От МВА к кА/кВ: почему изменились номиналы автоматических выключателей

Номиналы автоматического выключателя — предельная отключающая способность, включающая способность, номиналы напряжения и тока, рабочий цикл и кратковременная стойкость

Не ругайте меня за упоминание старого МВА-номинала автоматических выключателей — мы все слышали про 500 или 1000 МВА. Эти номиналы больше не встречаются на современных моделях: это устаревшая логика, стандарты изменились. Давайте разберем, что именно произошло. На самом деле предельная отключающая способность (не отключающий ток) теперь выражается в кА вместо МВА (как было раньше).

Прежде чем идти в детали, вспомним, что делает автоматический выключатель и какие у него бывают номиналы.

Автоматический выключатель — управляющее и защитное устройство для коммутации и защиты системы, которое:

• Включает и разрывает цепь вручную или автоматически в нормальных и аварийных режимах.
• Автоматически разрывает цепь и пропускает ток короткого замыкания и перегрузки через себя.
• Выдерживает ток КЗ очень короткое время, пока другие последовательно включенные выключатели не устранят неисправность.

Основываясь на трёх функциях выше, выделяют шесть номиналов автоматического выключателя:

• Предельная отключающая способность (Breaking Capacity)
• Предельная включающая способность (Making Capacity)
• Рабочий цикл (Duty Cycle / Rated Operating Sequence)
• Номинальное напряжение
• Кратковременная термическая стойкость (Short Time Operation Capacity)
• Номинальный рабочий ток (Normal Current Rating)

Предельная отключающая способность (раньше МВА, теперь кА)

Предельная отключающая способность — максимальный ток короткого замыкания (RMS), который выключатель может выдержать или прервать, размыкая замкнутые контакты при номинальном напряжении восстановления, без повреждения себя и подключенных приборов.

Выражается в RMS из-за симметричных и асимметричных составляющих (пульсации и постоянная составляющая при КЗ на очень короткое время).

Раньше отключающая способность оценивалась в МВА с учетом номинального тока отключения и рабочего напряжения:

S = √3 × V × I × 10⁻⁶ … МВА

или

S = √3 × Номинальное линейное напряжение × Номинальный линейный ток × 10⁻⁶ … МВА

Пример:

Каков ток отключения выключателя с предельной отключающей способностью 100 МВА и номинальным рабочим напряжением 11 кВ?

Решение:

I = 100 × 10⁶ / (√3 × 11 кВ) = 52.48 кА

Почему отключающая способность выражается в кА, а не в МВА?

Выражать номинал выключателя в МВА нелогично, потому что при КЗ напряжение очень низкое, а ток — максимальный. Когда выключатель размыкает контакты для прекращения тока КЗ, на контактах появляется номинальное напряжение. То есть одни и те же номинальные величины не действуют одновременно во время КЗ. Поэтому отключающая способность не может быть выражена в МВА.

По этим причинам производители следуют актуальным международным стандартам и указывают предельную отключающую способность в симметричном токе отключения в кА при номинальном напряжении вместо МВА. Номинал в амперах или кА сопровождается значением транзиторного напряжения восстановления (TRV), так как ток может быть симметричным и асимметричным.

Предельная включающая способность

Предельная включающая способность — пиковое значение тока, включая кратковременные пульсации и постоянную составляющую в первом полуцикле волны тока КЗ после замыкания контактов.

Важно: включающая способность в кА выражается в пиковом значении, а не RMS (как отключающая). Это связано с электродинамическими силами и дуговым процессами при замыкании на КЗ. Эти силы пропорциональны квадрату максимального мгновенного значения тока. Поэтому включающая способность указывается в пике, а отключающая — в RMS.

Значение тока КЗ максимально в первой фазе/полуволне при максимальной асимметрии. Простыми словами: ток включения равен максимальному значению асимметричного тока, то есть включающая способность всегда больше отключающей.

Номинальный ток включения КЗ принимается как 2.5 × RMS значение переменной составляющей номинального тока отключения, так как теоретически ток КЗ может подскочить до удвоенного симметричного уровня в начальный момент.

