Защита от короткого замыкания: требования, особенности

Защита от короткого замыкания — это защита, отключающая электрическую цепь при возникновении в ней короткого замыкания.

Требования.

Обратимся к книге [1] автора Харечко Ю.В., который, проведя анализ нормативной документации, заключил следующее:

« Требования к защите электрических цепей от короткого замыкания приведены в разделе 434 «Защита от тока короткого замыкания» стандарта МЭК 60364‑4‑43 и разработанного на его основе ГОСТ Р 50571.4.43-2012 [2]. Стандартами предусмотрено обязательное выполнение в электроустановках зданий защиты от короткого замыкания проводников ее электрических цепей, как правило, посредством их отключения устройствами защиты от сверхтока, к которым, прежде всего, относятся автоматические выключатели и плавкие предохранители.

внешний вид автоматических выключателей
Автоматические выключатели – устройства, которые применяются для защиты от короткого замыкания (в качестве примера: А – однополюсные, Б – трехполюсные)

В соответствии с требованиями международного и национального стандартов устройства защиты от короткого замыкания должны отключать любые токи короткого замыкания вплоть до их номинальной коммутационной способности при коротком замыкании раньше, чем эти токи вызовут опасные повышения температуры проводников и контактов в местах их соединений или опасные механические воздействия на проводники. Эти устройства могут быть установлены в местах, где защита от токов перегрузки не требуется или ее выполняют другими защитными устройствами. »

Любое устройство защиты от короткого замыкания должно отвечать двум следующим условиям:

  1. его номинальная коммутационная способность при коротком замыкании устройства должна быть не менее значения ожидаемого тока короткого замыкания в том месте, где оно установлено;
  2. время отключения короткого замыкания в любой точке электрической цепи не должно превышать промежуток времени, в течение которого температура проводников достигнет предельно допустимого значения.

Для короткого замыкания продолжительностью до 5 с время отключения короткого замыкания можно приблизительно рассчитать по формуле: [2]

t = (k*S/I)2

где t – продолжительность, с;
S – площадь поперечного сечения проводника, мм2;
I – действующее значение тока короткого замыкания, А;
k – коэффициент, зависящий от материала проводника и его изоляции, начальной и конечной температур проводника и других условий. Значения этого коэффициента приведены в таблицах 43A обоих стандартов.

Харечко Ю.В. в своей книге [1] приводит пример подбора коэффициента k:

« Например, для медных проводников с поливинилхлоридной изоляцией и для соединений медных проводников, выполняемых пайкой, при начальной и конечной температурах, соответственно равных 70 °С и 160 °С, k = 1151. Для алюминиевых проводников с поливинилхлоридной изоляцией при указанных условиях k = 762. Для медных проводников с резиновой изоляцией при начальной и конечной температурах, соответственно равных 60 °С и 200 °С, k = 141, а для алюминиевых проводников k = 93. »

Также Харечко Ю.В. заостряет внимание на ошибках в таблице 43A ГОСТ Р 50571.4.43 [1]:

« Примечание 1: Эти данные в таблице 43A ГОСТ Р 50571.4.43 указаны неправильно. Для материала проводника «медь» коэффициент установлен равным 1, «паянные оловом» – 76. Кроме того, в таблице 43A ГОСТ Р 50571.4.43 указан коэффициент, равный 115, для материала проводника «соединения меди», которого нет в стандарте МЭК 60364‑4‑43. »

« Примечание 2: Эти данные в таблице 43A ГОСТ Р 50571.4.43 указаны неправильно. Для материала проводника «алюминий» коэффициент установлен равным 15. »

Харечко Ю.В. продолжает [1]:

« В стандарте МЭК 60364‑4‑43 указано, что для времени оперирования защитных устройств меньше 0,1 с, когда существенна асимметрия электрического тока, а также для токоограничивающих устройств защиты от сверхтока значение k2S2 должно быть больше значения пропускаемой энергии I2t, заявленного производителем защитного устройства. Посредством характеристики I2t устройства защиты от сверхтока устанавливают его способность ограничивать ожидаемый сверхток в защищаемых им электрических цепях. Поэтому необходимо обеспечить следующее соотношение между характеристиками устройства защиты от сверхтока и защищаемых им проводников: I2t < k2S2. »

« В ГОСТ Р 50571.4.43 рассматриваемое требование искажено относительно требования международного стандарта: «Для защитных устройств с времени срабатывания меньше 0,1 с и при значительной асимметрии тока токоограничение устройства защиты k2S2 должно быть больше чем значение I2t, указанное производителем». В национальном стандарте характеристика проводников k2S2 неправомерно упомянута в качестве характеристики защитного устройства, посредством которой оценивают его способность ограничивать сверхток. Однако такой характеристикой является характеристика I2t.

