Максимальная токовая защита и токовая отсечка: Токовая отсечка и максимальная токовая защита

Содержание

теория защиты и схемы включения реле. Отличие мтз от токовой отсечки

Содержание:

Что называют отсечкой?

В самом начале обсуждения этой темы, следует ближе познакомиться с понятиями. Отсечкой называют мгновенную и действующую защиту. Она используется на специальных токовых участках. Зона применения имеет свои границы. Она ограничивает в определённом смысле распространение тока. А каков же принцип действия токовой отсечки?

Чтобы дать ответ на этот вопрос, достаточно напомнить принцип работу электрической сети. По мере удаления от источника питания происходит падение показателей тока. Происходит это из-за увеличения возникающего сопротивления. Именно в момент уменьшения показателей своё действие начинает токовая отсечка. Она должна предотвратить возникновение разного рода поломок и повреждений (например, в работе трансформатора). При этом показатели отсечки в трансформаторе или другой системе обязательно должны быть выше и мощнее показателей максимального значения тока.

Владельцам частных домов будет полезна статья о том, как подключить генератор к сети дома.

Из чего состоит такая форма защиты?

Рассматриваемый способ устранения возникающих коротких замыканий вначале рабочей зоны состоит из следующих элементов:

Цепь сигнализации. Работает на основе бинкеров. Такие цепи предназначены для анализа действия защиты, а также выступают в качестве помощника для оперативного персонала, который следит за состоянием работы схемы. Кроме того, цепи сигнализации способны контролировать действия цепей управления.
Измерительный орган. Располагается в реле тока. Измерительный орган срабатывает при возникновении металлического замыкания. Такое замыкания может случиться в конце зоны защиты. Эта составляющая часть отсечки реагирует на изменения даже при минимальной нагрузке.
Промежуточное реле. Реле тесно связано с измерительным органом. От измерительного органа передаётся напряжение на промежуточное реле. Поступивший на реле контакт далее попадает на силовой выключатель (соленоид отключения). Промежуточный орган отключает силовой выключатель.
Реле времени. Иногда в состав включён и этот элемент. Реле времени, как правило, располагается между исполнительным органом и измерительным. Главная задача временного реле — создание временной задержки во время срабатывания сразу нескольких защит.

Ещё Эдисон использовал предохранители для защиты сетей от короткого замыкания. Отдельные историки считают, первые автоматы входят в число его изобретений. Но авторам не удалось найти тому свидетельств. Что касается релейной защиты, обнаружено элементарное незнание определений людьми. К примеру, в ответах Майл.ру человек поинтересовался, чем токовая отсечка отличается от максимальной токовой защиты. Определения схожие, но разное назначение!

Токовой отсечкой принято называть немедленное отключение защищаемого участка цепи при возникновении короткого замыкания.
Максимальная токовая защита отличается тем, что охраняет усложнённую цепь, иногда разветвлённую. Срабатывает с задержкой – предоставляя возможность системам, стоящим ниже по линии, отключиться раньше. Тогда максимальная токовая защита ничего не предпримет. Если ситуация накаляется, через заданный интервал времени обесточивается ветка целиком.

Это легко пояснить на примере квартирного щитка. Допустим, в ванной комнате поставили розетку (не ближе заданного расстояния от источников влаги) и защитили дифференциальным автоматом. Квартира защищена от короткого замыкания на входе в щиток. Автомат на 63 А, к примеру, если его чувствительность слишком велика (класс А или В), способен обрезать помещения раньше, нежели среагирует защита по дифференциала. Тогда хозяин оставит без света всю семью. Следовательно, на входе в квартиру полагается так организовать токовую защиту, чтобы дать возможность стоящим за ней автоматам сделать дело, вырубив единственное помещение.

В промышленности мудрецы умудряются разбить линию питания, что токовая отсечка отвечает за собственный сегмент. Если короткое замыкание по соседству, она не отреагирует. Максимальная токовая защита становится запасным вариантом для локальной аппаратуры. Если не отработает местный автомат, питание убирается с небольшой задержкой. Это называется дальним резервированием, приборы максимальной токовой защиты вправе находиться далеко от места аварии. В комплексе две разновидности предохраняющих систем называются двухступенчатой токовой защитой. Обе характеризуются рядом качеств:

Селективность – способность обособленно реагировать лишь на требуемые аварии. Порой качество называют избирательностью.
Чувствительность. Полагается по возможности продлить действие защитных систем вдоль линии. Что не всегда удаётся выполнить в отношении протяжённых систем. Из-за удалённости датчики не улавливают момент возникновения аварии.
Быстродействие обеспечивается в отключении защищаемого участка в минимальный срок. Учитывая сказанное выше о необходимости дать время нижестоящим ступеням системы выполнить работу раньше.
Надёжность трактуется как безотказность.

Принцип действия токовой отсечки

При установке показателей для отключения нужно выбирать их таким образом, чтобы отключение происходило как можно быстрее, чем может произойти повреждение или разрушения в цепи.

Токовая отсечка реализуется совершенно разными способами. Зачастую для такого отключения применяется электромагнитное реле тока. В них при возникновении короткого замыкания происходит смыкание контактов, и подается сигнал для отключения защищаемого сегмента или участка цепи.

Так же имеется такой тип защиты – как предохранители. Они срабатывают из-за повышения температуры, из-за электрического тока. То есть, проще говоря, в них находится очень плавкий элемент, которые под воздействие разрушается и таким образом происходит отключение.

Основные разновидности отсечки

Описываемый способ (в том числе и для трансформаторов) делится на несколько видов. На сегодняшний день известно две разновидности токовой отсечки. Отличаются они друг от друга временем срабатывания и выдержке. Рассмотрим каждый вид более подробно:

С выдержкой времени. В такую отсечку во время производства включают специальное устройство, позволяющее задавать временные параметры. Диапазон срабатывания отсечки при участии специального устройства не превышает 6 секунд. Устройство, помогающие регулировать и одновременно контролировать время подачи тока называют автоматическим селективным выключателем. Надо заметить, что селекция используется не всегда и она необязательна. Для максимальной защиты всей линии зачастую используется устройства с дифференциальной защитой.
Мгновенная отсечка. Все действия системы контролируются собственным временем токовой отсечки. Все происходит автоматически. Принцип действия не основывается на дополнительном временном устройстве (то есть выдержке). Главный элемент во мгновенном виде — это токовое реле. Реле отвечает за подачу отключающего сигнала расцепителю выключателя. Наряду с реле, используются и некоторые вспомогательные элементы. Среди них выделяют специальные релейные устройства, которые установлены с целью подачи своевременного сигнала на разрыв. Диапазон срабатывания в автоматическом режиме мгновенной отсечки — от 4 до 6 секунд.

Исходя из рассмотренного, можно заключить, что защита выключателям и трансформаторам предоставляется самыми различными способами. Благодаря продуманным подходам надёжную защиту получают не только начальные или конечные участки цепей, но и вся электрическая цепь.

Применение

Электрический ток, протекающий в электрической сети, вызывает нагрев её элементов. При проектировании все элементы электрической цепи выбирают так, чтобы они могли сколь угодно долго выдерживать действие тока в нормальном режиме. Однако, в случае короткого замыкания значение силы тока в сети значительно возрастает, что может привести к разрушениям элементов, возгораниям и другим серьёзным последствиям. Кроме того, с возрастанием силы тока увеличиваются электродинамические силы, воздействующие на элементы цепи, что так же может привести к их разрушениям. Изготовлять элементы электрических цепей такими, чтобы они могли долго выдерживать токи короткого замыкания, нецелесообразно с экономической точки зрения. Скорость, с которой возрастает значение электрического тока в повреждённой цепи, такова, что человек не может успеть среагировать должным образом и вмешаться. В связи с этим, практически повсеместно для защиты электрических сетей используется автоматическая защита от коротких замыканий. Одной из основных является токовая отсечка.

