Czym jest selektywność wyłączników automatycznych + zasady obliczania selektywności

Wybiórczość lub selektywność wyłączników automatycznych to kluczowy moment w zapewnieniu niezawodnej pracy obwodu elektrycznego. Funkcja ta pomaga zapobiegać sytuacjom awaryjnym, podnosząc bezpieczeństwo na wyższy poziom.

W przypadku przeciążenia linii lub zwarcia do działania włącza się ochrona tylko uszkodzonej linii, pozostała część instalacji elektrycznej pozostaje sprawna. Dlaczego tak się dzieje, szczegółowo przeanalizujemy w tym artykule, omówimy główne zadania ochrony selektywnej, schematy połączeń i ich cechy.

Zwrócimy również uwagę na obliczanie selektywności i zasady tworzenia mapy, opatrując materiał czytelnymi schematami, tabelami i zdjęciami. Uzupełnimy artykuł szczegółowymi wyjaśnieniami w filmach.

Znaczenie i główne zadania ochrony selektywnej

Bezpieczna eksploatacja i stabilna praca instalacji elektrycznych to zadania, które są przypisane ochronie wybiórczej. Błyskawicznie wykrywa i odcina uszkodzoną strefę bez przerywania zasilania sprawnych odcinków. Selektywność zmniejsza obciążenia instalacji, ogranicza skutki zwarć.

Przy dopracowanej pracy wyłączników automatycznych maksymalnie zaspokajane są wymagania dotyczące zapewnienia nieprzerwanego zasilania, a w konsekwencji procesu technologicznego.

Gdy automatyczne urządzenia rozłączające okażą się niesprawne w wyniku zwarcia, dzięki selektywności odbiorcy otrzymają normalne zasilanie.

Zasada, która stwierdza, że wartość prądu przepływającego przez wszystkie wyłączniki rozdzielcze zainstalowane za wyłącznikiem wejściowym jest mniejsza od prądu znamionowego tego ostatniego, stanowi podstawę ochrony selektywnej.

Suma tych wartości znamionowych może być nawet większa, ale każda pojedyncza musi być co najmniej o jeden stopień niższa od wejściowej. Na przykład, jeśli na wejściu zainstalowano wyłącznik 50-amperowy, to następny po nim instaluje się wyłącznik o prądzie znamionowym 40 A.

Wyłącznik automatyczny składa się z następujących elementów: dźwigni (1), zacisków śrubowych (2), styków ruchomego i nieruchomego (3,4), płyty bimetalicznej (5), śruby regulacyjnej (6), elektromagnesu (7), kratki gaszącej łuk (8), zatrzasku (9)

Za pomocą dźwigni zarówno włącza się, jak i wyłącza dopływ prądu do zacisków. Do zacisków doprowadza się i mocuje styki. Styk ruchomy ze sprężyną służy do szybkiego rozłączania, a połączenie obwodu z nim jest realizowane przez styk nieruchomy.

Wyzwolenie, w przypadku przekroczenia przez prąd swojej wartości progowej, następuje na skutek nagrzewania i wyginania płyty bimetalicznej, a także elektromagnesu.

Prądy zadziałania ustawia się za pomocą śruby regulacyjnej. W celu zapobieżenia powstawaniu łuku elektrycznego podczas rozłączania styków, wprowadzono do schematu element taki jak kratka gasząca łuk. Do mocowania obudowy wyłącznika służy zatrzask.

Selektywność, jako cecha zabezpieczeń przekaźnikowych, to zdolność do wykrywania uszkodzonego węzła systemu i odłączania go od działającej części systemu elektroenergetycznego (SEE).

Tutaj przedstawiono schemat rozdzielnicy, który pokazuje, jak rozkłada się obciążenie w mieszkaniu. Przed montażem wyłącznika należy wykonać obliczenie całkowitej mocy urządzeń, które zostaną do niego podłączone.

