Kurkelaarselectie en instelling: Een complete gids van basisparameters tot selectieve bescherming

Classificatie van schakelaars

(1) Luchtschakelaar (ACB)
Een luchtschakelaar, ook bekend als een gevormde kaderschakelaar of universele schakelaar, huisvest alle componenten in een geïsoleerd metalen frame. Het is meestal open type, waardoor het installeren van verschillende accessoires mogelijk is, en faciliteert eenvoudig vervangen van contacten en onderdelen. Het wordt vaak gebruikt als de hoofdschakelaar voor elektriciteit. Overstroomuitzetten omvatten elektromagnetische, elektronische en intelligente types. De schakelaar biedt vierfase bescherming: langdurige vertraging, kortetermijnvertraging, onmiddellijk en aardsluitingsbescherming. Elke beschermingsinstelling kan binnen een bereik worden aangepast op basis van de framesize.

Luchtschakelaars zijn geschikt voor wisselspanning van 50 Hz, met genoemde spanningen van 380 V of 660 V, en genoemde stroom van 200 A tot 6300 A in distributienetten. Ze worden voornamelijk gebruikt voor de verdeler van elektrische energie en de bescherming van circuits en elektrische apparatuur tegen overbelasting, onderspanning, kortsluiting, enkele fase aarding en andere storingen. Deze schakelaars bieden meerdere intelligente beschermingsfuncties en selectieve bescherming. Onder normale omstandigheden kunnen ze worden gebruikt voor incidentele schakeling van circuits. ACB's met ratings tot 1250 A kunnen worden gebruikt in 50 Hz, 380 V-netwerken om motoren te beschermen tegen overbelasting en kortsluiting.

Luchtschakelaars worden ook vaak gebruikt als hoofdschakelaars aan de 400 V-zijde van transformatoren, buskoppelschakelaars, hoge capaciteitvoederschakelaars en grote motoraansluitingen.

(2) Geharde behuizingsschakelaar (MCCB)
Ook bekend als een plug-inschakelaar, huisvest de geharde behuizingsschakelaar terminals, contacten, boogdoofkamers, uitzetten en bedieningsmechanismen in een plastic behuizing. Hulpcontacten, onderspanningsuitzetten en parallelle uitzetten zijn vaak modulair. De structuur is compact en onderhoud wordt doorgaans niet vereist. Het is geschikt voor taklijnbescherming. Geharde behuizingsschakelaars bevatten meestal thermomagnetische uitzetten, terwijl grotere modellen kunnen worden uitgerust met vaste-staatsensoruitzetten.

Overstroomuitzetten voor MCCB's zijn verkrijgbaar in elektromagnetische en elektronische types. Elektromagnetische MCCB's zijn doorgaans niet selectief en bieden alleen langdurige vertraging en onmiddellijke bescherming. Elektronische MCCB's bieden vier beschermingsfuncties: langdurige vertraging, kortetermijnvertraging, onmiddellijk en aardsluitingsbescherming. Sommige nieuw geïntroduceerde elektronische MCCB's hebben ook zoneselectieve interlocking.

Geharde behuizingsschakelaars worden doorgaans gebruikt voor voederlijncontrole en -bescherming, hoofdschakelaars aan de laagspanningszijde van kleine distributietransformatoren, eindenergieverdelingscontrole en als energieaansluitingen voor diverse productiemachines.

(3) Miniature circuit breaker (MCB)
De miniature circuit breaker is het meest gebruikte eindbeschermmiddel in gebouwelektrische eindverdelingsystemen. Het wordt gebruikt voor bescherming tegen kortsluiting, overbelasting en overspanning in enkelefasige en driefasige circuits tot 125 A, en komt in enkel-, dubbel-, driepolaire (3P) en viervoudige (4P) configuraties.

Een MCB bestaat uit een bedieningsmechanisme, contacten, beschermingsapparaten (verschillende uitzetten) en een boogdoofsysteem. De hoofdcontacten worden handmatig of elektrisch gesloten. Na sluiten vergrendelt een vrijloopmechanisme de contacten in de gesloten positie. De spoel van het overstroomuitzet en het verwarmingselement van het thermische uitzet zijn in serie verbonden met het hoofdcircuit, terwijl de spoel van het onderspanningsuitzet parallel met de voeding is verbonden.

In civiele bouwelektrische ontwerpen worden miniature circuit breakers voornamelijk gebruikt voor bescherming en bediening zoals overbelasting, kortsluiting, overstroom, spanningsverlies, onderspanning, aarding, lekkage, automatische overdracht van twee energiebronnen en incidenteel motorstarten.

Basis karakteristieke parameters van schakelaars

(1) Genoemde werkingsspanning (Ue)
De genoemde werkingsspanning is de nominale spanning van de schakelaar, waarbij de schakelaar continu kan werken onder gespecificeerde normale dienst- en prestatievoorwaarden.