Особенности токовой максимальной защиты

МТЗ — ещё один из видов токовой защиты. Максимальная защита состоит из следующих компонентов:

измерительно органа;
Цепи сигнализации.
Промежуточного реле.

Как видно, состав максимальной токовой защиты идентичен составу токовой отсечки. Единственная разница в реле времени. В МТЗ — это обязательный атрибут. Поэтому в максимальной токовой защите регулярно обеспечивается селективность. Коэффициент чувствительности также у МТЗ имеет свои особенности. Он определяет отношение междуфазного тока к линии максимальной защите.

Какова же главная задача МТЗ?

Основное предназначения максимальной защиты — предостерегать попадание тока на конкретные объекты. Такая защита требуется, если номинальная величина тока превышена (при этом учитываются необходимые коэффициенты). Подобная отстройка создана с целью устранения вероятных ложных срабатываний (такое может происходить в номинальном режиме). Максимальная токовая защита способствует самопуску схемы, а также обеспечивает надёжность в момент срабатывания системы и во время возврата реле.

Мгновенная токовая отсечка на линии с двусторонним питанием

Рассмотрим схему линии с двусторонним питанием. По обоим концам расположены генераторы. Вначале необходимо определить максимальные токи короткого замыкания в конце линии с обеих сторон. Тот из токов, величина которого будет больше, и будет принят за максимальный ток короткого замыкания.

На линиях с двусторонним питанием ставится два комплекта отсечек с обеих сторон линии. Зоны действия определяются аналогично, как и для линии с односторонним питанием.

На рисунке у нас одна отсечка защищает при кз в точке А, вторая при кз в точке В. Зона действия первой – ВБ, второй – АГ. Максимальный ток кз в нашем случае больше Ik(A). Его и принимаем за расчетный для обеих отсечек.

Ток срабатывания защиты выбирается по большему из двух выражений:

Второе выражение используют при расчетах на линиях с двусторонним питанием. При наличии двух источников питания (генераторов), между ними проходят токи качания.

Максимальный ток качания определяется как сумма ЭДС генераторов деленная на сопротивление цепи между двумя генераторами, включая сопротивления генераторов (сверхпереходные x”d).

Мгновенные токовые отсечки являются самыми простыми защитами. К их плюсам можно отнести быстродействие и простоту схемы. К недостаткам относится область действия, так как она не распространяется на всю линию. Кроме линий, токовые отсечки применяются на трансформаторах. Стоит упомянуть и токовые отсечки, с выдержкой времени. А если соединить отсечку с выдержкой времени, мгновенную и максимальную токовую защиту, то получится трехступенчатая защита, которая может заменить более сложные защиты.

Мгновенная токовая отсечка на линии с односторонним питанием

Зона действия токовой отсечки определяется графически. На рисунке наша защищаемая линия между точками АВ. Сначала строится кривая зависимость значения тока короткого замыкания от расстояния до точки КЗ. Точка КЗ в нашем примере – это конец линии, точка А.

Затем строится прямая параллельная оси расстояния равная току срабатывания отсечки. Область пересечения прямой и кривой представляет собой зону действия защиты. В нашем примере зона действия защиты – это отрезок ВБ.

Также зону действия токовой отсечки можно определить по выражению:

где:

xЛ – сопротивление линии, для которой выбираем защиту
EC – эквивалентная ЭДС генераторов системы
xC – сопротивление системы

Ток срабатывания защиты определяется по выражению ниже:

где:

kН – коэффициент надежности
IK. MAX – максимальный ток короткого замыкания в конце линии

Коэффициент надежности учитывает погрешности при расчете тока кз и погрешность срабатывания реле.

Коэффициент чувствительности отсечки рассчитывается по выражению:

где в числителе максимальный ток КЗ в начале защищаемой линии, в примере это точка В, а в знаменателе ток срабатывания защиты.

Для чего применяется максимальная токовая защита?

Максима́льная то́ковая защи́та (МТЗ) — вид релейной защиты, действие которой связано с увеличением силы тока в защищаемой цепи при возникновении короткого замыкания на участке данной цепи. Данный вид защиты применяется практически повсеместно и является наиболее распространённым в электрических сетях.

Исполнительная часть

Оба вида мероприятий организуются при помощи максимальных реле, которые в теории защиты делятся на:

Первичные и вторичные.
Прямого и косвенного действия.

Первичным реле прямого действия называется разновидность, где контактор и катушка непосредственно включены в цепь защиты. Управляются по току потребления аппаратуры и его же обрывают. Первичные реле прямого действия широко применяются в цепях до 1 кВ. С повышением класса напряжения до 10 кВ часты вторичные реле прямого действия. Это означает – для снятия величины тока из защищаемой цепи применяется измерительный трансформатор. Контактор включён последовательно с нагрузкой. Этим сильно снижается потребление, уменьшается вносимая прибором в цепь реактивная мощность.

Вторичные реле косвенного действия используются там, где нерационально пытаться переключить громоздкий контактор через маломощный токовый трансформатор. При больших потребляемых токах и повышенных классах напряжения дуга гасится с трудом, приходится применять особые меры. Первичная обмотка токового трансформатора состоит из 1-2 витков либо половинки, не предоставляя сильного управляющего сигнала. Приходится применять указательное реле, командующее исполнительным электромагнитным реле.

Питание катушки контактора выполняется от дополнительной низковольтной сети либо аккумуляторной батареи. Тогда управляющий ток называется оперативным, используется исключительно для приведения в действие схемы защиты.

Максимальные токовые реле изготавливаются с встроенной задержкой либо без. В последнем случае без доработки схемы годятся только для токовой отсечки, способны применяться в тандеме с таймером. И тогда становится возможной максимальная токовая защита. Последний случай обеспечивает большую гибкость, изготовители не в силах предугадать всех особенностей, следовательно, не определят задержку срабатывания верно. Характеристика подобной системы называется независимой от тока, работает без учёта его величины при коротком замыкании на линии. Налицо аналог электромагнитного звена квартирного защитного автомата.

Максимальные реле тока с замедленным срабатыванием часто конструируются так, что время срабатывания тем меньше, чем больше потечёт в цепи амперов. Следовательно, характеризуются зависимой характеристикой. Современные автоматические выключатели напоминают комбинированный класс оборудования, реле с ограниченно зависимой характеристикой. Когда срабатывание выше определённого порога происходит мгновенно, а ниже его – с запаздыванием. К примеру, А. Земсков показывал, что современные автоматы способны целый час работать при перегрузке на 45% прежде, чем питание пропадает.

Защита с зависимой характеристикой часто используется в цепях с классом напряжения 20 кВ. Вполне сочетаются с предохранителями, на коротком отрезке показывающими зависимую характеристику. Высоковольтные линии, как правило, демонстрируют независимую защиту. Если нужна задержка, рекомендуется применять реле времени (таймер). Токовая отсечка строится так, чтобы не отрабатывать КЗ далее по линии. Если брать пример с квартирным щитком, ситуация обеспечивается включением последовательно двух автоматов:

63 А на вводе в щиток.
16 А на розетки.

Очевидно, более чувствительным считается автомат с меньшим номиналом, срабатывающий раньше. Хотя пример не отличается большой наглядностью, но даёт представление, как обеспечивается селективность систем токовой отсечки. Одновременно вносится постулат о невозможности защитить всю линию одновременно.

Токовая осечка при линиях с двухсторонним питанием

Для определения первого условия токовой осечки трансформатора и для их селективного действия нужно определить наибольшее показания тока при коротком замыкании, который будет находиться в линии на шинах двух участках (то есть на подстанциях).

Но существуют и другие условия для определения тока для разрыва на участке с двухсторонним питанием. В таких участках, на протяжение которых может произойти появление токов качания, из-за неупорядоченного включением или изменения устойчивости. Так возникает, второе условие для задействования отсечек — появление максимального тока качания.