Selektywność wyłączników to ich właściwość działania sekwencyjnego. Jeśli ta zasada zostanie naruszona, będą się nagrzewać zarówno wyłączniki automatyczne, jak i instalacja elektryczna.

W rezultacie może wystąpić zwarcie na linii, przepalenie styków topikowych, izolacji. Wszystko to doprowadzi do uszkodzenia urządzeń elektrycznych i pożaru.

Załóżmy, że na długiej linii elektroenergetycznej wystąpiła sytuacja awaryjna. Zgodnie z główną zasadą selektywności, jako pierwszy zadziała wyłącznik znajdujący się najbliżej miejsca uszkodzenia.

Jeśli w zwykłym mieszkaniu w gniazdku wystąpi zwarcie, w rozdzielnicy powinno zadziałać zabezpieczenie linii, której częścią jest to gniazdko. Jeśli tak się nie stanie, przychodzi kolej na wyłącznik automatyczny w rozdzielnicy, a dopiero po nim – wyłącznik główny.

Selektywność bezwzględna i względna ochrony

Pojęcie selektywności jest określone przez normę GOST IEC 60947-1-2014. Wyróżnia się dwa typy selektywności – bezwzględną i względną. Jeśli działanie zabezpieczeń jest skoordynowane w taki sposób, że zadziałają one wyłącznie w obrębie strefy chronionej, oznacza to ich selektywność bezwzględną.

W tych okolicznościach maksymalny prąd selektywności staje się taki sam, jak maksymalna zdolność wyłączania położonego niżej wyłącznika.

Zadziałanie w charakterze rezerwowym, gdy nie nastąpiło wyłączenie na problematycznym odcinku, nazywa się zabezpieczeniem względnie selektywnym. W tym przypadku następuje wyłączenie wyłączników znajdujących się wyżej.

W przypadku przekroczenia zadanej wartości prądu wyłącznika automatycznego, tj. przy braku dużych przeciążeń, zabezpieczenie selektywne działa praktycznie niezawodnie. O wiele trudniej osiągnąć to w przypadku zwarć.

Dane o produkowanych wyrobach przedsiębiorstwa umieszcza się na obudowie urządzenia i na swoich stronach internetowych. Ważne jest prawidłowe odczytywanie oznakowania wyłączników automatycznych – zestawy wyłączników formuje się tylko na podstawie tabel jednego konkretnego producenta. Należy pamiętać, że grupy zorganizowane według zasady względnej posiadają wiele funkcji.

Zadanie ułatwiają tabele selektywności, które producenci dołączają do swoich wyrobów. Stosując je, tworzy się grupy z selektywnością zadziałania.

Litera «T» w tabeli oznacza pełną selektywność pary urządzeń, a liczba – częściową. Gdy oczekiwana graniczna wartość prądu zwarcia jest mniejsza niż liczba podana w tabeli, selektywność będzie zapewniona.

Aby sprawdzić selektywność między wyłącznikiem nadrzędnym a podrzędnym, znajduje się przecięcie wiersza i kolumny. Zapewnienie selektywności jest bardzo ważnym zadaniem przy zasilaniu odbiorców należących do szczególnej kategorii.

W przypadku jej braku może nastąpić zatrzymanie procesu produkcyjnego, uszkodzenie linii, wyłączenie systemów klimatyzacji, oddymiania i innych.

Rodzaje selektywnych schematów połączeń

Oprócz selektywności bezwzględnej i względnej istnieje jeszcze 7 rodzajów selektywnego zabezpieczenia:

• strefowa;
• czasowo-prądowa;
• energetyczna;
• czasowa;
• pełna;
• częściowa;
• prądowa.

Do zapewnienia wymaganej selektywności zabezpieczenia sieci elektrycznej z wyłącznikami automatycznymi stosuje się różne metody. W każdym przypadku ważne jest prawidłowe zamontowanie wyłącznika, zgodnie z wybranym schematem i zasadami instalacji.