In China, voor spanningenniveaus tot 220 kV, is de maximale werkingsspanning 1,15 keer de systeemgenoemde spanning; voor 330 kV en hoger, is de maximale werkingsspanning 1,1 keer de genoemde spanning. De schakelaar moet isolatie handhaven en in staat zijn te sluiten en te onderbreken onder de maximale werkingsspanning van het systeem.

(2) Genoemde stroom (In)
De genoemde stroom is de stroom die het uitzet continu kan dragen bij een omgevingstemperatuur onder 40°C. Voor schakelaars met instelbare uitzetten, verwijst dit naar de maximale stroom die het uitzet continu kan dragen.

Bij gebruik in omgevingstemperaturen boven 40°C maar niet meer dan 60°C, kan de schakelaar op verminderde belasting langdurig werken.

(3) Instelling van overstroomuitzetstroom (Ir)
Wanneer de stroom de instelling Ir van het uitzet overschrijdt, tript de schakelaar na een tijdvertraging. Het vertegenwoordigt ook de maximale stroom die de schakelaar kan dragen zonder te trippen. Deze waarde moet groter zijn dan de maximale belastingsstroom Ib, maar minder dan de maximale toegestane stroom Iz van het circuit.

Voor thermomagnetische uitzetten, is Ir meestal instelbaar binnen 0,7–1,0In. Voor elektronische uitzetten, is het instelbereik meestal breder, meestal 0,4–1,0In. Voor schakelaars met niet-instelbare overstroomuitzetten, is Ir = In.

(4) Instelling van kortsluitstroomuitzet (Im)
Het kortsluitstroomuitzet (onmiddellijk of kortetermijnvertraging) veroorzaakt dat de schakelaar snel tript bij hoge foutstromen. De tripdrempel is Im.

(5) Genoemde kortetermijnbelastingsstroom (Icw)
Dit is de stroomwaarde die door de geleider mag stromen gedurende een gespecificeerde duur zonder schade door oververhitting.

(6) Onderbrekingscapaciteit
De onderbrekingscapaciteit van een schakelaar verwijst naar de vermogen om foutstromen veilig te onderbreken, wat niet noodzakelijkerwijs gerelateerd is aan de genoemde stroom. Algemene ratings zijn 36 kA en 50 kA. Het wordt doorgaans verdeeld in uiterste kortsluitonderbrekingscapaciteit (Icu) en dienstkortsluitonderbrekingscapaciteit (Ics).

Algemene principes voor het selecteren van schakelaars

Ten eerste, selecteer het type en het aantal polen op basis van de toepassing; vervolgens selecteer de genoemde stroom op basis van de maximale werkingstroom; tenslotte kies het type uitzet en accessoires. Specifieke eisen zijn als volgt:

• De genoemde werkingsspanning van de schakelaar ≥ lijngenoemde spanning.

• De genoemde kortsluitmaak-/onderbrekingscapaciteit van de schakelaar ≥ berekende belastingsstroom van de lijn.

• De genoemde kortsluitmaak-/onderbrekingscapaciteit van de schakelaar ≥ maximale mogelijke kortsluitstroom in de lijn (meestal berekend als effectieve waarde).

• Enkelefasige-aard kortsluitstroom aan het einde van de lijn ≥ 1,25 keer de onmiddellijke (of kortetermijnvertraging) tripinstelling van de schakelaar.

• De genoemde spanning van het onderspanningsuitzet = lijngenoemde spanning.

• De genoemde spanning van het parallelle uitzet = controlekrachtvoorzieningsspanning.

• De genoemde werkingsspanning van het elektrische bedieningsmechanisme = controlekrachtvoorzieningsspanning.

• Bij gebruik in verlichtingscircuits, is de onmiddellijke tripinstelling van het elektromagnetische uitzet doorgaans 6 keer de belastingsstroom.

• Bij gebruik van een schakelaar voor kortsluitbescherming van een enkele motor, is de onmiddellijke tripinstelling 1,35 keer de startstroom (voor DW-serie) of 1,7 keer (voor DZ-serie).

• Bij gebruik van een schakelaar voor kortsluitbescherming van meerdere motoren, is de onmiddellijke tripinstelling 1,3 keer de startstroom van de grootste motor plus de werkstroom van de overige motoren.

• Bij gebruik van een schakelaar als hoofdschakelaar aan de laagspanningszijde van een distributietransformator, moet de onderbrekingscapaciteit de kortsluitstroom aan de laagspanningszijde van de transformator overtreffen. De genoemde stroom van het uitzet moet niet minder zijn dan de genoemde stroom van de transformator. De kortsluitbeschermingsinstelling is doorgaans 6–10 keer de genoemde stroom van de transformator; de overbelastingsbeschermingsinstelling is gelijk aan de genoemde stroom van de transformator.