Неселективные отсечки мгновенного действия

Ее действие происходит за пределами собственной линии. Она находит свое применение, чтобы произвести быстрое отключение по всей линии, которая находится под защитой, но только в тех случаях, когда нужно соблюсти устойчивость (рис. 2).

Когда срабатывает токовая отсечка?

Согласно правил устройства электроустановок токовая отсечка считается эффективной, если зона действия в минимальном режиме не меньше 20 % длины линии. Обычно токовая защита устанавливается вместе с максимальной токовой защитой (МТЗ) с выдержкой времени на первых участках защищаемой линии.

Токовая отсечка: схемы включения реле

При реализации схемы рассматривают все виды коротких замыканий. Иногда не удаётся распознать подобные ситуации по величине тока, тогда в ход идут реле обратной и нулевой последовательности. Стандартные используемые схемы токовой отсечки:

Неполная звезда. Охватывает посредством двух или трёх реле лишь две фазы сети. Часто применяется в цепях 35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью (где малы токи утечки на грунт).
Полная звезда. Фазы охватываются двумя, тремя или четырьмя реле. Часто применяется в сетях 110 кВ с глухозаземлённой нейтралью и большим перекосом по фазам (велики токи, идущие на грунт).
Треугольник. Система из двух или трёх реле, измеряющих линейные напряжения. Чаще встречается в цепях защиты трансформаторов звезда-треугольник.
Двухфазная схема с одним реле на практике встречается редко. В просторечье называют восьмёркой, в старой литературе – неполным треугольником. Защищает двигатели небольшой мощности.

Рассмотрим для примера, как работает неполная звезда (см. рис.), у которой трансформаторы тока включены в две линии – А и С. Возможные случаи поведения системы:

Короткое замыкание по всем фазам приводит к ситуации, когда в обратном проводе (РТ3) тока нет, а в прочих ветвях его значение велико. Происходит срабатывание.
При межфазном замыкании А и С происходит аналогичное.
Прочие виды коротких замыкания вызывают перекос фаз, появляется ток в обратном проводе. Он оценивается реле РТ3, дающим команду на разрыв сети питания.

Недостаток неполной звезды – она принципиально не в состоянии отследить замыкание на землю фазы В. В результате подобная защита неприемлема для цепей с большими токами утечки на землю. В системах токовой отсечки частыми гостями становятся промежуточные реле с мощными контакторами. Когда полагается быстро выключить питание, требуются особенные качества. Большинство максимальных токовых реле не в состоянии справиться с оперативным отключением цепи.

Отличие полной звезды: возможно проследить любые короткие замыкания, межфазные и утечки на грунт. Общий провод здесь называется не обратным, а нулевым: содержит реле, улавливающие токи нейтрали и заземлителя основной линии. При прочих видах коротких замыканий нагрузка здесь невелика. Полная звезда применяется на линии с классом напряжений 110 кВ и глухозаземлённой нейтралью. Основания:

В цепях от 3 до 35 кВ токи утечки на землю невелики, нет смысла обрывать питание полностью. Используется неполная звезда.
Для сетей 110 кВ и выше часто вместо максимальной токовой применяется дистанционная защита. Дополнительные две причины:

При изолированной нейтрали в линии 110 кВ трансформаторы тока служат и для организации дифференциальной защиты. В результате вторичные обмотки соединены треугольником (а не звездой).
Вторая причина неприменимости – однофазные замыкания на землю не обязаны вызывать отключение линии. Это не считается аварией, работа продолжается с выездом на место происшествия ремонтной бригады.

При включении треугольником перечисленные выше доводы «против» недействительны. Указанная схема особенно часто применяется для сетей с классом напряжения выше 35 кВ. Треугольник хорош отсутствием нейтрали, большие токи коротких замыканий на землю не проходят преобразованными в цепь защиты, а замыкаются по периметру. Это важно при повышенном напряжении. Дополнительным преимуществом становится увеличение на 15% чувствительности к двухфазным замыканиям.

Наконец, при однорелейной защите измерению подвергаются лишь две фазы. Благодаря этому отслеживаются указанные типы неисправностей:

Любое межфазное короткое замыкание. Чувствительность по этим видам аварий отличается в два раза. В зависимости от замкнувшихся фаз.
Короткое замыкание на землю измеренных фаз (две из трёх).
Короткое замыкание по всем трём фазам.

Невозможно отследить уход на грунт третьей линии, где нет измерителя. Вдобавок чувствительность в 1,7 раз ниже, нежели в любой из приведённых выше схем токовой отсечки. Такой защитой обычно не снабжают трансформатор, вторичные обмотки которого объединены в треугольник, ведь блокируется определение конкретного вида двухфазного короткого замыкания. Единственным достоинством по факту становится экономичность – используется единственное реле. Однорелейная схема токовой отсечки время от времени служит для защиты двигателей класса напряжений в 1 кВ и выше, мощностью до 2 МВт.

Коэффициент чувствительности токовой отсечки трансформатора

К преимуществам отсечки относится её быстродействие. Мгновенное отключение позволяет уменьшить возможные повреждения трансформатора и оборудования, запитанного от трансформатора.

К недостаткам можно отнести то, что зона действия отсечки ограничена. Поэтому отсечка вместе с газовой защитой трансформатора и максимальной токовой защитой составляют защиту трансформаторов малой мощности.

Отличия от токовой отсечки

Из всех видов защиты по надёжности лидирует токовая отсечка. Примером может служить защита бытовой электросети устройствами с применением плавких предохранителей или пакетных автоматов. Метод токовых отсечек гарантирует обесточивания защищаемой цепи в аварийных ситуациях. Но для возобновления подачи электроэнергии необходимо устранить причину отсечения и заменить предохранитель, либо включить автомат.

Недостатком такой системы является то, что отключение может происходить не только вследствие КЗ, но и в результате даже кратковременного превышения параметров по току нагрузки. Кроме того, требуется участие человека для восстановления защиты. Эти недостатки не критичны в бытовой сети, но они неприемлемы при защите разветвлённых линий электропередач.

Благодаря тому, что в конструкциях МТЗ предусмотрены реле времени, задерживающие срабатывание механизмов отсечения, они кратковременно игнорируют перепады напряжений. Кроме того, токовые реле сконструированы таким образом, что они возвращаются в исходное положение после ликвидации причины, вызвавшей размыкание контактов.

Именно эти два фактора кардинально отличают МТЗ от простых токовых отсечек, со всеми их недостатками.

Минусы и плюсы мгновенной отсечки и с выдержкой по времени

у мгновенной отсечки нет полного обхвата всей зоны действия, но она достаточно хорошо себя зарекомендовала при неселективных отсечках;
отсечка с выдержкой времени позволяет производить быстрое отключение;
отсечки лучше всего по возможности сочетать с МТЗ.

ТеорияКак посчитать мощность в трехфазной сети?

ТеорияВатт — единица измерения мощности

Максимальная токовая защита | это… Что такое Максимальная токовая защита?

Максима́льная то́ковая защи́та (МТЗ)— вид релейной защиты, действие которой связано с увеличением силы тока в защищаемой цепи при возникновении короткого замыкания на участке данной цепи. Данный вид защиты применяется практически повсеместно и является наиболее распространённым в электрических сетях.