Rodzaj #1 — ochrona całkowita i częściowa

Pełne zabezpieczenie oznacza, że jeśli para wyłączników jest połączona szeregowo, pojawienie się nadprądów powoduje wyłączenie tego, który znajduje się w pobliżu strefy uszkodzenia.

Częściowe zabezpieczenie działa na tej samej zasadzie co pełne, ale dopiero po osiągnięciu przez prąd ustalonej wartości progowej.

Selektywność wyłączenia zapewniana przez wyłączniki (A i B) polega na tym, że zwarcie, niezależnie od miejsca w instalacji elektrycznej, zostanie odcięte przez najbliższy wyłącznik znajdujący się powyżej tego punktu. Pozostałe urządzenia nie wyłączą się.

Jeśli selektywność jest zapewniona do mniejszej z wartości prądu dwóch wyłączników automatycznych (WA), można mówić o pełnej selektywności między nimi. W takim przypadku graniczna wartość spodziewanego prądu zwarciowego instalacji w żadnych okolicznościach nie będzie większa od wartości prądu dwóch WA.

Rodzaj #2 — prądowy typ selektywności

W przypadku selektywności prądowej głównym wskaźnikiem jest graniczny prąd. Od obiektu do wejścia wartości są ustawiane według wzrastania. Działanie tej selektywności zabezpieczeń opiera się na tej samej podstawie, co selektywność czasowa.

Różnica polega tylko na tym, że opóźnienie jest dokonywane według wartości prądu — wraz z zbliżaniem się punktu zwarcia do wejścia, rosną wskazania prądu zwarcia. Czasowy wskaźnik wyłączenia może być taki sam.

Uszkodzoną z powodu zwarcia strefę określa się za pomocą nastaw zadziałania na różne wartości prądu. Całkowita selektywność może być tylko w warunkach, gdzie prąd zwarcia jest niski, a w odstępie między dwoma wyłącznikami znajduje się urządzenie o znacznym oporze elektrycznym. W takiej sytuacji prądy zwarcia będą się znacznie różnić.

Taki rodzaj selektywności stosuje się głównie w końcowych rozdzielnicach. Tutaj łączy się prąd znamionowy o niewielkiej wartości i prąd zwarcia z dużym oporem całkowitym kabli łączących.

Ta opcja selektywności jest ekonomiczna, prosta i działająca natychmiast. Niemniej jednak często wspomniana selektywność może być częściowa, ponieważ największy prąd jest na ogół niewielki.

Na zdjęciu selektywność prądowa z zastosowaniem wyłączników. W przypadku tego rodzaju selektywności występuje przesunięcie na osi prądu charakterystyk prądowych wyłączników umieszczonych jeden za drugim.

Gdy wartości Isd1 i Isd2 są identyczne lub bardzo bliskie, wówczas Is — maksymalny prąd selektywności — jest równy Isd2. Jeśli te wartości znacznie się różnią, Is = Isd1.

Warunkiem zapewnienia selektywności prądowej jest spełnienie nierówności: Ir1/Ir2 > 2 i Isd1/Isd2 > 2. W tym przypadku maksimum selektywności — Is = Isd1.

Do wad zalicza się również szybki wzrost poziomu nastaw zabezpieczenia od prądów dużego poziomu. Nie można szybko wyłączyć uszkodzonego obwodu, jeśli jeden z wyłączników okaże się niesprawny.

Przy obliczaniu nastaw zabezpieczenia prądowego należy uwzględniać rzeczywiste prądy przepływające przez wyłączniki pracujące w trybie automatycznym.

Rodzaj #3 — wariant czasowy i czasowo-prądowy

Gdy w obwodzie znajduje się szereg wyłączników automatycznych o identycznych charakterystykach prądowych, ale różnym czasie opóźnienia, to w przypadku wystąpienia usterki zabezpieczają się one wzajemnie. Ten, który znajduje się najbliżej miejsca uszkodzenia, zadziała natychmiast, następny — po pewnym czasie i tak dalej.