• Na het voorlopig selecteren van het type en rating van de schakelaar, is coördinatie met boven- en benedenliggende beschermingsapparaten nodig om opeenvolgende trips te voorkomen en de omvang van ongevallen te beperken.

Selectiviteit van schakelaars

In distributiesystemen worden schakelaars ingedeeld als selectief of niet-selectief op basis van beschermingsprestaties. Selectieve laagspanningschakelaars hebben twee- of driefase bescherming. Onmiddellijke en kortetermijnvertragingseigenschappen worden gebruikt voor kortsluitbescherming, terwijl langdurige vertragingseigenschappen worden gebruikt voor overbelastingsbescherming. Niet-selectieve schakelaars zijn doorgaans onmiddellijk, gebruikt alleen voor kortsluitbescherming, of langdurig, gebruikt alleen voor overbelastingsbescherming.

In distributiesystemen, als de bovenliggende schakelaar selectief is en de benedenliggende schakelaar niet-selectief of selectief, wordt selectiviteit bereikt door gebruik te maken van de tijdvertraging van het kortetermijnvertraginguitzet of verschillen in tijdvertraginginstellingen. Wanneer de bovenliggende schakelaar werkt met tijdvertraging, moet rekening worden gehouden met het volgende:

• Ongeacht of de benedenliggende schakelaar selectief of niet-selectief is, moet de onmiddellijke overstroomtripinstelling van de bovenliggende schakelaar doorgaans niet minder zijn dan 1,1 keer de maximale driedefase kortsluitstroom bij de uitgang van de benedenliggende schakelaar.

• Als de benedenliggende schakelaar niet-selectief is, om te voorkomen dat het bovenliggende kortetermijnvertragingoverstroomuitzet eerst werkt vanwege onvoldoende gevoeligheid van het benedenliggende onmiddellijke uitzet tijdens een kortsluiting, moet de kortetermijnvertragingoverstroominstelling van de bovenliggende schakelaar doorgaans niet minder zijn dan 1,2 keer die van het benedenliggende onmiddellijke uitzet.

• Als de benedenliggende schakelaar ook selectief is, om selectiviteit te garanderen, moet de kortetermijnvertragingwerkingsduur van de bovenliggende schakelaar ten minste 0,1 seconde langer zijn dan die van de benedenliggende schakelaar.

Doorgaans, om selectieve werking tussen boven- en benedenliggende laagspanningschakelaars te garanderen, moet de bovenliggende schakelaar het liefst een kortetermijnvertragingoverstroomuitzet hebben, en de werkstroom moet ten minste één niveau hoger zijn dan die van het benedenliggende uitzet. Minimaal moet de bovenliggende werkstroom Iop.1 niet minder zijn dan 1,2 keer de benedenliggende werkstroom Iop.2, d.w.z. Iop.1 ≥ 1,2Iop.2.

Kaskadeprotectie van schakelaars

In het ontwerp van distributiesystemen moet de coördinatie tussen boven- en benedenliggende schakelaars "selectiviteit, snelheid en gevoeligheid" realiseren. Selectiviteit heeft betrekking op de coördinatie tussen schakelaars, terwijl snelheid en gevoeligheid verband houden met de eigenschappen van het beschermingsapparaat en de werkwijze van het circuit.

Proper coördineren tussen boven- en benedenliggende schakelaars stelt selectieve isolatie van het defecte circuit in, waardoor andere niet-defecte circuits normaal blijven werken. Slechte coördinatie beïnvloedt de betrouwbaarheid van het systeem.

Kaskadeprotectie is een praktische toepassing van de stroombeperkende eigenschappen van schakelaars. Het belangrijkste principe is het gebruik van het stroombeperkende effect van de bovenliggende schakelaar (QF1), waardoor een benedenliggende schakelaar (QF2) met lagere onderbrekingscapaciteit kan worden geselecteerd, waardoor de kosten worden verlaagd. De stroombeperkende bovenliggende schakelaar QF1 kan de maximale voorziene kortsluitstroom op het installatiepunt onderbreken. Aangezien de boven- en benedenliggende schakelaars in serie zijn verbonden, wordt de daadwerkelijke kortsluitstroom aanzienlijk verlaagd door het stroombeperkende effect van QF1, ver beneden de voorziene kortsluitstroom op dat punt, wanneer er een kortsluiting optreedt bij de uitgang van de benedenliggende schakelaar QF2. Daardoor wordt de onderbrekingscapaciteit van QF2 effectief verhoogd door QF1, waardoor deze boven de genoemde onderbrekingscapaciteit uitkomt.

