Selettore e Impostazione del Dispositivo di Protezione: Una Guida Completa dai Parametri di Base alla Protezione Selettiva
Classificazione degli interruttori di circuito
(1) Interruttore di circuito ad aria (ACB)
Un interruttore di circuito ad aria, anche noto come interruttore a telaio modellato o universale, ospita tutti i componenti all'interno di un telaio metallico isolato. È tipicamente aperto, permettendo l'installazione di vari accessori, e facilita la facile sostituzione dei contatti e delle parti. È comunemente utilizzato come interruttore principale dell'alimentazione. Le unità di protezione contro sovracorrente includono tipi elettromagnetici, elettronici e intelligenti. L'interruttore fornisce quattro stadi di protezione: ritardo a lungo termine, ritardo a breve termine, istantaneo e protezione contro le falle a terra. Ogni impostazione di protezione può essere regolata entro un range basato sulla dimensione del telaio.
Gli interruttori di circuito ad aria sono adatti per reti in corrente alternata a 50 Hz, con tensioni nominali di 380 V o 660 V, e correnti nominali da 200 A a 6300 A. Sono principalmente utilizzati per distribuire l'energia elettrica e proteggere i circuiti e le apparecchiature elettriche da sovraccarichi, sottotensioni, cortocircuiti, guasti a terra su una fase e altri difetti. Questi interruttori offrono molteplici funzioni di protezione intelligente e consentono una protezione selettiva. In condizioni normali, possono essere utilizzati per la commutazione occasionale dei circuiti. Gli ACB fino a 1250 A possono essere utilizzati in reti a 50 Hz, 380 V per proteggere i motori da sovraccarichi e cortocircuiti.
Gli interruttori di circuito ad aria sono anche comunemente utilizzati come interruttori principali sul lato a 400 V dei trasformatori, interruttori di collegamento, interruttori di alimentazione ad alta capacità e interruttori di controllo per grandi motori.
(2) Interruttore di circuito a scatola plastica (MCCB)
Anche noto come interruttore a inserimento, l'interruttore di circuito a scatola plastica ospita terminali, contatti, camere di spegnimento dell'arco, unità di discesa e meccanismi di azionamento all'interno di un involucro in plastica. I contatti ausiliari, le unità di discesa per sottotensione e le unità di discesa parallela sono spesso modulari. La struttura è compatta e la manutenzione non viene generalmente considerata. È adatto per la protezione dei rami di circuito. Gli interruttori a scatola plastica includono tipicamente unità di discesa termico-magnetiche, mentre i modelli più grandi possono essere dotati di sensori di discesa a stato solido.
Le unità di protezione contro sovracorrente per MCCB sono disponibili in tipi elettromagnetici ed elettronici. Tipicamente, gli MCCB elettromagnetici sono non selettivi e forniscono solo protezione a lungo termine e istantanea. Gli MCCB elettronici offrono quattro funzioni di protezione: ritardo a lungo termine, ritardo a breve termine, istantaneo e protezione contro le falle a terra. Alcuni nuovi MCCB elettronici presentano anche blocco selettivo di zona.
Gli interruttori di circuito a scatola plastica sono generalmente utilizzati per il controllo e la protezione dei circuiti di alimentazione, come interruttori principali sul lato a bassa tensione dei piccoli trasformatori di distribuzione, per il controllo della distribuzione finale di energia e come interruttori di potenza per varie macchine produttive.
(3) Mini-interruttore di circuito (MCB)
Il mini-interruttore di circuito è il dispositivo di protezione terminale più ampiamente utilizzato nei sistemi di distribuzione elettrica di edifici. È utilizzato per la protezione contro cortocircuiti, sovraccarichi e sovratensioni in circuiti monofase e trifase fino a 125 A, e viene fornito in configurazioni a polo singolo (1P), doppio (2P), triplo (3P) e quadruplo (4P).
Un MCB è composto da un meccanismo di azionamento, contatti, dispositivi di protezione (varie unità di discesa) e un sistema di spegnimento dell'arco. I contatti principali vengono chiusi manualmente o elettricamente. Dopo la chiusura, un meccanismo di liberazione libera i contatti nella posizione chiusa. La bobina dell'unità di discesa per sovracorrente e l'elemento riscaldante dell'unità di discesa termica sono collegati in serie con il circuito principale, mentre la bobina dell'unità di discesa per sottotensione è collegata in parallelo con l'alimentazione.
Nel progetto elettrico degli edifici civili, i mini-interruttori di circuito sono principalmente utilizzati per protezione e operazioni come sovraccarico, cortocircuito, sovracorrente, perdita di tensione, sottotensione, messa a terra, fughe, trasferimento automatico di fonti di alimentazione duali e avviamento occasionale di motori.
