Практикум. Подбор защитного оборудования для сетей постоянного тока

Постоянный ток (DC — от англ DirectCurrent) — один из главных способов передачи и распределения электрической энергии. Сегодня он широко используется в следующих областях:

• преобразование различных видов энергии в электрическую (например, фотогальванические станции);
• транспорт (трамвайные линии, железные дороги и пр.);
• питание систем аварийного предупреждения, а также систем собственных нужд;
• промышленные установки (электролитические процессы и т.п.).

Сети постоянного тока довольно специфичны, поэтому для того, чтобы грамотно выбрать коммутационное оборудование, необходимо следовать определённой последовательности действий.

ШАГ 1. Определение топологии сети

Отключение постоянного тока связано с существенными трудностями при гашении дуги. Проблема обусловлена тем, что в системах постоянного тока отсутствует естественный переход кривой зависимости I(t) через ноль и необходимо принудительно снижать значение тока. Характер уменьшения указанной величины до нуля зависит от напряжения источника питания, параметров электроустановки и сопротивления, возникающего во время гашения дуги. Чем больше соединённых последовательно полюсов, тем выше сопротивление дуги, и больше максимальный коммутируемый ток короткого замыкания (КЗ). Для улучшения работы автоматических выключателей в условиях КЗ в зависимости от напряжения электроустановки и топологии сети необходимо использовать специальные комбинации соединения полюсов. Эта информация позволяет оценить возможные неисправности, после чего выбрать подходящий тип соединения полюсов выключателя с учётом характеристик электроустановки (ток КЗ, напряжение питания, номинальная величина нагрузки и т.д.).

Рассмотрим три основные системы распределения на постоянном токе.

1. Сеть, изолированная от земли (IT)

Рис. 1. Система IT постоянного тока

Описание. Все токоведущие части источника питания изолированы, открытые проводящие части заземлены.

Топологии повреждения Самая Опасная для IT неисправность — короткое замыкание между положительным и отрицательным полюсами.

Соединение полюсов оборудования. Зависит от напряжения источника питания и требуемой отключающей способности.

NB!

Возможность двойного замыкания на землю (первое — замыкание одного из полюсов со стороны источника питания, второе — замыкание другого полюса со стороны нагрузки) не рассматривается. Однако следует использовать устройство контроля изоляции сети относительно земли.

2. Сеть с одной заземлённой полярностью

Рис. 2. Система ТТ (слева) и TN-C-S (справа) постоянного тока
для сети с одной заземлённой полярностью

Описание. Один из полюсов сети соединён с землёй. Такой тип системы может привести к перенапряжениям вследствие статического электричества, стекающего через землю.

Топология повреждений. В данном случае основное повреждение — это короткое замыкание между двумя полярностями. Но необходимо брать в рассмотрение также замыкание между незаземлённой полярностью и землёй, поскольку ток может течь под полным напряжением.

Соединение полюсов оборудования. Зависит от напряжения источника питания и требуемой отключающей способности. Заземление должно быть осуществлено со стороны питания автоматического выключателя.

3. Сеть с заземлённой средней точкой источника питания

Рис. 4. Система ТТ (слева) и TN-C-S (справа) постоянного тока
для сети с заземлённой средней точкой

Описание. Средняя точка источника питания соединена с землёй. Основной недостаток данного соединения в сравнении с другими типами заключается в том, что замыкание между любой из полярностей и землёй вызывает ток с приложенным напряжением, равным половине напряжения питания.

Топология повреждений Основное повреждение, как и в предыдущем случае — короткое замыкание между двумя полярностями НО необходимо брать в рассмотрение также замыкание между полярностью И землёй, поскольку ток может течь под напряжением, равным U / 2.

Соединение полюсов оборудования. Необходимо устанавливать автоматические выключатели таким образом, чтобы на каждую полярность приходилось по два полюса автоматического выключателя. При возникновении короткого замыкания между двумя полюсами сети напряжение цепи равно номинальному, и такой сверхток отключается четырьмя последовательно соединёнными полюсами автоматического выключателя.