Если характеристики устройства защиты от перегрузки соответствует требованиям, предъявляемым к характеристикам устройства защиты от короткого замыкания, оно может быть использовано в качестве единого устройства, которое применяют и для защиты от перегрузки, и для защиты от короткого замыкания.

В противном случае следует применять два защитных устройства, согласовав их характеристики так, чтобы мощность короткого замыкания не превышала значения, которое может выдержать устройство защиты от перегрузки.

Особенности.

Об особенностях использования устройств для защиты от короткого замыкания хорошо, на мой взгляд, написал Харечко Ю.В. в своей книге [1]:

« В электроустановках зданий для защиты электрических цепей от коротких замыканий обычно применяют автоматические выключатели, соответствующие ГОСТ IEC 60898-1-2020 [3] и АВДТ, соответствующие ГОСТ IEC 61009‑1. По нормативным требованиям эти автоматические выключатели должны отключать короткие замыкания за промежуток времени менее, чем за 0,1 с.

Фактически они могут отключать короткие замыкания еще быстрее – менее чем за 0,01 с. Такое срабатывание автоматического выключателя происходит при сверхтоках, превышающих верхнюю границу стандартного диапазона токов мгновенного расцепления. Поэтому целесообразно обеспечивать следующее соотношение характеристик автоматического выключателя и короткозамкнутой электрической цепи:

kIn ≤ IКЗ min,

где k – коэффициент, равный 5, 10 или 20 соответственно для автоматического выключателя, имеющего тип мгновенного расцепления B, C или D;
In – номинальный ток автоматического выключателя, А;
IКЗ min – минимальный ток однофазного короткого замыкания в наиболее удаленной точке электрической цепи, защищаемой автоматическим выключателем, А.

Иными словами, минимальный ток однофазного короткого замыкания в наиболее удаленной точке электрической цепи должен быть больше или равен верхней границе стандартного диапазона токов мгновенного расцепления автоматического выключателя, который защищает эту электрическую цепь. Выполнение рассматриваемого условия позволит автоматическим выключателям наиболее быстро отключать токи короткого замыкания во всех электрических цепях, минимизировав их негативное воздействие на проводники и другое электрооборудование.

Указанное согласование характеристик автоматического выключателя и короткозамкнутой электрической цепи предопределяет следующие предпочтительные области применения автоматических выключателей с разными типами мгновенного расцепления.

Автоматические выключатели с типом мгновенного расцепления В, которые имеют стандартный диапазон токов мгновенного расцепления свыше 3 до 5 In, целесообразно применять для защиты от сверхтока большинства конечных электрических цепей в электроустановках индивидуальных жилых домов, в электроустановках квартир и других, им подобных, электроустановках. Например, с помощью таких автоматических выключателей можно выполнять защиту конечных электрических цепей освещения и штепсельных розеток. Препятствием, ограничивающим использование этих автоматических выключателей, является наличие больших пусковых токов электрооборудования.

Автоматические выключатели с типом мгновенного расцепления С, которые имеют стандартный диапазон токов мгновенного расцепления свыше 5 до 10 In, обычно используют для защиты от сверхтока электрических цепей, в которых возможны большие пусковые токи при включении электрооборудования, например, конечных электрических цепей освещения, в которых предусмотрено одновременное включение большого числа светильников, конечных электрических цепей, в состав которых входит электрооборудование с электродвигателями, и др.

Автоматические выключатели с типом мгновенного расцепления D, которые имеют стандартный диапазон токов мгновенного расцепления свыше 10 до 20 In, применяют для защиты от сверхтока тех электрических цепей, в которых имеются большие импульсные пусковые токи, появляющиеся, например, при включении трансформаторов, электромагнитных клапанов, больших емкостных нагрузок и др.

Автоматические выключатели, мгновенно срабатывающие при меньшей кратности номинального тока, чем автоматические выключатели с типом мгновенного расцепления В, используют для защиты от сверхтока электрических цепей с полупроводниковыми приборами, измерительных цепей с преобразователями, а также электропроводок большой протяженности. Однако диапазоны токов мгновенного расцепления для таких автоматических выключателей производители устанавливают по своему усмотрению, поскольку они не стандартизированы.

Для защиты от короткого замыкания конечных электрических цепей целесообразно использовать токоограничивающие автоматические выключатели, которые имеют класс ограничения электроэнергии 3 (см. табл. 3 в статье «Технические характеристики автоматических выключателей»), и токоограничивающие плавкие предохранители, поскольку токоограничивающие устройства защиты от сверхтока обеспечивают наиболее сильное снижение негативного воздействия токов короткого замыкания на проводники и другое электрооборудование. »

Список использованной литературы

  1. Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 5// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2017. – № 2. – 160 c
  2. ГОСТ Р 50571.4.43-2012
  3. ГОСТ IEC 60898-1-2020