Принцип действия

Принцип действия МТЗ аналогичен принципу действия токовой отсечки. В случае повышения силы тока в защищаемой сети защита начинает свою работу. Однако, если токовая отсечка действует мгновенно, то максимальная токовая защита даёт сигнал на отключение только по истечении определённого промежутка времени, называемого выдержкой времени. Выдержка времени зависит от того, где располагается защищаемый участок. Наименьшая выдержка времени устанавливается на наиболее удалённом от источника участке. МТЗ соседнего (более близкого к источнику энергии) участка действует с большей выдержкой времени, отличающейся на величину, называемую ступенью селективности. Ступень селективности определяется временем действия защиты. В случае короткого замыкания на участке срабатывает его защита. Если по каким-то причинам защита не сработала, то через определённое время (равное ступени селективности) после начала короткого замыкания сработает МТЗ более близкого к источнику участка и отключит как повреждённый, так и свой участок. По этой причине важно, чтобы ступень селективности была больше времени срабатывания защиты, иначе защита смежного участка отключит как повреждённый, так и рабочий участок до того, как собственная защита повреждённого участка успеет сработать. Однако важно так же сделать ступень селективности достаточно небольшой, чтобы защита успела сработать до того, как ток короткого замыкания нанесёт серьёзный ущерб электрической сети.

Уставку (или величину тока, при которой срабатывает защита) выбирают, исходя из наименьшего значения тока короткого замыкания в защищаемой сети (при разных повреждениях токи короткого замыкания отличаются). Однако при выборе уставки следует так же учитывать характер работы защищаемой сети. Например, при самозапуске электродвигателей после перерыва питания, значение силы тока в сети может быть выше номинального, и защита не должна его отключать.

Реализация

Реализуется МТЗ, как правило, с помощью реле тока. Реле тока могут быть как мгновенного действия, так и срабатывающие с выдержкой времени, определяемой величиной тока, в этом случае для обеспечения необходимой выдержки времени дополнительно используют реле времени. В современных схемах релейной защиты и автоматики чаще всего используются микропроцессорные блоки защиты, которые сочетают в себе свойства этих реле.

Литература

«Релейная защита и автоматика систем электроснабжения» Андреев В. А. М. «Высшая школа» 2007 ISBN 978-5-06-004826-1
«Релейная защита энергетических систем» Чернобровов Н. В., Семенов В. А. М. Энергоатомиздат 1998 ISBN 5-283-010031-7
«Максимальная токовая защита» Шабад М. А. Ленинград. Энергоатомиздат. 1991
Гуревич, В. И. Электрические реле : устройство, принцип действия и применения : настольная книга инженера.- Москва: Солон-Пресс, 2011. — 688 с.: ил.

Понимание максимальной токовой защиты | Консультации

Стивен Эйх, PE, CDT, REP, LEED AP; Проектирование экологических систем, Чикаго, 17 августа 2017 г.

Цели обучения

Понимание трех типов условий перегрузки по току, которые необходимо учитывать в типичных приложениях NFPA 70: Национальный электротехнический кодекс.
Узнайте, как защитить цепь от опасных перегрузок и коротких замыканий.
Проверить защиту от перегрузки по току для некоторых типов строительного оборудования.

Защита от перегрузки по току кажется простой концепцией: ограничение тока в цепи до безопасного значения. Разработчики-электрики ежедневно сталкиваются с этой задачей.

Но это еще не все. Как вы ограничиваете текущий поток? Что такое безопасное значение? Ответы зависят от приложения, защищаемого оборудования и мощности источника.

К счастью, NFPA 70: National Electric Code (NEC) устанавливает требования для большинства приложений, с которыми инженеры-электрики и проектировщики сталкиваются в своей работе. Хотя на первый взгляд требования NEC могут показаться непростыми, за кодовыми правилами защиты от перегрузок по току стоят веские доводы. Защита от перегрузки по току (OCP) защищает цепь от повреждения из-за перегрузки по току. В типичных приложениях NEC необходимо учитывать три типа условий перегрузки по току:

Перегрузка

NEC 2017 определяет перегрузку как работу оборудования с превышением нормальной номинальной нагрузки или проводника с превышением номинальной нагрузки, которая, если она сохраняется в течение достаточного периода времени, может привести к повреждению или опасному перегреву. Неисправность, такая как короткое замыкание или замыкание на землю, не является перегрузкой.

Условия перегрузки обычно не так критичны по времени, как короткие замыкания и замыкания на землю. Электрическое оборудование обычно может выдерживать некоторый уровень тока нагрузки, превышающий его номинал, в течение длительного времени. Информация о перегрузочной способности оборудования часто поступает от производителя. Однако к некоторому оборудованию, например к двигателям, трансформаторам и проводникам, предъявляются требования по защите от перегрузок, установленные NEC.

Короткое замыкание

Короткое замыкание определяется как протекание тока вне предусмотренного пути тока. В трехфазной цепи возможны два типа коротких замыканий: симметричные трехфазные замыкания и несимметричные однофазные замыкания (рисунок 1). Симметричные КЗ приводят к тому, что в каждой фазе протекает одинаковый ток во время КЗ. Несимметричные замыкания имеют разные токи замыкания в каждой фазе. Симметричные трехфазные КЗ возникают редко, но их анализ полезен для понимания реакции системы на КЗ и обычно приводит к наихудшим уровням КЗ. Несимметричные замыкания встречаются чаще и обычно приводят к меньшему току замыкания, чем симметричные трехфазные замыкания.

Замыкание на землю

Замыкание на землю — это особый тип короткого замыкания, при котором по крайней мере один из фазных проводов сталкивается с заземленным проводником или поверхностью. К замыканиям на землю относятся одиночные замыкания на землю и множественные замыкания на землю (рис. 1). Однофазное замыкание на землю является наиболее распространенным типом замыкания.

Различные типы неисправностей показаны на рис. 1, чтобы проиллюстрировать концепцию защиты от перегрузки по току.

Что происходит при перегрузке или неисправности? На рис. 2 изображена простая однофазная цепь, работающая в нормальной конфигурации. В этом случае ток нагрузки составляет 10 ампер. Цепь защищена автоматическим выключателем на 15 ампер. Автоматический выключатель не размыкается; ток нагрузки протекает и проводники не перегреваются.

Рис. 3 иллюстрирует результат состояния перегрузки. В перегруженной цепи ток нагрузки составляет около 20 ампер. Автоматический выключатель позволит перегрузке продолжаться в течение приблизительно 2,5 минут перед размыканием цепи. Проводники начнут нагреваться, но не будут повреждены.

На рис. 4 показан результат короткого замыкания. Ток короткого замыкания составляет примерно 10 000 ампер. Автоматический выключатель пропускает ток короткого замыкания только в течение короткого времени. Если ток короткого замыкания сохраняется, изоляция расплавится, а сами проводники будут повреждены.

На рис. 5 показано состояние замыкания на землю. В этом примере путь замыкания на землю добавляет примерно 0,012 Ом сопротивления параллельно сопротивлению нагрузки, что приводит к гораздо более низкому сопротивлению цепи. Ток короткого замыкания составляет примерно 5000 ампер. Как и в случае короткого замыкания, автоматический выключатель пропускает ток короткого замыкания только на короткое время. Опять же, если ток короткого замыкания сохраняется, изоляция расплавится, и проводники в конечном итоге будут повреждены.

Как защитить цепь от опасных перегрузок и коротких замыканий

Требования к защите оборудования от перегрузки по току можно найти в статье NEC, посвященной этому конкретному оборудованию. В таблице 240.3 NEC приведен список применимых разделов. Разделы для статей, относящихся к оборудованию, обычно используемому в коммерческих зданиях, включают:

230 Услуги
368 Шинопроводы
406 Розетки
410 Светильники
422 Приборы
427 Fixed electric heating for pipelines and vessels
430 Motors, motor circuits, and controllers
440 Air conditioning and refrigerating equipment
445 Generators
450 Transformers and transformer vaults
460 Capacitors
517 Health care facilities
620 Лифты
660 Рентгеновское оборудование
695 Пожарные насосы
700 Аварийные системы.

