я бы мог построить более подробный график селективности с учетом ряда номиналов, выпускаемых АВ. Но большинство производителей уже позаботились об этом вопросе и привели на своих сайтах таблицы селективности. Эти таблицы удобнее графиков из-за обилия информации.

В таблицах селективности приводятся все модели и номиналы выпускаемых автоматических выключателей. Зная номинальные токи и характеристики отключения, можно определить предельный ток селективности. Можно решить и обратную задачу — зная ток КЗ в электрощите и ток КЗ в конце защищаемой линии, выбрать по таблицам модели вводного и группового АВ, которые смогут обеспечить селективность в данном случае.

Основные задачи селективной защиты

Что касается человека, то его восприятие окружающего мира, выбор информации, а также её запоминание носят избирательный характер.

Что же такое селективность в электрике, и для чего она нужна?

К задачам электрической селективной защиты относятся:

• гарантия безопасности оборудования и обслуживающего персонала;
• моментальное установление места повреждения и отключение только неисправного участка;
• уменьшение отрицательных результатов влияния аварии на другие узлы и части электроприборов;
• минимизация повреждений на неисправном участке;
• гарантирование максимальной беспрерывности работы электросистемы;
• достижение простоты эксплуатирования электрического оборудования.

Выводы

Стоит помнить о том, что если вопрос селективности между модульными АВ стоит остро, нужно выполнение условий:

• должны быть известны токи КЗ в щите и в районе нагрузки;
• номинальные токи последовательно включенных АВ должны отличаться не менее чем в 2,5 раза;
• «токовое расстояние» между крайними точками диапазонов мгновенного расцепления должно быть таким, чтобы токи отличались не менее чем в 2 раза.

На практике селективность при коротких замыканиях при помощи модульных АВ обеспечить удается далеко не всегда. Этот пессимизм оправдан несколькими уважительными причинами:

• высокий ток КЗ, превышающий предельный ток селективности (Iкз>Is);
• ограничение номинала вводного АВ по требованию энергоснабжающей организации;
• ограничение номиналов групповых АВ, исходя из сечения кабелей и мощности нагрузок.

На промышленных предприятиях, где отсутствие селективности может привести к остановке технологического процесса и большим материальным потерям, используют автоматические выключатели категории «В» (не путайте с характеристикой отключения «В»!) либо с электронными расцепителями. В результате в зоне токов короткого замыкания появляется возможность обеспечения полной селективности.

Основные правила построения карты селективности

• Все уставки защит должны быть приведены к одному напряжению

• Правильно выбирайте масштаб построения, чтобы были видны все граничные точки. Для выполнения этого условия часто используют логарифмический масштаб.

• На карте селективности отображаются не только защитные характеристики, но и граничные (минимальный и максимальный) токи коротких замыканий в расчетных точках схемы.

Совет

Старайтесь не использовать цвета для различения кривых потому, что большинство современных проектов печатаются на черно-белых лазерных принтерах. Лучше используйте геометрические метки (кружки, треугольники, крестики и т.д.)

В следующий раз мы построим карту селективности для защиты силового трансформатора 10/0,4 кВ и его смежных защит, при помощи программы «Гридис-КС»