Расчёт включающей способности:

Перевод симметричного тока отключения из RMS в пик:

I_make = I_break_sym × √2

Умножение на 1.8 для учета удвоения эффекта максимальной асимметрии (учет спада тока в первой четверти цикла):

I_make = √2 × 1.8 × I_break_sym = 2.55 × I_break_sym

Предельная включающая способность = 2.55 × Симметричный ток отключения

Рабочий цикл автоматического выключателя (номинальная последовательность операций)

Показывает механические требования к коммутационному механизму.

Рабочий цикл выражается как:

O — t — CO — t' — CO

Где:

• O = операция размыкания выключателя
• t = 0.3 с для первой автоматической повторной замыкания, если не указано иное
• t' = время между двумя операциями (восстановление начального состояния и предотвращение недопустимого нагрева контактов)
• CO = операция замыкания сразу после размыкания без задержки

Номинальное напряжение

Значение безопасного максимального предела напряжения, при котором выключатель может работать без повреждений.

Зависит от толщины и материала изоляции. Номинальное напряжение выключателя связано с наивысшим напряжением системы из-за роста напряжения при холостом ходе или резком снижении нагрузки. Например, выключатель должен выдерживать 10% от номинала системы для 40 кВ, а для 400 кВ — 5%. Выключатель для линии 6.6 кВ должен иметь номинал около 7.2 кВ и т.д.

С другой стороны, выключатель 400 В~ не должен работать при 1000 В и выше, тогда как выключатель 1000 В~ можно использовать в сети 400 В. При номинальном напряжении выключатель способен погасить дугу. При превышении номинала транзиторное напряжение восстановления (TRV) может превысить диэлектрическую прочность среды погашения дуги — дуга не погаснет, что приведет к повреждению.

Обычно номинальное напряжение выключателя выше напряжения шины и нагрузки. Типично два типа по уровню напряжения:

• Низковольтные выключатели: до 1 кВ~ и 1.2 кВ=; высоковольтные — выше.
• Высоковольтные — для внутренних и наружных установок; низковольтные — в основном внутренние.
• Низковольтные сложнее и коммутируют чаще из-за меньших зазоров фаза-фаза и фаза-земля. Методы испытаний различаются.

Дополнительные номиналы напряжения

1. Импульсный номинал напряжения
2. Номинал напряжения промышленной частоты на выдерживание

Импульсный номинал показывает способность выдержать переходные перенапряжения от молнии или коммутационных импульсов. Длительность в микросекундах. Контакты и изоляция рассчитаны на выдержку пикового импульсного напряжения на очень короткое время.

Номинал промышленной частоты показывает способность выдержать внезапный рост напряжения сильно выше наивысшего системного. Возникает при резком изменении нагрузки или одновременном отключении большой нагрузки. Длится обычно 60 секунд, но выключатель должен это выдержать.

Кратковременная термическая стойкость

Указанный короткий период, в течение которого выключатель выдерживает ток КЗ, оставаясь замкнутым.

Чтобы избежать ложных срабатываний на кратковременные токи КЗ или резкие изменения нагрузки, выключатель не должен отключаться, если неисправность проходит сама и выключатель выдерживает электродинамические силы и нагрев. Если время превышает указанное (секунды или миллисекунды), выключатель размыкает контакты для максимальной защиты.

Существуют классы B, C, D и Класс 1, 2, 3 с соответствующими характеристиками. Класс 3 — лучший, допускает макс. 1.5L Дж/с по IS 60898. Например, масляный выключатель имеет временную стойкость 3 секунды и не должен превышать это при прохождении тока КЗ. Номинальный ток кратковременной стойкости должен равняться номинальной отключающей способности. Для чувствительных устройств учитывайте временную характеристику.

Номинальный рабочий ток

RMS значение тока, которое выключатель может нести непрерывно при номинальном напряжении и частоте без изменения режима из-за нагрева в нормальной работе.

Номинальный рабочий ток должен быть 125% от расчетного тока цепи. Например, при токе нагрузки 24 А:

= 24 А × 125% = 24 А × 1.25 = 30 А (номинал выключателя).

Другой способ: ток нагрузки = Номинал выключателя × 0.8. Т.е. выключатель 25 А для нагрузки 20 А (освещение).

Ток нагрузки = 25 А × 0.8 = 20 А.