Общие требования к токовой защите проводников приведены в Разделе 240.4 «Защита проводников». Основное правило для защиты проводников от перегрузки по току, кроме использования гибких шнуров, гибких кабелей и крепежных проводов, заключается в защите проводника в соответствии с допустимыми токами, указанными в разделе 310.15. Статья 310 содержит общие требования к проводникам, изоляции, маркировке, механической прочности и допустимой нагрузке.

Несколько статей, применимых к коммерческим зданиям, изменяют общее правило NEC для защиты от перегрузки по току, как указано ниже:

240.4(A) Опасность потери мощности. Если обрыв цепи из-за перегрузки может создать опасность, например, отключение пожарного насоса, защита от перегрузки не требуется. Требуется защита от короткого замыкания.
240.4(B) Устройства максимального тока номиналом 800 ампер или менее. Этот раздел позволяет использовать устройства максимального тока со следующим более высоким стандартным номиналом (при условии, что номинальный ток не превышает 800 ампер), если защищаемые им проводники не используются для питания ответвленной цепи с более чем одной розеткой для штекерного соединения. нагрузки, а сила тока проводника не соответствует стандартному номинальному току. Если устройство защиты от перегрузки по току является регулируемым, оно должно быть отрегулировано на значение, равное или меньшее, чем ток проводника.
240.4(E) Ответвители. Общее правило NEC требует, чтобы OCP располагался перед защищаемым проводником. Однако существуют специальные правила, позволяющие размещать OCP в других местах цепи при соблюдении всех условий NEC. Например, для бытовых плит и кухонных приборов, электропроводки, шинопроводов и двигателей действуют специальные правила, разрешающие использование кранов.
240.4(F) Вторичные проводники трансформатора. NEC, за исключением двух особых условий, включающих двухпроводную, однофазную и трехпроводную схему «треугольник-треугольник», требует, чтобы вторичные проводники трансформатора были защищены вторичным OCP.
240.4(G) Защита от перегрузки по току для конкретных проводников. Требования NEC по защите от перегрузки по току для конкретных приложений можно найти в разделах, отличных от 240. Например, требования к оборудованию для кондиционирования воздуха и холодильного оборудования можно найти в статье 440, части III и VI. Требования к OCP проводника цепи конденсатора приведены в Разделе 460. Требования к защите от перегрузки по току для двигателей и проводников управления двигателями приведены в Разделе 430, части II, III, IV, V, VI и VII.

Выбор номиналов OCP

В следующих примерах рейтинг значения отключения OCP будет определяться вместе с допустимой нагрузкой проводников, используемых в цепи. Номинальный ток короткого замыкания и номинал отключения также должны определяться на основе доступного тока короткого замыкания в цепи. Расчет доступного тока короткого замыкания выходит за рамки данного обсуждения.

Ответвленные цепи

Требования к максимальной токовой защите ответвленных цепей приведены в разделе 210.20. Общее требование состоит в том, чтобы выбрать OCP не менее чем для 125 % непрерывной нагрузки и 100 % непостоянной нагрузки. NEC определяет непрерывную нагрузку как нагрузку, при которой ожидается, что максимальный ток будет продолжаться в течение 3 часов или более.

Например, рассмотрим однофазную цепь 120 В, питающую нагрузку освещения открытого офиса (непрерывную) 1000 ВА и нагрузку насоса конденсата небольшого холодильного агрегата (непостоянную) 100 ВА. Схема нагрузки с целью размера OCP:

Lize Lize Latege = 1,25 x 1000 ВА + 1,00 x 100 ВА

= 1,350 ВА

ОБЩЕСТВЕННЫЙ ОПРЕЖДЕНИЕ = 1,350 В/120 В

= 11,25 AMP

. Следующим самым высоким стандартом OCP (см. таблицу 240.6(A)) является 15 ампер.

Теперь выберите проводник в соответствии с разделами 210.19(A) и 310.15. Раздел 210.19(A) требует, чтобы размер проводника был таким же, как и у OCP — не менее 125 % непрерывной нагрузки и 100 % непостоянной нагрузки. В приведенном выше примере проводники цепи (медный термостойкий термопласт (THHN[A1][A2])) проложены через офисную среду в кабелепроводе, содержащем шесть токонесущих проводников. Согласно Таблице 310.15(B)(16), минимально допустимый размер проводника — #14. Несмотря на то, что в этом примере используется медный провод THHN, рассчитанный на 90°C, необходимо использовать колонку 60°C в соответствии с требованиями Раздела 110.14(C)(1)(a). В этом разделе требуется использование столбца 60°C в Таблице 310.15(B)(16), поскольку предполагается, что клеммы для оборудования с номинальным током 100 А или менее рассчитаны на 60°C, если не указано и не обозначено иначе. Кроме того, Раздел 240.4(D), Малые проводники, требует, чтобы OCP для провода № 14 был рассчитан на 15 ампер.

Общее правило выбора мощности NEC приведено в Разделе 310.15, который ссылается на таблицы в Разделе 310.15(B). Раздел 310.15 содержит ограничивающие факторы, которые необходимо применять к значениям таблицы допустимой нагрузки при определении допустимой нагрузки для ваших конкретных условий проектирования. Из факторов, которые необходимо учитывать, два часто встречающихся фактора или снижения номинальных характеристик — это температура окружающей среды и количество проводников в кабелепроводе. Просматривая таблицы в 310.15(B), обратите внимание, что некоторые таблицы основаны на температуре окружающей среды 30°C, а другие основаны на 40°C.

Поправочные коэффициенты температуры окружающей среды для таблиц 30°C приведены в таблице 310.15(B)(2)(a). Поправочные коэффициенты температуры окружающей среды для таблиц 40°C приведены в таблице 310.15(B)(2)(b). Поправки на количество токонесущих проводников в кабелепроводе приведены в таблице 310.15(B)(3)(a). Существуют некоторые условия, при которых коэффициенты снижения номинальных характеристик не применяются, как показано в 310.15(B)(3)(a)(2)–(4). Например, коэффициенты снижения номинальных характеристик не применяются к кабелям типа бронированный (AC) и кабель с металлической оболочкой (MC) при условии, что кабели не имеют габаритной оболочки, каждый кабель имеет не более трех токонесущих жил, жилы # 2 AWG, и не более 20 токонесущих жил устанавливаются без соблюдения интервалов.

В этом примере провода проложены в офисе, где ожидается максимальная температура 85°F в периоды, когда системы охлаждения отключены. В Таблице 310.15(B)(2)(a) приведены поправочные коэффициенты для температуры окружающей среды, которые должны применяться к допустимым нагрузкам, указанным в Таблице 310.15(B)(16). Для температуры окружающей среды 85°F поправочный коэффициент для медного провода THHN 90°C равен 1,0, поэтому регулировка тока не требуется.

Далее необходимо учитывать снижение номинальных характеристик из-за количества проводников в кабелепроводе. В нашем примере в кабелепроводе проложено шесть токонесущих проводников. Таблица 310.15(B)(3)(a) используется для определения соответствующего коэффициента снижения номинальных характеристик. Для четырех-шести проводников в кабелепроводе коэффициент снижения номинальных характеристик составляет 80 %. Количество проводников

#14 медь THHN сила тока = 25 ампер x 0,8

= 20 ампер

Как обсуждалось выше, для провода #14 в этом примере необходимо использовать силу тока 15 ампер при 60°C, несмотря на расчетную более высокую силу тока.

Фидерные цепи

Требования к максимальной токовой защите фидерных цепей приведены в разделе 215. 3 и аналогичны требованиям для ответвленных цепей. Как и в случае с ответвленными цепями, общее требование состоит в том, чтобы размер OCP составлял не менее 125 % постоянной нагрузки и 100 % непостоянной нагрузки.