ШАГ 2. Электрические параметры

Для верного выбора защитного устройства в сети постоянного тока необходимо знать несколько электрических параметров, характерных для этого аппарата:

1. Номинальное напряжение установки Un. Оно определяет рабочую величину Ue, которая зависит от соединения полюсов и проверяется соотношением Un ≤ Ue.
2. Ток короткого замыкания в месте установки автоматического выключателя Ik. Он определяет исполнение автоматического выключателя (зависит от типоразмера и соединения полюсов) и проверяется выражением

   Ik≤Icu.

3. Номинальный ток, потребляемый нагрузкой Ib. От данной величины зависит номинальный ток В термомагнитного или электронного расцепителя. Должно выполняться следующее соотношение: Ib≤In.

Словарь инженера
Номинальное рабочее напряжение Ue – задаётся из стандартизированного ряда величин, определяющих уровень изоляции сети и электрооборудования.
Номинальный непрерывный ток Iu – величина, которую оборудование может выдерживать в течение долгого времени работы.
Номинальный ток автоматического выключателя In – определяет защитные характеристики аппарата в соответствии с возможными настройками расцепителя.
Предельная отключающая способность автоматического выключателя Icu –максимальный ток КЗ, который аппарат способен отключить однократно при соответствующем номинальном рабочем напряжении, без гарантии сохранения работоспособности.
Номинальная рабочая отключающая способность Ics – максимальный ток КЗ, который аппарат способен отключить три раза ¹ при определённом рабочем напряжении (Ue) и определённой постоянной времени. После этого автоматический выключатель должен проводить номинальный ток.
Номинальный кратковременно выдерживаемый ток КЗ – величина, которую автоматический выключатель способен проводить в замкнутом положении в течение определённого промежутка времени. Аппарат должен выдерживать данный ток в течение установленной временной задержки для обеспечения селективности между последовательно стоящими автоматическими выключателями.

ШАГ 3. Обеспечение селективности

Работа аппаратов защиты в цепях постоянного тока координируется путём постепенного повышения порогов токов и задержки срабатывания по мере приближения к источнику питания, то есть обеспечивается так называемая временная селективность. Нужно убедиться, что вышестоящие автоматические выключатели с задержкой срабатывания имеют значение кратковременно выдерживаемого тока, превышающее максимальную величину КЗ, которая может протекать в рассматриваемой части установки.

«Временная селективность обычно реализуется в электроустановках на уровне вводных устройств и главных распределительных щитов (ГРЩ). Для реализации селективности на нижних уровнях электроустановок следует выбрать другой тип координации устройств защиты. Так, например, для аппаратов в литом корпусе серии Tmax XT и Tmax на постоянном токе можно реализовать энергетическую селективность, а для воздушных автоматических выключателей Emax DC осуществляется также и зонная селективность», — дополняет Игорь Мещеряков , менеджер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.

Для обеспечения селективного срабатывания автоматических выключателей на постоянном токе необходимо:

• построить времятоковые характеристики автоматических выключателей с термомагнитными и электронными расцепителями с учётом допусков и поправочных коэффициентов;
• проанализировать построенные характеристики с точки зрения обеспечения функций защиты и селективного срабатывания;
• составить карту уставок с учётом необходимых настроек расцепителей.

В случае необходимости обеспечения высоких предельных токов селективности, подобрать выключатели в соответствие с указаниями таблиц координации.

«Возможностей создать энергетическую систему с учётом требований по селективности на сегодняшний день более чем достаточно, — утверждает Игорь Мещеряков (АББ). — Современные электронные расцепители для постоянного тока, например, такие как PR122/DC - PR123/DC, обладают несколькими селективными задержками от короткого замыкания с обратнозависимой или фиксированной кратковременной задержкой срабатывания. Наличие широкого спектра встроенных защит (от замыкания на землю, превышения температуры, небаланса токов, колебаний напряжения, реверсирования мощности и др.) Позволяет осуществить функции, которые раньше были доступны только для электроустановок переменного тока».

От теории к практике

Пример 1. Рассмотрим выбор автоматического выключателя для сетей постоянного тока на примере автоматических выключателей в литом корпусе серии Tmax.