Na tym dwupoziomowym schemacie wyłącznik «A» ma taki czas opóźnienia, który zapewnia całkowitą selektywność z charakterystykami wyłącznika «B».

W przypadku selektywności czasowo-prądowej urządzenia ochronne reagują nie tylko na prąd, ale także na czas trwania reakcji. Przy określonej wartości prądu po pewnym czasie opóźnienia zadziała zabezpieczenie, którego odległość do miejsca zwarcia jest mniejsza. Sprawna część instalacji nie zostaje wyłączona.

Na zdjęciu wykres selektywności czasowej z użyciem wyłączników nadprądowych. Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników B i A nie przecinają się. Są one ułożone stopniowo.

Połączenie selektywności prądowej i czasowej zwiększa skuteczność wyłączania. Gdy Isc B < Irm A, selektywność jest pełna, a zadziałanie następuje natychmiastowo. Wyłącznik nadprądowy znajdujący się powyżej jest wyposażony w dwa nastawy: Im A i Ii A. Pierwszy jest selektywnym wyzwalaczem prądowym, drugi – wyzwalaczem bezzwłocznym.

Rodzaj #4 — selektywność energetyczna wyłączników

W przypadku selektywności energetycznej wyłączenia następują wewnątrz obudowy wyłącznika. Czas trwania procesu jest tak krótki, że prąd zwarciowy nie zdąży osiągnąć swojej wartości granicznej.

Układ ochrony czasowo-prądowej uważa się za skomplikowany. Działa tu nie tylko reakcja na prąd, ale także czas, przez jaki on występuje.

Wraz ze wzrostem prądu maleje czas zadziałania wyłącznika. Podstawą tego typu selektywności jest regulacja zabezpieczenia w taki sposób, aby po stronie chronionego obiektu działało ono szybciej przy wszystkich progowych wartościach prądu, w porównaniu z wyłącznikiem na wejściu.

Rodzaj #5 — strefowy schemat ochrony

Metoda strefowa jest skomplikowana i droga, dlatego stosuje się ją głównie w przemyśle. Gdy progowe wartości prądu osiągną maksimum, do centrum sterowania trafiają dane i wybrany wyłącznik zadziała. Sieć elektryczna z takim rodzajem selektywności obejmuje specjalne wyzwalacze elektroniczne.

Gdy zostanie wykryte zakłócenie, od wyłącznika znajdującego się niżej wysyłany jest sygnał do urządzenia znajdującego się wyżej. Pierwszy wyłącznik powinien zareagować w ciągu sekundy. Jeśli nie zareaguje, zadziała drugi.

Porównując ten rodzaj selektywności z selektywnością czasową, można zauważyć, że czas zadziałania w tym przypadku jest znacznie krótszy – czasami wynosi setki milisekund. Zmniejsza się zarówno procent interwencji w system, jak i procent jego uszkodzeń. Maleją wpływy termiczne i dynamiczne na części instalacji. Rośnie liczba poziomów selektywności.

Gdy prądy przepływające przez urządzenia ochronne osiągną wartość większą niż ich własne nastawy, sygnał blokady jest przekazywany przez każdy wyłącznik do zabezpieczenia wyższego poziomu.

W przypadku selektywności strefowej zadziała zabezpieczenie znajdujące się po stronie źródła zasilania, przyjmując za punkt początkowy miejsce zwarcia. Do momentu zadziałania wyłącznika kontrolowane jest, aby urządzenie ochronne po stronie obciążonej nie wysłało podobnego sygnału.

Jednak taka selektywność wymaga obecności dodatkowego źródła zasilania. Dlatego racjonalne zastosowanie tego rodzaju selektywności to systemy o wysokich parametrach prądu zwarciowego i prądzie o znacznej wartości. Są to aparaty łączeniowo-rozdzielcze znajdujące się po stronie obciążenia generatorów i transformatorów.