Рассмотрим трехфазный фидер 208 В, питающий щит с непостоянной нагрузкой 10 кВА и постоянной нагрузкой 30 кВА. Схема нагрузки с целью определения размера OCP:

Dizing Lize Laight Lize Lazing

= 1,25 x 30 000 ВА + 1,00 x 10 000 ВА

= 47 500 ВА

ОКП. 1,73 x 208 В)

= 132 ампер

Следующим самым высоким стандартом OCP (см. таблицу 240.6(A)) является 150 ампер.

Далее выберите проводник в соответствии с разделами 215.2 и 310.15. Раздел 215.2 требует, чтобы размер проводника был таким же, как и у OCP — не менее 125% непрерывной нагрузки и 100% непостоянной нагрузки. В этом примере проводники цепи (медные THHN) проложены через котельную, где температура не превышает 120°F. Трубопровод будет содержать три токонесущих проводника.

Ссылаясь на таблицу 310.15(B)(16), минимальный размер проводника, допустимый для номинала OCP 150 ампер, составляет #1/0. Как и в предыдущем примере, выбран тип медного провода THHN, рассчитанный на 90°С. В этом случае необходимо использовать колонку с температурой 75°C в соответствии с требованиями Раздела 110.14(C)(1)(a). В этом разделе требуется использование столбца 75°C в Таблице 310.15(B)(16), потому что клеммы для оборудования с номинальным током 100 А или выше должны быть рассчитаны на 75°C, если не указано иное.

В этом примере провода проложены через котельную, где максимальная температура не должна превышать 120°F. В Таблице 310.15(B)(2)(a) приведены поправочные коэффициенты для температуры окружающей среды, которые должны применяться к допустимым нагрузкам, указанным в Таблице 310.15(B)(16). Для температуры окружающей среды 120°F поправочный коэффициент для меди THHN 9Провод 0°C равен 0,82. Таким образом, расчетная допустимая нагрузка для медного провода THHN № 1/0, используемого в этом примере, составляет: исключение из Таблицы 310. 15(A)(2), которое позволяет использовать более высокую допустимую нагрузку для кабелей с различной допустимой нагрузкой, где более низкая допустимая нагрузка не превышает 10 футов или 10% от общей длины цепи.

Далее необходимо учитывать снижение номинальных характеристик из-за количества проводников в кабелепроводе. В приведенном выше примере в кабелепроводе проложены три токонесущих проводника. Поскольку токи в таблице 310.15(B)(3)(a) уже учитывают до трех токонесущих проводников, дальнейшее снижение номинальных значений не требуется.

После определения силы тока следует также учитывать падение напряжения. Для длинных цепей может потребоваться увеличение размера проводника для соблюдения минимальных требований к падению напряжения. В NEC есть информационные примечания, касающиеся падения напряжения в ответвленных цепях и фидерах, но это не свод правил. Тем не менее, многие органы, обладающие юрисдикцией, сделали падение напряжения требованием кодекса. Кроме того, энергетические коды требуют учитывать падение напряжения.

После применения соответствующего снижения номинальных значений расчетная сила тока провода №1/0 адекватно защищена выбранным выше OCP на 150 ампер. Следует учитывать рост нагрузки. Рассчитанные выше значения нагрузки и кабеля являются минимальными значениями. Общепринятой практикой является добавление 20 % от минимальной номинальной мощности кабеля, которая будет использоваться для увеличения нагрузки в будущем.

Требования к защите цепей двигателя

Требования к максимальной токовой защите цепей двигателя начинаются с Таблицы 240.4(G), Особые применения проводников. Таблица 240.4(G) требует использования статьи 430 для выбора защиты от перегрузки по току в цепи двигателя. Требования к максимальной токовой защите цепей двигателя отличаются от требований к ответвленным и фидерным цепям, что часто приводит к путанице. Для цепей двигателя защита от перегрузки обеспечивается устройством защиты двигателя от перегрузки (см. статью 430, часть III).

Устройство защиты двигателя от перегрузки обычно представляет собой устройство, расположенное в пускателе двигателя, которое реагирует на ток двигателя и настроено на размыкание контроллера двигателя, когда ток двигателя превышает 125 % тока, указанного на паспортной табличке для двигателей с сервис-фактором 1,15 или 115. % паспортного тока для двигателей без сервис-фактора. OCP, используемый для подачи питания на контроллер двигателя и двигатель, должен обеспечивать защиту цепи двигателя от короткого замыкания и замыкания на землю. Требования для определения максимального номинала или уставки для защиты от короткого замыкания в ответвлении двигателя и замыкания на землю можно найти в таблице 430.52. Чтобы использовать эту таблицу, вы должны знать тип двигателя, используемого в цепи, и тип OCP, используемого для защиты цепи.

Рассмотрим ответвленную цепь трехфазного двигателя 460 В, питающую двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 100 л.с., защищенный автоматическим выключателем в литом корпусе с обратнозависимой выдержкой времени. Медные проводники цепи THHN проложены в зоне с температурой окружающей среды не выше 104°F, а количество токонесущих проводников в кабелепроводе равно трем. Для этого примера Таблица 430.52 допускает автоматический выключатель с максимальным номинальным значением, в 2,5 раза превышающим ток полной нагрузки двигателя. Ток полной нагрузки двигателя, используемый в этом расчете, не является током, указанным на паспортной табличке, а значением тока, указанным в таблице 430.250.

Ток двигателя

= 124 AMPS

MAX OCP Rating

= 2,5 x 124 AMP

= 310 AMPS

Секция 430,52 (C) (1) имеет исключение, что позволяет следующему более высокому стандарту. быть использованным. В этом случае максимальный номинал OCP составляет 350 ампер. Если пусковой момент двигателя и время для достижения рабочей скорости таковы, что двигатель не запускается, Раздел 430.52(C)(1), Исключение 2, допускает повышение рейтинга OCP еще выше. В случае автоматического выключателя с обратнозависимой выдержкой времени для двигателя в этом примере Исключение (c) позволяет увеличить рейтинг OCP с 250 % до 300 %. Однако следующий более высокий рейтинг не применяется к Исключению (c). Номинал OCP на 300 % выше, чем ток полной нагрузки, составляет 3 x 124 ампера = 372 ампера. Этот рейтинг находится между стандартными рейтингами 350 ампер и 400 ампер. В этом примере номинал OCP не может превышать 350 ампер. Типичной практикой является использование рейтинга OCP меньше максимального, рассчитанного выше. Некоторые производители электрических распределительных сетей предоставляют справочники в виде логарифмической линейки, помогающие выбрать номинальные характеристики цепи двигателя. Также доступны приложения для телефона, которые обеспечивают ту же функцию, что и логарифмическая линейка. Были проверены направляющие логарифмической линейки трех разных производителей; все они рекомендуют номинал автоматического выключателя OCP на 200 ампер для следующего примера.

Токовые нагрузки проводников для цепи двигателя можно определить в соответствии со статьей 430, часть II. Раздел 430.22 применяется к этому примеру, поскольку это схема с одним двигателем. Требование к размеру проводников составляет всего 125 % от тока полной нагрузки, указанного в таблице 430.50.

Сила тока проводника цепи двигателя

= 1,25 x 124 А

= 155 А

Ссылаясь на Таблицу 310. 15(B)(16), используя колонку 75°C, допустимый минимальный размер провода #2/0 с номинал 175 ампер. Обратите внимание, что максимальный рейтинг OCP составляет 350 ампер, что значительно выше, чем даже у 9Потребление колонки при 0°C 195 ампер. Это условие разрешено NEC, поскольку защита от перегрузки обеспечивается устройством защиты от перегрузки в пускателе двигателя, которое установлено на 125 % тока полной нагрузки, указанного на паспортной табличке, для эксплуатационного коэффициента двигателя 1,15. OCP цепи двигателя обеспечивает только защиту от короткого замыкания и замыкания на землю.

