Что следует учитывать при проектировании низковольтных опорных выключателей?

Низковольтные опорные выключатели являются ключевыми защитными и управляющими устройствами в энергетических системах, чье проектирование и эксплуатация напрямую влияют на безопасность и надежность системы. Их конструкция должна всесторонне учитывать адаптивность к окружающей среде, согласование электрических параметров и выбор приводов для обеспечения стабильной работы в различных условиях. В процессе эксплуатации строгое соблюдение правил безопасности, регулярное техническое обслуживание и правильная обработка исключительных ситуаций являются необходимыми для предотвращения аварий, вызванных неправильным управлением. В этой статье систематически изложены основные принципы проектирования и стандарты эксплуатации низковольтных опорных выключателей, предоставляя профессиональные рекомендации для инженерного персонала.

1. Принципы проектирования низковольтных опорных выключателей

Проектирование низковольтных опорных выключателей должно обеспечивать устойчивость к суровым внешним условиям, одновременно выполняя требования защиты и управления.

1.1 Адаптивность к окружающей среде

Как оборудование, установленное на открытом воздухе, эти выключатели должны выдерживать колебания температуры, влажности, коррозию солевым туманом и механические вибрации. Согласно ГОСТ 2423.17, они должны пройти 72-часовой нейтральный тест на солевой туман (Класс 5), подходящий для прибрежных или промышленных районов, с степенью загрязнения 3, чтобы противостоять проводимому загрязнению или конденсации. Для высокогорья (>2000 м) параметры изоляции и повышения температуры должны быть скорректированы в соответствии с ГОСТ 20645-2021 (предел повышения температуры уменьшается на 1% за каждые 100 м увеличения; требуется снижение номинального тока выше 4000 м).

Для низких температур необходимо обеспечить работу при -40°C и хранение при -55°C, с надежной работой привода. Устойчивость к ультрафиолету требует применения покрытий, таких как полиамидная краска (угол смачивания >90°) или PVDF (устойчивость к старению под воздействием УФ ≥ Класс 8). Герметичность корпуса должна соответствовать стандартам IP54/55, чтобы предотвратить деградацию изоляции.

1.2 Согласование электрических параметров

Точное расчетное значение тока короткого замыкания и правильный выбор параметров имеют решающее значение. Ток короткого замыкания следует рассчитывать абсолютным методом, учитывая трехфазные, двухфазные и однофазные заземленные токи короткого замыкания. Начальное трехфазное значение тока короткого замыкания рассчитывается по формуле:

где Un — номинальное линейное напряжение, а R_k, X_k — общее сопротивление и реактивное сопротивление цепи короткого замыкания. Номинальная разрывная способность выключателя (Ics) по току короткого замыкания не должна быть меньше максимального трехфазного значения тока короткого замыкания. Проверка чувствительности требует, чтобы минимальное значение тока короткого замыкания на конце линии было не менее 1,3 раза от настройки мгновенного или кратковременного тока срабатывания: I_min≥1.3I_set3.

Для защиты от перегрузки настройка длительного времени срабатывания Iset1 должна удовлетворять условию I_z≥I_set1≥I_c, где Iz — непрерывная проводимость проводника, а IcIc — рассчитанный нагрузочный ток. Для защиты от короткого замыкания настройка мгновенного срабатывания I_set3 должна быть ≥1.2 раза полного пускового тока самого большого двигателя (например, 20–35 раз номинального тока для двигателей с короткозамкнутым ротором), а настройка кратковременного срабатывания I_set2 должна избегать пиковых нагрузок, обычно устанавливаемых на 1.2 раза (максимальный пусковой ток двигателя + другие нагрузочные токи).

1.3 Выбор привода

Широко используются пружинные механизмы, которые требуют надежности, анти-прыжковости, свободного отключения и функции демпфирования. Параметры времени: рамные выключатели — закрытие ≤0.2с, открытие ≤0.1с; литые выключатели — механический ресурс ≥10 000 операций (рамные выключатели ≥20 000). Привод должен включать детекцию накопления энергии и блокировку для безопасной работы. Динамические характеристики требуют оптимизации скорости и перемещения контактов (например, поэтапное управление для вакуумных выключателей, чтобы минимизировать отскок контактов). Характеристики выхода должны соответствовать выключателю, чтобы обеспечить закрытие при коротком замыкании. В холодных регионах ESR конденсатора увеличивается при -40°C, что продлевает время закрытия; переменно-температурные испытания являются обязательными.