Parametri caratteristici di base degli interruttori di circuito
(1) Tensione di esercizio nominale (Ue)
La tensione di esercizio nominale è la tensione nominale dell'interruttore di circuito, sotto la quale l'interruttore può operare continuativamente in condizioni di servizio e prestazioni specifiche normali.
In Cina, per livelli di tensione fino a 220 kV, la tensione massima di esercizio è 1,15 volte la tensione nominale del sistema; per 330 kV e oltre, la tensione massima di esercizio è 1,1 volte la tensione nominale. L'interruttore di circuito deve mantenere l'isolamento e essere in grado di chiudere e interrompere alla tensione massima di esercizio del sistema.
(2) Corrente nominale (In)
La corrente nominale è la corrente che l'unità di discesa può portare continuativamente a una temperatura ambiente inferiore a 40 °C. Per gli interruttori con unità di discesa regolabili, si riferisce alla corrente massima che l'unità di discesa può portare continuativamente.
Quando utilizzato a temperature ambientali superiori a 40 °C ma non superiori a 60 °C, l'interruttore può operare a carico ridotto per un servizio a lungo termine.
(3) Impostazione della corrente di discesa per sovraccarico (Ir)
Quando la corrente supera l'impostazione Ir dell'unità di discesa, l'interruttore di circuito si disattiva dopo un ritardo temporale. Rappresenta anche la corrente massima che l'interruttore può portare senza disattivarsi. Questo valore deve essere maggiore della corrente di carico massima Ib ma minore della corrente massima ammissibile Iz del circuito.
Per le unità di discesa termico-magnetiche, Ir è generalmente regolabile tra 0,7–1,0In. Per le unità di discesa elettroniche, il range di regolazione è generalmente più ampio, tipicamente 0,4–1,0In. Per gli interruttori con unità di discesa per sovracorrente non regolabili, Ir = In.
(4) Impostazione della corrente di discesa per cortocircuito (Im)
L'unità di discesa per cortocircuito (istantanea o a breve ritardo) provoca la disattivazione rapida dell'interruttore di circuito quando si verificano correnti di guasto elevate. La soglia di discesa è Im.
(5) Corrente di resistenza a breve termine nominale (Icw)
Questo è il valore di corrente permesso di passare attraverso il conduttore per una durata specificata senza causare danni dovuti al surriscaldamento.
(6) Capacità di interruzione
La capacità di interruzione di un interruttore di circuito si riferisce alla sua capacità di interrompere sicuramente le correnti di guasto, che non è necessariamente correlata alla sua corrente nominale. Le valutazioni comuni includono 36 kA e 50 kA. È generalmente divisa in capacità di interruzione a cortocircuito massima (Icu) e capacità di interruzione a cortocircuito in servizio (Ics).
Principi generali per la selezione degli interruttori di circuito
In primo luogo, selezionare il tipo e il numero di poli in base all'applicazione; quindi, selezionare la corrente nominale in base alla corrente di esercizio massima; infine, scegliere il tipo di unità di discesa e gli accessori. I requisiti specifici sono i seguenti:
La tensione di esercizio nominale dell'interruttore di circuito ≥ tensione nominale della linea.
La capacità di accensione/interruzione a cortocircuito nominale dell'interruttore di circuito ≥ corrente di carico calcolata della linea.
La capacità di accensione/interruzione a cortocircuito nominale dell'interruttore di circuito ≥ corrente di cortocircuito massima possibile nella linea (solitamente calcolata come valore efficace).
La corrente di cortocircuito monofase a terra alla fine della linea ≥ 1,25 volte l'impostazione di discesa istantanea (o a breve ritardo) dell'interruttore di circuito.
La tensione nominale dell'unità di discesa per sottotensione = tensione nominale della linea.
La tensione nominale dell'unità di discesa parallela = tensione di alimentazione di controllo.
La tensione di esercizio nominale del meccanismo di azionamento elettrico = tensione di alimentazione di controllo.
Quando utilizzato in circuiti di illuminazione, l'impostazione di discesa istantanea dell'unità di discesa elettromagnetica è generalmente 6 volte la corrente di carico.
Quando si utilizza un interruttore di circuito per la protezione contro i cortocircuiti di un singolo motore, l'impostazione di discesa istantanea è 1,35 volte la corrente di avviamento del motore (per la serie DW) o 1,7 volte (per la serie DZ).
Quando si utilizza un interruttore di circuito per la protezione contro i cortocircuiti di più motori, l'impostazione di discesa istantanea è 1,3 volte la corrente di avviamento del motore più grande più le correnti di esercizio dei motori rimanenti.