В этом примере провода проложены в среде, где максимальная температура не превышает 104°F. В Таблице 310.15(B)(2)(a) приведены поправочные коэффициенты для температуры окружающей среды, которые должны применяться к допустимым нагрузкам, указанным в Таблице 310.15(B)(16). Для температуры окружающей среды 104°F поправочный коэффициент для меди THHN 9Провод 0°C равен 0,91. Расчетная сила тока для медного провода THHN № 2/0, используемого в этом примере:

Температура окружающей среды

Сила тока медного провода THHN № 2/0

= 195 ампер x 0,91

= 177,5 ампер 3

Сила тока проводника номинальная температура окружающей среды выше, чем у колонки с 75°C, поэтому она приемлема для использования в данном примере.

Цепи оборудования для кондиционирования воздуха и холодильного оборудования

Как и в случае с двигателями, требования к защите цепи двигателя от перегрузки по току начинаются с Таблицы 240.4(G), Особые применения проводников. Таблица 240.4(G) требует, чтобы статья 440 использовалась для выбора максимальной токовой защиты цепи двигателя для кондиционеров и холодильного оборудования.

При определении значений OCP для двигателей используются значения тока при полной нагрузке (FLA), указанные в статье 430. Эти значения, как правило, выше, чем значения FLA, указанные на заводской табличке двигателя, что приводит к консервативному выбору номиналов OCP и проводников. В случае герметичных мотор-компрессоров значения FLA двигателя, указанные в Статье 430, не будут превышать фактические значения двигателя из-за охлаждающего действия хладагента на обмотки двигателя. Например, двигатель мощностью 1,5 л.с., используемый в герметично закрытом компрессоре, может выполнять работу мощностью 2 л. с., поскольку тепло отводится от обмоток двигателя, что позволяет протекать более высоким токам без превышения номинальной температуры проводника обмотки.

По этой причине производитель должен предоставить данные, относящиеся к используемому оборудованию для кондиционирования воздуха и охлаждения. В частности, максимальное значение защиты от перегрузки по току (MOP) должно использоваться для определения номинала контура кондиционирования воздуха или хладагента. Кроме того, для определения минимального номинала проводника необходимо использовать минимальный ток цепи (MCA). Эти данные указаны на паспортной табличке оборудования, а также могут быть получены от производителя в форме паспорта. Изготовитель оборудования для кондиционирования воздуха и холодильного оборудования также должен указать, можно ли использовать предохранитель или автоматический выключатель для питания оборудования.

Рассмотрим пример кондиционера с MOP (автоматический выключатель или предохранитель) на 50 ампер и MCA на 31,0 ампер. В этом примере блок кондиционирования воздуха питается медным проводом THHN по кабелепроводу, содержащему три токонесущих проводника. Блок кондиционирования воздуха расположен на открытом воздухе при максимальной температуре окружающей среды 120°F.

В этом примере значение OCP просто равно предоставленному производителем значению MOP в 50 ампер, поскольку 50 ампер — это стандартное значение OCP согласно Таблице 240.6(A). Можно использовать либо автоматический выключатель, либо предохранитель, поскольку производитель перечислил оборудование с обоими типами устройства OCP.

Размер провода будет основан на значении MCA, предоставленном производителем, которое в данном случае составляет 31,0 ампер. Используя таблицу 310.15(B)(16), столбец 75°C, минимальный размер провода равен #8. Провод №10 имеет достаточную силу тока, но в соответствии с разделом 240.4(D) он должен быть защищен OCP с номиналом 30 ампер или меньше. В этом примере требуется OCP на 50 ампер, поэтому необходимо использовать провод №8. Поскольку в этом примере в кабелепроводе только три токонесущих проводника, снижение номинальных характеристик по количеству проводников не требуется. Допустимая нагрузка кабеля должна быть скорректирована для температуры окружающей среды 120°F. Ссылаясь на Таблицу 310.15(B)(2)(a), поправочный коэффициент для 9Медный провод THHN с номиналом 0°C и максимальной температурой окружающей среды 120°F составляет 0,82.

Снижение номинального тока по температуре = 0,82 x 55 ампер

= 45,1 ампер

Снижение номинального значения температуры выше, чем значение MCA 31,0 ампер для проводника №8, что приемлемо для данного примера.

Существует несколько применимых разделов NEC, устанавливающих требования к выбору OCP и проводников для коммерческих зданий. Несколько секций NEC модифицированы для всех конкретных установок и оборудования, используемых в коммерческих зданиях. Обращая внимание на детали, можно выбрать рейтинги OCP для обеспечения безопасной и надежной работы в течение всего срока службы оборудования. [ГОЛОВА]

Постоянные и непостоянные нагрузки

NFPA 70: Национальный электротехнический кодекс (NEC) дает мало указаний относительно постоянных и непостоянных нагрузок и почему это важно. Важно различать постоянные и непостоянные нагрузки из-за тепла. Рассмотрим 25-амперную нагрузку, текущую по цепи. В непостоянном случае (например, большой водоотливной насос) нагрузка может быть активной меньше минуты. В непрерывном случае (например, чиллер) нагрузка может быть активной в течение 8 часов или дольше. При сравнении двух случаев проводники контура чиллера будут иметь более высокую температуру во время работы, чем проводники контура водоотливного насоса.

NEC требует более консервативного выбора (125%) в случае длительных нагрузок из-за повышенного рассеивания тепла проводниками цепи по сравнению с непостоянными нагрузками. Некоторые примеры непрерывных нагрузок включают офисное освещение, внешнее освещение, оборудование центра обработки данных, стационарные водонагреватели накопительного типа емкостью менее 120 галлонов (450 л; согласно NEC 422. 13) и циркуляционные насосы для холодной/горячей воды. Некоторые примеры непостоянных нагрузок включают измельчители пищевых отходов, насосы для отстойников / сточных вод, приводы гаражных ворот и электрические точилки для карандашей. Определить, является ли нагрузка непрерывной или непостоянной, не всегда ясно. Рассмотрим случай схемы освещения офисной кладовой. Если он разработан в соответствии с текущими требованиями энергетического кодекса, он должен иметь датчик отсутствия для автоматического выключения света, когда в нем не обнаружено людей. Это похоже на пример прерывистой цепи. Что делать, если датчик вышел из строя или помещение временно перепрофилировали под офис? Некоторые рецензенты разрешений могут потребовать, чтобы это считалось непрерывной нагрузкой. В тех случаях, когда нагрузка наверняка будет непостоянной, настройте схему на 100 % нагрузки. Если нагрузка является спорной, будьте осторожны и спроектируйте постоянную нагрузку.

Стивен Эйх — вице-президент и технический директор по проектированию экологических систем в Чикаго. Его опыт включает 29 лет проектирования электрических систем для промышленных и коммерческих проектов, включая высотные здания, больницы, школы, театры, музеи, гостиницы, конференц-центры, производственные объекты, водоочистные сооружения и объекты атомной энергетики.

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

Цепь защиты от перегрузки по току с использованием операционного усилителя

Цепи защиты жизненно важны для успеха любой электронной конструкции. В наших предыдущих руководствах по схемам защиты мы разработали множество базовых схем защиты, которые можно адаптировать к вашей схеме, а именно: защита от перенапряжения, защита от короткого замыкания, защита от обратной полярности и т. д. Добавляя к этому списку схем, в этой статье мы узнаете, как спроектировать и построить простую схему для защиты от перегрузки по току с использованием операционного усилителя .

Защита от перегрузки по току часто используется в цепях питания для ограничения выходного тока блока питания. Термин «перегрузка по току» — это состояние, когда нагрузка потребляет ток, превышающий указанные возможности блока питания. Это может быть опасной ситуацией, так как перегрузка по току может повредить источник питания. Поэтому инженеры обычно используют схему защиты от перегрузки по току , чтобы отключить нагрузку от источника питания во время таких сценариев отказа, тем самым защищая нагрузку и источник питания.