2. Проектирование функций защиты и выбор настроек

2.1 Защита от перегрузки

Обычно реализуется с помощью тепловых-магнитных или электронных расцепителей. Тепловые-магнитные устройства используют биметаллические полосы с обратной временной характеристикой (время срабатывания обратно пропорционально квадрату тока перегрузки). Электронные устройства обеспечивают точное управление, с настройками длительного времени срабатывания Ir в диапазоне от 0,4 до 1 раза номинального тока In. Настройки должны удовлетворять условиям In≥Ic и In≤Iz. Чувствительность: Sp=I_kmin/I_op≥1.3, где IkminIkmin — минимальный однофазный ток короткого замыкания на конце линии. Для важных нагрузок защита от перегрузки может вызывать сигналы тревоги, а не отключение.

2.2 Защита от короткого замыкания

Включает кратковременную и мгновенную защиту. Кратковременная защита обеспечивает селективность: $\×$ (максимальный пусковой ток двигателя + другие нагрузки), с временными задержками (0,1–0,4 с) согласованными с вышестоящими выключателями (≥0,1–0,2 с разница во времени). Мгновенная защита предназначена для серьезных отказов: $\×$ полный пусковой ток двигателя (например, 12–18 раз InIn для двигателей). Для распределительных фидеров предпочтительны электронные расцепители с задержкой мгновенного срабатывания. Селективность: настройка кратковременного срабатывания вышестоящего выключателя ≥1,3 × настройка мгновенного срабатывания нижестоящего выключателя, с ≥0,1–0,2 с разницей во времени.

2.3 Защита от понижения напряжения

Предотвращает повреждение оборудования от проседания напряжения. Диапазон срабатывания: 35%–70% номинального напряжения. Мгновенные типы срабатывают немедленно, но могут вызвать ложные срабатывания; задерживающие типы (0–5 с) игнорируют кратковременные колебания, подходят для промышленного использования. Номинальное напряжение устройства защиты от понижения напряжения должно соответствовать линейному напряжению, и его функция не должна мешать другим видам защиты. Задерживающие типы (0,2–3 с) рекомендованы для промышленных применений.

3. Селективная координация и каскадная защита

3.1 Селективные зоны

• Зона 1 (Isc < Icu нижестоящего): Достигается путем градации по току и времени (например, вышестоящий $\&times;$ нижестоящий Iset3Iset3, временная задержка &ge; нижестоящего + 0,1 с).

• Зона 2 (Icu нижестоящего < Isc < Icu вышестоящего): Опирается на токограничащие характеристики или данные производителя. Предел селективности IsIs может быть меньше Icu нижестоящего (частичная селективность).

• Зона 3 (Isc > Icu вышестоящего): Требует испытаний; контакты вышестоящего выключателя могут кратковременно открываться (&le;30 мс) без срабатывания, если не происходит сварки.

3.2 Каскадная защита

Использует токограничающую способность вышестоящего выключателя, позволяя использовать нижестоящие выключатели с меньшей разрывной способностью, что снижает стоимость. Требуется согласование мгновенных настроек и избегание критических нагрузок на каскадных цепях. Энергетическая селективность (например, в выключателях типа A) может улучшить пределы селективности, но необходима проверка с использованием данных производителя.

3.3 Методы селективности

• Селективность по току: Настройка мгновенного срабатывания вышестоящего &ge;1,3 &times; нижестоящего.

• Селективность по времени: Задержка кратковременного срабатывания вышестоящего &ge; нижестоящего + 0,1–0,2 с.

• Энергетическая селективность: Основана на требованиях к энергии контактной системы.

• Логическая селективность: Обнаружение отказа нижестоящего отправляет сигнал блокировки вышестоящему, обеспечивая быстрое отключение нижестоящего, в то время как вышестоящий остается закрытым — обеспечивая "стабильную, точную, быструю" защиту.