Quando si utilizza un interruttore di circuito come interruttore principale sul lato a bassa tensione di un trasformatore di distribuzione, la sua capacità di interruzione deve superare la corrente di cortocircuito sul lato a bassa tensione del trasformatore. La corrente nominale dell'unità di discesa non deve essere inferiore alla corrente nominale del trasformatore. L'impostazione di protezione contro i cortocircuiti è generalmente 6–10 volte la corrente nominale del trasformatore; l'impostazione di protezione contro i sovraccarichi è uguale alla corrente nominale del trasformatore.
Dopo aver selezionato preliminarmente il tipo e la valutazione dell'interruttore di circuito, è necessario coordinarlo con i dispositivi di protezione a monte e a valle per evitare la disattivazione a cascata e minimizzare l'ambito dell'incidente.
Selettività degli interruttori di circuito
Nei sistemi di distribuzione, gli interruttori di circuito sono classificati come selettivi o non selettivi in base alle prestazioni di protezione. Gli interruttori di circuito a bassa tensione selettivi hanno protezione a due o tre stadi. Le caratteristiche istantanee e a breve ritardo sono utilizzate per la protezione contro i cortocircuiti, mentre le caratteristiche a lungo ritardo sono utilizzate per la protezione contro i sovraccarichi. Gli interruttori non selettivi sono tipicamente istantanei, utilizzati solo per la protezione contro i cortocircuiti, o a lungo ritardo, utilizzati solo per la protezione contro i sovraccarichi.
Nei sistemi di distribuzione, se l'interruttore a monte è selettivo e quello a valle è non selettivo o selettivo, la selettività viene ottenuta sfruttando il ritardo temporale dell'unità di discesa a breve ritardo o le differenze nelle impostazioni del ritardo temporale. Quando l'interruttore a monte opera con ritardo temporale, considerare quanto segue:
Indipendentemente dal fatto che l'interruttore a valle sia selettivo o non selettivo, l'impostazione di discesa per sovracorrente istantanea dell'interruttore a monte dovrebbe generalmente essere non inferiore a 1,1 volte la corrente di cortocircuito trifase massima all'uscita dell'interruttore a valle.
Se l'interruttore a valle è non selettivo, per prevenire l'operazione dell'unità di discesa per sovracorrente a breve ritardo dell'interruttore a monte a causa della scarsa sensibilità dell'unità di discesa istantanea dell'interruttore a valle durante un cortocircuito, l'impostazione di discesa per sovracorrente a breve ritardo dell'interruttore a monte dovrebbe generalmente essere non inferiore a 1,2 volte quella dell'unità di discesa istantanea dell'interruttore a valle.
Se l'interruttore a valle è anch'esso selettivo, per garantire la selettività, il tempo di operazione a breve ritardo dell'interruttore a monte dovrebbe essere almeno 0,1 secondi più lungo rispetto a quello dell'interruttore a valle.
In generale, per garantire l'operazione selettiva tra gli interruttori di circuito a bassa tensione a monte e a valle, l'interruttore a monte dovrebbe preferibilmente avere un'unità di discesa per sovracorrente a breve ritardo, e la sua corrente di operazione dovrebbe essere almeno di un livello superiore rispetto a quella dell'unità di discesa a valle. Minimamente, la corrente di operazione Iop.1 a monte dovrebbe essere non inferiore a 1,2 volte la corrente di operazione Iop.2 a valle, cioè Iop.1 ≥ 1,2Iop.2.
Protezione a cascata degli interruttori di circuito
Nel progetto dei sistemi di distribuzione, la coordinazione tra gli interruttori di circuito a monte e a valle deve raggiungere "selettività, velocità e sensibilità". La selettività riguarda la coordinazione tra gli interruttori, mentre la velocità e la sensibilità sono associate alle caratteristiche del dispositivo di protezione e alla modalità di funzionamento del circuito.
Una corretta coordinazione tra gli interruttori a monte e a valle consente l'isolamento selettivo del circuito difettoso, assicurando che gli altri circuiti non difettosi contino a funzionare normalmente. Una cattiva coordinazione influenza la affidabilità del sistema.
La protezione a cascata è un'applicazione pratica delle caratteristiche limitatrici di corrente degli interruttori di circuito. Il suo principio principale consiste nell'utilizzare l'effetto limitatore di corrente dell'interruttore a monte (QF1), il che permette la selezione di un interruttore a valle (QF2) con una capacità di interruzione inferiore, riducendo così i costi. L'interruttore a monte QF1 con effetto limitatore di corrente può interrompere la corrente di cortocircuito massima prevista nel punto di installazione. Poiché gli interruttori a monte e a valle sono connessi in serie, quando si verifica un cortocircuito all'uscita dell'interruttore a valle QF2, la corrente di cortocircuito effettiva viene significativamente ridotta dall'effetto limitatore di corrente di QF1, ben al di sotto della corrente di cortocircuito prevista in quel punto. Quindi, la capacità di interruzione di QF2 è effettivamente migliorata da QF1, superando la sua capacità di interruzione nominale.
