Библиотека

При подсчете ожидаемого тока не учитывают импедансы коммутационных аппаратов и аппаратов защиты в цепи короткого замыкания. На самом деле эти аппараты несколько уменьшают ток короткого замыкания, но это уменьшение является существенным только для цепей, в которых установлены аппараты с относительно малыми номинальными токами.

Действительно, если в цепи с ожидаемым током короткого замыкания 10 кА (rms значение) автоматический выключатель бытового назначения с номинативным током 6 А, который отвечает требованиям стандарта IЕС60898-1, то мощность потерь в нем не должна превышать 3 Вт. Если пренебречь индуктивной составляющей его импеданса, то сопротивление полюса этого выключателя составит 3/6² = 0,083 Ом. При номинальном напряжении сети 220 В импеданс цепи короткого замыкания, который соответствует ожидаемому току 10 кА, составит 220/10000 = 0,022 Ом. Предположим, что коэффициент мощности (cosφ) цепи короткого замыкания равен 0,3. Это означает, что сопротивление 0,022 Ом образуется сопротивлением 0,022×0,3 = 0,0066 Ом, и индуктивным реактансом ((0,022)² - (0,0066)²)^0,5 = 0,021 Ом. С учетом сопротивления выключателя, импеданс цепи короткого замыкания составит ((0,083 + 0,0066)² + (0,021)²)^0,5 = 0,092 Ом, а ток короткого замыкания (rms значение в установившемся режиме) не будет превышать 220 / 0,092 = 2 4 кА. Как видим, только наличие аппарата защиты в этой цепи (без учета электрической дуги) уменьшает ток короткого замыкания более чем в четыре раза. Если в той же цепи установлено выключатель с номинальным током 16 А (мощность потерь 3,5 Вт), то его сопротивление составит 3,5 / 16² = 0,0137 Ом, импеданс цепи короткого замыкания с учетом сопротивления выключателя - ((0,0137 + 0,0066)² + (0,021)²)^0,5 = 0,0292 Ом, а ток короткого замыкания 220 / 0,0292 = 7,5 кА. В этом случае ток короткого замыкания уменьшается не в четыре раза, а только на 25%. Наконец, если в кругу с таким же ожидаемым током установлено выключатель с номинальным током 63 А (мощность потерь до 13 Вт), то его сопротивление составит 13/632 = 0,0033 Ом, импеданс цепи короткого замыкания с учетом сопротивления выключателя - ((0 , 0033 + 0,0066)² + (0,021)²)^0,5 = 0,0232 Ом, а ток короткого замыкания 220 / 0,0232 = 9,5 кА. В этом случае ток короткого замыкания уменьшается лишь на 5%. При больших значениях номинальных токов аппаратов защиты влияние их импедансов на ожидаемый ток становится пренебрежимо малым.

Но аппараты защиты с определенными характеристиками способны существенно уменьшить ток короткого замыкания за счет дополнительного сопротивления, которое вносит в цепь электрическая дуга, возникающая в коммутационных аппаратах на контактах, что размыкаются, или во вставках предохранителей, когда плавятся их плавкие элементы.

На рис. 1, где показаны примеры переходных процессов в цепях с аппаратами защиты от коротких замыканий, применены следующие обозначения: 1 - ожидаемый ток короткого замыкания; 2 - ток короткого замыкания при наличии аппарата защиты; Т - период колебаний напряжения в сети (Т = 20 мс при частоте 50 Гц); t_p - преддуговое время, то есть промежуток времени между моментом начала короткого замыкания и моментом возникновения дуги на контактах коммутационного аппарата или на плавком элементе предохранителя; t_а - время горения дуги, то есть промежуток времени между моментом возникновения дуги в полюсе или предохранителе и моментом окончательного ее угасания в этом полюсе или предохранителе; I_р - пиковое значение ожидаемого тока; I_с - пропущенный ток, то есть максимальное мгновенное значение тока, достигнутое при выполнении операции отключения коммутационным аппаратом или предохранителем.

