Новые ПУЭ требуют модернизации существующей защитной аппаратуры в сетях до 1000 В

Владимир Фишман, технический директор ООО «Нижегородский Электропроект»

С 1 января нынешнего года вступили в действие новые требования Правил устройства электроустановок (ПУЭ), касающиеся электробезопасности и соответствующие международным нормам и правилам. Одним из важнейших требований к защитной аппаратуре в сетях до 1000 В является требование по обеспечению быстродействия отключения повреждений, связанных с воздействием на человека или животных. Это время, согласно таблице 1.7.1 ПУЭ, зависит от величины напряжения и при фазном напряжении 220 В не должно превышать 0,4 с. Существовавшие до этого отечественные нормы проверки защитной аппаратуры были основаны на использовании другого критерия, а именно требовали проверки и обеспечения определенной кратности тока короткого замыкания по отношению к номинальным токам плавких вставок предохранителей и расцепителей автоматических выключателей. Такая проверка устанавливала степень надежности отключения повреждений, но не гарантировала быстрого их отключения. Между тем проведенными медицинскими исследованиями выявлена зависимость степени воздействия электротока на человека и животных не только от величины напряжения, но и от продолжительности его воздействия. Результаты этой работы и нашли отражение в нормативных требованиях.

Магнитотермический расцепитель Электронный расцепитель Расцепитель выключателя Compact NS Выключатель Compact NS с устройством защитного отключения Vigi

Тепловые расцепители обладают нестабильными время-токовыми характеристиками Что же показывает опыт применения новых требований при проектировании промышленных объектов? Прежде всего следует отметить, что, анализируя время-токовые характеристики отечественной защитной аппаратуры для сетей до 1000 В, приходишь к выводу, что при ее создании фактор времени отключения повреждений, мягко говоря, не считался приоритетным. Этому, безусловно, способствовало и отсутствие соответствующих нормативных требований. Время срабатывания многих защитных автоматических выключателей, выпускаемых в настоящее время, определяется тепловыми расцепителями, представляющими собой биметаллическую пластину, состоящую из двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения. Недостатком таких расцепителей является нестабильность временных характеристик, а также сильная зависимость времени действия расцепителей от их начальной температуры и от температуры окружающей среды. Например, разброс времени срабатывания автоматического выключателя ВА5735 на 100 А при 6-кратном токе (600 А) и начальном холодном состоянии расцепителей составляет от 7 до 18 с, а при горячем состоянии расцепителей – от 0,7 до 4 с (рис.1). Таким образом, общий возможный разброс времени срабатывания выключателя при одном и том же токе составляет от 0,7 до 18 с. С увеличением номинального тока расцепителей этот разброс несколько снижается, а с уменьшением, наоборот, увеличивается. Очевидно, что при таких нестабильных характеристиках невозможно серьезно говорить как об обеспечении быстродействия, так и о селективности работы аппаратуры в системе электроснабжения, поскольку непосредственно перед отключением защитные аппараты могут находиться в разных температурных режимах в зависимости от нагрузки и температуры внешней среды. Для сравнения: время срабатывания тепловых расцепителей автоматических выключателей фирмы Siemens в горячем состоянии лишь на 25% меньше времени срабатывания в холодном состоянии.Электромагнитные Расцепители «не чувствуют» токов однофазного КЗ Кроме тепловых, автоматические выключатели имеют еще электромагнитные расцепители, которые, как сказано в ряде инструкций и каталогов, «работают при коротких замыканиях без выдержки времени». И может сложиться ошибочное мнение, что при однофазных коротких замыканиях они-то как раз и обеспечивают необходимое быстродействие. Однако в действительности всё обстоит не совсем так, особенно в сетях промышленных предприятий. Необходимо учитывать, что уставки тока срабатывания электромагнитных расцепителей автоматических выключателей должны отстраиваться от токов пуска и самозапуска электродвигателей, составляющих основную массу потребителей электроэнергии на промышленных предприятиях. Величина пусковых токов достигает 6–7-кратных значений от номинальных токов электродвигателей, а с учетом апериодической составляющей эта величина может быть еще больше. В связи с этим уставка электромагнитного расцепителя автоматического выключателя на линии к электродвигателю принимается на уровне 10-12 крат от номинального тока теплового расцепителя.