La protezione a cascata ha determinate condizioni: ad esempio, i circuiti adiacenti non dovrebbero avere carichi critici (poiché l'apertura di QF1 de-energizzerà anche il circuito di QF3), e le impostazioni istantanee di QF1 e QF2 devono essere opportunamente coordinate. I dati a cascata possono essere determinati solo sperimentalmente, e la coordinazione tra gli interruttori a monte e a valle deve essere fornita dal produttore.
Sensibilità degli interruttori di circuito
Per garantire il funzionamento affidabile dell'unità di discesa per sovracorrente istantanea o a breve ritardo nelle condizioni di esercizio minime del sistema e durante il mite cortocircuito nel suo intervallo di protezione, la sensibilità dell'interruttore di circuito deve soddisfare i requisiti del "Codice di progettazione per la distribuzione elettrica a bassa tensione" (GB50054-95), che specifica una sensibilità non inferiore a 1,3, cioè Sp = Ik.min / Iop ≥ 1,3. Qui, Iop è la corrente di operazione dell'unità di discesa per sovracorrente istantanea o a breve ritardo, Ik.min è la corrente di cortocircuito monofase o bifase alla fine della linea protetta nelle condizioni di esercizio minime del sistema, e Sp è la sensibilità dell'interruttore di circuito.
Quando si seleziona un interruttore di circuito, la sua sensibilità deve anche essere verificata. Per gli interruttori selettivi con unità di discesa per sovracorrente a breve ritardo e istantanea, è sufficiente verificare solo la sensibilità dell'unità di discesa a breve ritardo; la sensibilità dell'unità di discesa istantanea non richiede verifica.
Selezione e impostazione delle unità di discesa degli interruttori di circuito
(1) Impostazione della corrente di operazione dell'unità di discesa per sovracorrente istantanea
Alcune apparecchiature elettriche protette dall'interruttore di circuito hanno correnti di picco elevate durante l'avviamento, diverse volte la corrente nominale, causando all'interruttore di subire brevemente correnti di picco elevate. La corrente di operazione Iop(o) dell'unità di discesa per sovracorrente istantanea deve superare la corrente di picco Ipk del circuito, cioè Iop(o) ≥ Krel·Ipk, dove Krel è il fattore di affidabilità. Quando si seleziona un interruttore di circuito, assicurarsi che l'impostazione di discesa per sovracorrente istantanea superi la corrente di picco per prevenire la disattivazione indesiderata.
(2) Impostazione della corrente e del tempo di operazione dell'unità di discesa per sovracorrente a breve ritardo
La corrente di operazione Iop(s) dell'unità di discesa per sovracorrente a breve ritardo deve anche superare la corrente di picco Ipk del circuito, cioè Iop(s) ≥ Krel·Ipk, dove Krel è il fattore di affidabilità. I tempi di discesa a breve ritardo sono generalmente 0,2s, 0,4s o 0,6s, determinati in base alla selettività con i dispositivi di protezione a monte e a valle, assicurando che il dispositivo a monte operi successivamente a quello a valle di un passo temporale.
(3) Impostazione della corrente e del tempo di operazione dell'unità di discesa per sovracorrente a lungo ritardo
L'unità di discesa per sovracorrente a lungo ritardo è principalmente utilizzata per la protezione contro i sovraccarichi. La sua corrente di operazione Iop(l) deve semplicemente superare la corrente di carico massima del circuito (corrente calcolata I30), cioè Iop(l) ≥ Krel·I30, dove Krel è il fattore di affidabilità. Il tempo di operazione dovrebbe superare la durata degli sovraccarichi a breve termine ammessi per prevenire la disattivazione indesiderata.
(4) Requisiti di coordinazione tra la corrente di operazione dell'unità di discesa per sovracorrente e il circuito protetto
Per prevenire danni all'isolamento o incendi dovuti a sovraccarichi o cortocircuiti senza che l'interruttore di circuito si disattivi, la corrente di operazione Iop dell'unità di discesa per sovracorrente deve soddisfare la condizione: Iop ≤ Kol·Ial. Qui, Ial è la capacità di corrente ammissibile del cavo isolato; Kol è il fattore di sovraccarico a breve termine ammesso—tipicamente 4,5 per le unità di discesa istantanea e a breve ritardo, 1,1 per le unità di discesa a lungo ritardo utilizzate per la protezione contro i cortocircuiti, e 1,0 quando utilizzate solo per la protezione contro i sovraccarichi. Se questo requisito di coordinazione non viene soddisfatto, l'impostazione dell'unità di discesa dovrebbe essere regolata, o la sezione del conduttore o del cavo dovrebbe essere adeguatamente aumentata.