К моменту возникновения дуги переходный процесс в цепи с аппаратом защиты практически совпадает с ожидаемым током (это касается цепей, в которых установлены аппараты защиты с относительно большими номинальными токами (более 63 А), в цепях, в которых установлены аппараты с меньшими номинальными токами, ток короткого замыкания может быть существенно меньше, чем ожидаемый ток), а после возникновения дуги ток стремительно убывает до нуля (в течение нескольких миллисекунд - благодаря мощным дугогасящим системам аппаратов защиты от коротких замыканий) и ток в цепи прерывается окончательно.

При относительно низкой производительности (t_p > Т/2) пропущенный ток совпадает с пиковым током, а при относительно высокой производительности (t_p < Т/2) пропущенный ток меньше пикового. Аппараты защиты с высоким быстродействием принято называть токоограничивающих.

Для аппаратов защиты от коротких замыканий вводят понятие характеристики пропущенного тока, кривой, показывающей зависимость пропущенного тока от ожидаемого тока при заданных условиях работы. В случае переменного тока значениями пропущенного тока являются максимальные значения, которые могут быть достигнуты при любой степени асимметрии. В случае постоянного тока значениями пропущенного тока являются максимальные значения, которые могут быть достигнуты при определенной постоянной времени.

Типичные характеристики пропущенного тока для аппаратов переменного и постоянного тока изображены на рис. 2.

При относительно малых значениях ожидаемого тока пропущенный ток I_с - это пиковый ток, который в цепях переменного тока может быть в 2,5 раза больше по rms значению ожидаемого тока I. Таким образом, характеристика пропущенного тока в этом диапазоне токов является прямой линией I_с = 2,5I (отрезок 1-1). Если аппарат не является токоограничивающим, эта же зависимость действует и при больших токах (отрезок 1-2). Если же аппарат является токоограничивающим, то, начиная с некоторого значения ожидаемого тока I₁, срабатывание аппарата происходит настолько быстро, что ток не достигает пикового значения - аппарат приобретает токоограничивающие свойства (отрезок 1-3). Как видим, токоограничивающий аппарат становится таковым лишь при относительно больших токах. При относительно малых токах (нетокоограничивающая зона) этот аппарат не имеет токоограничивающих свойств.

В цепях постоянного тока наибольшее значение ожидаемого тока имеет место в установившемся режиме, поэтому характеристика пропущенного тока в нетокоограничивающей зоне токоограничивающих аппаратов или для нетокоограничивающих аппаратов является прямой линией I_с = I (отрезки 2-1 и 2-2). При токах, которые больше некоторого значения I₂, аппарат становится токоограничивающим (отрезок 2-3).

В примере характеристики пропущенного тока для аппарата переменного тока, изображенная на рис. 2, при ожидаемом токе 10 кА пропущенный ток составляет всего 1,6 кА, а если бы аппарат не был токоограничивающим, пропущенный ток мог бы быть почти в 16 раз больше - 25 кА. Аппараты постоянного тока также могут иметь токоограничивающие свойства, но с гораздо меньшей эффективностью. Приведена на том же рис. 2 характеристика пропущенного тока аппарата постоянного тока показывает, что при ожидаемом токе 10 кА пропущенный ток составляет примерно 5 кА, а если бы аппарат не был токоограничивающим, пропущенный ток должен был составить 10 кА, то есть пропущенный ток уменьшился лишь в два раза. В мощных аппаратах коэффициент уменьшения пропущенного тока может быть еще меньше.

На рис. 3 представлены характеристики пропущенных токов реальных электрических аппаратов - быстродействующих предохранителей для защиты полупроводниковых приборов (Ferraz, PC 71 UD, a R - тонкие линии) и выключателей (ABB, Tmax T4, 250/320 - жирные линии). Как видим, при одинаковых номинальных токах быстродействующие предохранители пропускают меньшие токи, чем выключатели.

Приведенные на рис. 3 данные свидетельствуют о высокой токоограничивающей способности современных аппаратов защиты от коротких замыканий.