Защита от перегрузки по току с использованием операционного усилителя
Существует много типов схем защиты от перегрузки по току; сложность схемы зависит от того, насколько быстро должна реагировать схема защиты в случае перегрузки по току. В этом проекте мы построим простую схему защиты от перегрузки по току с использованием операционного усилителя, который очень часто используется и может быть легко адаптирован для ваших проектов.
Схема, которую мы собираемся разработать, будет иметь регулируемое пороговое значение перегрузки по току , а также будет иметь функцию автоматического перезапуска при сбое . Поскольку это схема защиты от перегрузки по току на основе операционного усилителя, она будет иметь операционный усилитель в качестве ведущего устройства. Для этого проекта используется операционный усилитель общего назначения LM358 . На изображении ниже показана схема контактов LM358.
Как видно на изображении выше, внутри одного корпуса ИС у нас будет два канала операционного усилителя. Однако для этого проекта используется только один канал. Операционный усилитель будет переключать (отключать) выходную нагрузку с помощью полевого МОП-транзистора. За этот проект Используется канал N MOSFET IRF540N . Рекомендуется использовать соответствующий радиатор MOSFET, если ток нагрузки превышает 500 мА. Однако в этом проекте полевой МОП-транзистор используется без радиатора. На изображении ниже показана схема выводов IRF540N .
Для питания операционного усилителя и схемы используется линейный стабилизатор напряжения LM7809 . Это линейный стабилизатор напряжения 9В 1А с широким номинальным входным напряжением. Распиновку можно увидеть на изображении ниже

Необходимые материалы:
Список компонентов, необходимых для цепи защиты от перегрузки по току , приведен ниже.
Макет
Источник питания 12 В (минимум) или в соответствии с требуемым напряжением.
ЛМ358
100 мкФ 25 В
ИРФ540Н
Радиатор (согласно требованиям приложения)
Горшок для отделки 50k.
Резистор 1k с допуском 1%
Резистор 1Meg
Резистор 100k с допуском 1%.

Резистор 1 Ом, 2 Вт (максимум 2 Вт при токе нагрузки 1,25 А)
Провода для макетной платы

Схема защиты от перегрузки по току
Простая схема защиты от перегрузки по току может быть разработана с использованием операционного усилителя для измерения перегрузки по току, и на основе результата мы можем управлять MOSFET для отключения/подключения нагрузки к источнику питания. поставлять. Принципиальная схема для того же проста, и ее можно увидеть на изображении ниже 9.0003
Работа цепи защиты от перегрузки по току
Как видно из принципиальной схемы, MOSFET IRF540N используется для управления нагрузкой при включении или выключении в нормальных условиях и в условиях перегрузки . Но перед отключением нагрузки необходимо определить ток нагрузки. Это делается с помощью шунтирующего резистора R1 , который представляет собой шунтирующий резистор 1 Ом с номинальной мощностью 2 Вт. Этот метод измерения тока называется Измерение тока шунтирующего резистора 9.0277 , вы также можете проверить другие методы измерения тока, которые также можно использовать для обнаружения перегрузки по току.

Во время включения МОП-транзистора ток нагрузки протекает через сток МОП-транзистора к истоку и, наконец, к GND через шунтирующий резистор. В зависимости от тока нагрузки шунтирующий резистор создает падение напряжения, которое можно рассчитать по закону Ом. Поэтому предположим, что для протекающего тока 1 А (ток нагрузки) падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1 В, поскольку V = I x R (V = 1 А x 1 Ом). Таким образом, если это падение напряжения сравнить с заданным напряжением с помощью операционного усилителя, мы можем обнаружить перегрузку по току и изменить состояние полевого МОП-транзистора, чтобы отключить нагрузку.

Операционный усилитель обычно используется для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение и т. д. Поэтому в этой схеме операционный усилитель LM358 настроен как компаратор. Согласно схеме, компаратор сравнивает два значения. Первое — это падение напряжения на шунтирующем резисторе, а второе — заданное напряжение (опорное напряжение) с помощью переменного резистора или потенциометра RV1. RV1 действует как делитель напряжения. Падение напряжения на шунтирующем резисторе измеряется инвертирующим выводом компаратора и сравнивается с опорным напряжением, подключенным к неинвертирующему выводу операционного усилителя.

Из-за этого, если измеренное напряжение меньше опорного напряжения, компаратор выдаст на выходе положительное напряжение, близкое к VCC компаратора. Но если измеренное напряжение больше опорного напряжения, компаратор выдаст отрицательное напряжение питания на выходе (отрицательное питание подключено к GND, поэтому в данном случае 0 В). Этого напряжения достаточно, чтобы включить или выключить полевой МОП-транзистор.

Решение проблемы переходного режима/стабильности
Но когда высокая нагрузка будет отключена от источника питания, переходные изменения создадут линейную область на компараторе, и это создаст петлю, в которой компаратор не сможет правильно включить или выключить нагрузку и операционный усилитель . станет нестабильным . Например, предположим, что с помощью потенциометра устанавливается значение 1 А для перевода полевого МОП-транзистора в состояние ВЫКЛ. Поэтому переменный резистор настроен на выход 1 В. В ситуации, когда компаратор обнаружит, что падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1,01 В (это напряжение зависит от точности ОУ или компаратора и других факторов), компаратор отключит нагрузку. Переходные изменения происходят, когда высокая нагрузка внезапно отключается от блока питания, и этот переходный процесс увеличивает опорное напряжение, что приводит к плохим результатам на компараторе и заставляет его работать в линейной области.

Лучший способ решить эту проблему — использовать стабильное питание на компараторе, при котором переходные процессы не влияют на входное напряжение компаратора и опорное напряжение. Кроме того, в компаратор необходимо добавить дополнительный метод гистерезиса. В данной схеме это делает линейный стабилизатор LM7809и с помощью гистерезисного резистора R4, резистора 100k. LM7809 обеспечивает правильное напряжение на компараторе, так что переходные изменения в линии питания не влияют на компаратор. Конденсатор C1 емкостью 100 мкФ используется для фильтрации выходного напряжения.

Гистерезисный резистор R4 подает небольшую часть входного сигнала на выход операционного усилителя, что создает разрыв напряжения между низким порогом (0,99 В) и высоким порогом (1,01 В), где компаратор изменяет свой выходной сигнал состояние. Компаратор не меняет состояние немедленно, если достигается пороговая точка, вместо этого, чтобы изменить состояние с высокого на низкое, уровень измеренного напряжения должен быть ниже нижнего порога (например, 0,9).7 В вместо 0,99 В) или для изменения состояния с низкого на высокое, измеренное напряжение должно быть выше верхнего порога (1,03 вместо 1,01). Это повысит стабильность компаратора и снизит количество ложных срабатываний. Помимо этого резистора, R2 и R3 используются для управления затвором. R3 — подтягивающий резистор затвора полевого МОП-транзистора.

Тестирование схемы защиты от перегрузки по току
Схема построена на макетной плате и протестирована с использованием настольного источника питания и переменной нагрузки постоянного тока.
Цепь проверена, выход успешно отключается при различных значениях, установленных переменным резистором. Видео, представленное внизу этой страницы, показывает полную демонстрацию тестирования защиты от перегрузки по току в действии.

Советы по проектированию защиты от перегрузки по току
Цепь демпфера RC на выходе может улучшить электромагнитные помехи.
Радиатор большего размера и специальный полевой МОП-транзистор могут использоваться для требуемого приложения.
Хорошо сконструированная печатная плата улучшит стабильность схемы.
Мощность шунтирующего резистора необходимо отрегулировать по степенному закону (P = I ² R) в зависимости от тока нагрузки.
Резистор очень низкого номинала в миллиомах можно использовать для небольшого корпуса, но падение напряжения будет меньше. Для компенсации падения напряжения можно использовать дополнительный усилитель с соответствующим коэффициентом усиления.