Obliczanie selektywności wyłączników

Właściwy wybór wyłącznika i prawidłowe ustawienie to podstawowa zasada zachowania selektywności wyłączników automatycznych. Selektywność dla wyłącznika znajdującego się blisko źródła gwarantuje spełnienie wymagania: Is.o.posled ≥ Kn.o. ∙ Ik.przed.

Tutaj Is.o.posled to wartość prądu, po której następuje zadziałanie zabezpieczenia. Ik.przed. to prąd zwarciowy w punkcie końcowym strefy, na którą rozciąga się działanie wyłącznika umieszczonego daleko od źródła energii. Kn.o. to współczynnik niezawodności. Jego wartość zależy od rozrzutu parametrów.

Wartość znamionową wyłącznika dla obwodu dobiera się nie tylko na podstawie obliczeń, ale także według takiej tabeli, biorąc pod uwagę przekrój kabli w schemacie.

Zależność ts.o.posled ≥ tk.pred. + Δt wykazuje selektywność w przypadku regulacji wyłącznika względem czasu. ts.o.posled, tk.pred. to przedziały czasu zadziałania wyłączników znajdujących się daleko od źródła zasilania i znajdujących się blisko. Δt to parametr, który pobiera się z katalogu i oznacza stopień selektywności czasowej.

Mapa selektywności i zasady jej tworzenia

Charakterystyki czasowo-prądowe wszystkich urządzeń włączonych do schematu sieci elektrycznej przedstawia się na mapie selektywności. Celem jej sporządzenia jest maksymalne zapewnienie ochrony wyłączników. Podstawą ochrony wyłączników jest zasada, według której wyłączniki łączy się jeden za drugim ściśle szeregowo.

Istnieje szereg zasad, obowiązujących przy tworzeniu mapy selektywności:

1. Instalacje powinny mieć jedno źródło napięcia.
2. Wszystkie ważne punkty obliczeniowe powinny być dobrze widoczne. Z uwzględnieniem tego wymogu należy wybrać skalę.
3. Na mapie wskazuje się właściwości ochronne, minimalne i maksymalne parametry zwarć w punktach systemu.

Często normy projektowe są naruszane, a mapy selektywności w projektach nie występują. Może to prowadzić do przerw w zasilaniu odbiorców.

Na mapę nanosi się charakterystyki wyłączników połączonych szeregowo jeden za drugim. Sam schemat buduje się w osiach

Mapa daje pełny obraz uzgadniania nastaw. Umożliwia porównanie pracy wyłączników pod względem takiej charakterystyki, jak selektywność.

Czasowo-prądowe odmiany osi są podstawą nie tylko do budowania map selektywności dla ochrony prądowej w postaci wyłączników automatycznych, ale także dla innych jej rodzajów: bezpieczników, przekaźników. Zazwyczaj jedna mapa zawiera charakterystyki 2-3 wyłączników automatycznych. Na osi odciętych zaznacza się wartość prądu w kV, a na osi rzędnych – czas w sekundach.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Problemy podczas pracy wyłączników automatycznych i ich usuwanie:

Rysowanie mapy selektywności za pomocą specjalnego programu:

Niezawodne, bezpieczne użytkowanie instalacji elektrycznej jest niemożliwe bez uwzględnienia selektywności wyłączników. Znając podstawowe aspekty tworzenia selektywnej ochrony, można fachowo dobrać sprzęt do swojego projektu technicznego.

Czy zajmuje się Pan zawodowo pracami elektroinstalacyjnymi i chce Pan uzupełnić powyższy materiał? A może zauważył Pan niezgodność lub błąd w tym artykule? Albo chce Pan zadać pytanie naszym ekspertom? Prosimy o wpisanie swoich komentarzy w bloku poniżej.