Kaskadeprotectie heeft bepaalde voorwaarden: bijvoorbeeld, aangrenzende circuits mogen geen kritieke lasten hebben (omdat het uitschakelen van QF1 ook het circuit van QF3 zou uitschakelen), en de onmiddellijke instellingen van QF1 en QF2 moeten goed worden afgestemd. Kaskadedata kunnen alleen experimenteel worden bepaald, en de coördinatie tussen boven- en benedenliggende schakelaars moet door de fabrikant worden verstrekt.

Gevoeligheid van schakelaars

Om de betrouwbare werking van het onmiddellijke of kortetermijnvertragingoverstroomuitzet te garanderen onder minimale systeembewerkstelligen en bij de milde kortsluitstoring binnen het beschermingsbereik, moet de gevoeligheid van de schakelaar voldoen aan de eisen van de "Code voor laagspanningselectrische distributieontwerp" (GB50054-95), die een gevoeligheid van ten minste 1,3 specificeert, d.w.z. Sp = Ik.min / Iop ≥ 1,3. Hierbij is Iop de werkstroom van het onmiddellijke of kortetermijnvertragingoverstroomuitzet, Ik.min de enkelefasige of tweefasige kortsluitstroom aan het einde van het beschermd circuit onder minimale systeembewerkstelligen, en Sp de gevoeligheid van de schakelaar.

Bij het selecteren van een schakelaar, moet ook de gevoeligheid worden gecontroleerd. Voor selectieve schakelaars met zowel kortetermijnvertraging als onmiddellijke overstroomuitzet, hoeft alleen de gevoeligheid van het kortetermijnvertraginguitzet te worden gecontroleerd; de gevoeligheid van het onmiddellijke uitzet hoeft niet te worden gecontroleerd.

Selectie en instelling van schakelaaruitzetten

(1) Instelling van de werkstroom van het onmiddellijke overstroomuitzet
Sommige elektrische apparatuur die door de schakelaar wordt beschermd, heeft hoge piekstromen tijdens het opstarten, enkele malen de genoemde stroom, waardoor de schakelaar tijdelijk hoge piekstromen ervaart. De werkstroom Iop(o) van het onmiddellijke overstroomuitzet moet de piekstroom Ipk van het circuit overschrijden, d.w.z. Iop(o) ≥ Krel·Ipk, waarbij Krel de betrouwbaarheidsfactor is. Bij het selecteren van een schakelaar, moet ervoor worden gezorgd dat de onmiddellijke overstroominstelling de piekstroom overschrijdt om ongewenste trips te voorkomen.

(2) Instelling van de werkstroom en tijd van het kortetermijnvertragingoverstroomuitzet
De werkstroom Iop(s) van het kortetermijnvertragingoverstroomuitzet moet ook de piekstroom Ipk van het circuit overschrijden, d.w.z. Iop(s) ≥ Krel·Ipk, waarbij Krel de betrouwbaarheidsfactor is. Kortetermijnvertragingtripduren zijn meestal 0,2s, 0,4s of 0,6s, afhankelijk van de selectiviteit met boven- en benedenliggende beschermingsapparaten, waardoor het bovenliggende apparaat later werkt dan het benedenliggende met één tijdstap.

(3) Instelling van de werkstroom en tijd van het langdurige vertragingoverstroomuitzet
Het langdurige vertragingoverstroomuitzet wordt voornamelijk gebruikt voor overbelastingsbescherming. De werkstroom Iop(l) hoeft alleen de maximale belastingsstroom (berekeningsstroom I30) van het circuit te overschrijden, d.w.z. Iop(l) ≥ Krel·I30, waarbij Krel de betrouwbaarheidsfactor is. De werkduur moet langer zijn dan de duur van toegestane korte-termijnoverbelastingen om ongewenste trips te voorkomen.

(4) Coördinatievereisten tussen de werkstroom van het overstroomuitzet en het beschermd circuit
Om schade aan isolatie of brand door overbelasting of kortsluiting zonder dat de schakelaar trips te voorkomen, moet de werkstroom Iop van het overstroomuitzet voldoen aan de voorwaarde: Iop ≤ Kol·Ial. Hierbij is Ial de toegestane stroomdraagcapaciteit van de geïsoleerde kabel; Kol is de toegestane korte-termijnoverbelastingsfactor—meestal 4,5 voor onmiddellijke en kortetermijnvertraginguitzetten, 1,1 voor langdurige vertraginguitzetten die worden gebruikt voor kortsluitbescherming, en 1,0 wanneer ze alleen worden gebruikt voor overbelastingsbescherming. Als deze coördinatievereisten niet worden voldaan, moet de instelling van het uitzet worden aangepast, of de doorsnede van de geleider of kabel passend worden vergroot.