Но, как показывают расчеты, из-за большого сопротивления цепи «фаза-нуль» ток замыкания на землю в конце защищаемого участка в целом ряде случаев оказывается меньше уставки электромагнитного расцепителя автомата и тогда электромагнитные расцепители не срабатывают и отключение может произойти только за счет действия тепловых расцепителей.
Согласно старым требованиям ПУЭ, которые время отключения повреждений не регламентировали, действие электромагнитных расцепителей было не обязательным, если ток короткого замыкания превышал не менее чем в три раза номинальный ток теплового расцепителя. Однако с учетом новых требований в указанной ситуации это становится недопустимым.

Рассмотрим, например, схему питания электродвигателя насоса, представленную на рис. 2. При номинальном токе электродвигателя мощностью 45 кВт — 85 А номинальный ток теплового расцепителя автоматического выключателя принят равным 100 А, при этом уставка электромагнитного расцепителя согласно информации завода-изготовителя составит 1250 А.
Ток однофазного КЗ в конце защищаемого участка рассчитывается согласно ГОСТ-28249-93 по формуле:

где R₁ и R₀; X₁ и X₀ соответственно активные и реактивные сопротивления прямой и обратной последовательности элементов сети.
В данном случае Iокз составляет всего лишь 879 А.
Очевидно, что электромагнитный расцепитель при этом токе работать не будет, а тепловой расцепитель при кратности тока

сработает за время t от 3 до 9 с (см. кривые на рис.1). Таким образом, требование гл. 1.7 ПУЭ относительно времени отключения повреждений (0,4 с) не выполняется. И нет никакой гарантии, что время отключения не превысит и 5 с, как это допускает ПУЭ при определенных условиях.
Примечательно, что время работы теплового расцепителя при токе однофазного КЗ нельзя уменьшить, даже если это было бы технически возможно. Ведь при пусковом токе, сопоставимом с током однофазного КЗ, время работы расцепителя должно быть заведомо больше времени пуска электродвигателя, т.е. равняться примерно 4–5 с.

Необходимость самозапуска электродвигателей ответственных механизмов предусматривается ПУЭ и другими нормативными документами. Однако его невозможно реализовать, ведь время срабатывания теплового расцепителя в горячем состоянии при пусковом токе электродвигателя составляет всего 0,7 с (см. рис. 1), что явно недостаточно.
Рассчитывать на то, что ток или время самозапуска будут меньше, чем при пуске, не приходится, поскольку самозапуск в отличие от пуска происходит под нагрузкой. Увеличить номинальный ток теплового расцепителя также нельзя, поскольку тогда электродвигатель будет не защищен от перегрузки.
У некоторых читателей может вызвать сомнение показанная в примере относительно небольшая величина тока однофазного КЗ. Однако при анализе отдельных параметров, входящих в формулу, можно убедиться, что это связано с большой величиной сопротивлений нулевой последовательности кабелей (R0 и X0), которые в несколько раз превышают сопротивления прямой последовательности.
Следует заметить, что на практике встречаются более сложные ситуации, особенно при выполнении реконструкции предприятий, когда расстояние от источника питания до потребителя оказывается достаточно большим. Характерно, что причиной больших расстояний от источника питания (ТП-6(10)/0,4 кВ) до потребителей электроэнергии является то, что реконструкция на предприятиях часто выполняется без сооружения новых источников электроснабжения, с использованием уже существующих источников, которые, в силу известных экономических причин, повсеместно оказались незагруженными. Вместе с тем окружающие этот источник объекты не демонтируются, поэтому вновь сооружаемые объекты оказываются достаточно удаленными от источника питания.
Значительно лучшие характеристики имеют полупроводниковые расцепители автоматических выключателей, имеющие меньший разброс и не зависящие от температуры. Однако в тех случаях, когда пусковой ток электродвигателя соизмерим по величине с током однофазного КЗ, проблема его быстрого отключения сохраняется.

Рис 1. Время-токовые характеристики тепловых расцепителей автоматического выключателя ВА57-35 на токи 100 и 125 А.

1. Время-токовые характеристики из холодного состояния.
2. Время-токовые характеристики из нагретого состояния.
3. Зона работы электромагнитного максимального расцепителя.
4. Расчетный ток однофазного замыкания на землю.

Рис.2. Схема электроснабжения и схема замещения к расчету тока однофазного КЗ.