Параметры установки:
Тип сети: с одной заземлённой полярностью (только отрицательная)
Напряжение установки: Un = 250 В постоянного Тока
Номинальный ТОК, потребляемый нагрузкой: В = 450
Ток короткого замыкания: 40 кА

Для выбранного автоматического выключателя должны выполняться следующие условия:
Ue ≥ Un
Icu ≥ Ik 
In ≥ Ib

Как правило, у производителей существуют таблицы для подбора аппаратов постоянного тока, ниже в примерах приведены необходимые выдержки из них.
В соответствии с типом сети необходимо выбрать таблицу, относящуюся к сети с одной заземлённой полярностью (см. табл. 1).

Табл. 1. Варианты соединения полюсов автоматических выключателей в литом корпусе Tmax для работы в сети с одной заземлённой полярностью (в рассматриваемых соединениях заземлена отрицательная полярность)

* Заземление должно быть осуществлено со стороны питания автоматического выключателя

Выбираем столбец с напряжением сети больше или равным напряжению электроустановки. Нужная строка подбирается по номинальному непрерывному току МЕ автоматического выключателя, который должен быть больше или равен току нагрузки. В соответствии с заданными в примере условиями следует выбирать автоматический выключатель Tmax Т5 c Iu=630A.

Исполнение по отключающей способности (НШ и т.д.) определяется с учётом выполнения условия Icu>Ik. В данном случае можно выбрать исполнение S, так как Ik = 40 кА.

Указанным требованиям удовлетворяют две схемы соединения полюсов, если должен отключаться заземлённый полюс сети, то следует выбрать следующий вариант:

Среди номинальных токов, доступных для термомагнитного расцепителя выключателя T5S630, может быть выбран In = 500 A, поэтому допустимо применять трёхполюсный термомагнитный автоматический выключатель T5S630 TMA500. Аппарат использует два полюса, соединённых последовательно на изолированной полярности, и один — на заземлённой. При этом при выборе автоматического выключателя с термомагнитным расцепителем необходимо учитывать поправочный коэффициент срабатывания по КЗ. ²

Пример 2. Рассмотрим выбор воздушного автоматического выключателя на примере серии Emax.

Параметры установки:
Тип сети: изолированная
Напряжение установки: Un = 500 В постоянного Тока
Номинальный ток, потребляемый нагрузкой: In = 1800 А
ток короткого замыкания: 45кA

Выбор автоматического выключателя

В соответствии с типом сети необходимо выбрать таблицу, относящуюся к сети, изолированной от земли (см. табл. 2).

Табл. 2. Соединение полюсов воздушных выключателей Emax для работы в изолированной сети

Исходя из заданной величины номинального напряжения выбираем столбец Un ≤ 500 В. В нём наиболее подходящим по характеристикам тока короткого замыкания является автоматический выключатель E2N (N = 50 кА> IK), но если выбрать этот аппарат, не будет выполняться условие In ≥ Ib.

Согласно таблице 3, относящейся к номинальному непрерывному току, необходимо выбрать автомат типа E3N, т.к. он имеет ток Iu = 2000 A (это значение соответствует In расцепителя) и только в этом случае выполняется соотношение In ≥ Ib.

Табл. 3. Исполнения автоматических выключателей Emax для постоянного тока

Выбран трёхполюсный автоматический выключатель E3N 2000 с расцепителем PR122-123/DC In = 2000A. В таблице 2 показано соединение между трёхполюсным выключателем, нагрузкой и источником питания:

Стоит отметить, что правильный выбор аппаратов защиты для сетей постоянного тока возможен только в случае строгого соблюдения описанных выше рекомендаций. Важно помнить, что некорректно подобранный автоматический выключатель не только не выполнит свои прямые защитные функции, но и в случае неправильно рассчитанной отключающей способности может выйти из строя и оставить электроустановку полностью незащищённой.

¹ В соответствии с циклом отключений и включений (О-трет-СО-трет-CO).

² см. Техническая брошюра «Низковольтные автоматические выключатели АББ для применений на постоянном токе» стр. 33-34.