Конструктивные решения промышленных систем управления для повышения надежности системы защиты от короткого замыкания
Для удобства обсуждения каждому OCPD, связанному с промышленной системой управления, показанным на рисунке 4-1, присваивается номер зоны защиты. Надежность системы защиты от короткого замыкания требует, чтобы: 1. OCPD должен обеспечивать приемлемый уровень защиты от перегрузки и короткого замыкания для всех компонентов в своей зоне. 2. Если имеется устройство защиты от перегрузки и устройство защиты от короткого замыкания, желательно, чтобы защита от короткого замыкания не срабатывала при перегрузках. 3. OCPD должен срабатывать при всех перегрузках по току в своей зоне. Таким образом, OCPD не должен работать при перегрузках и коротких замыканиях за пределами своей зоны. Это называется полной селективной координацией.
Обсуждение зоны защиты относится к защите компонентов, но не обязательно относится к защите людей. Несмотря на то, что предохранители AJT, установленные в зонах, обеспечивают превосходное ограничение энергопотребления при дуговых замыканиях в пределах своей зоны, они не учитываются при определении опасности возникновения дугового разряда в любой точке промышленной системы управления. Для этой защиты используется только внешний предохранитель ①. Ключ к получению всех преимуществ, связанных с токоограничивающими предохранителями, заключается в выборе предохранителей ответвительной цепи. Благодаря оптимизации выбора предохранителей с временной задержкой AJT класса J или ATDR класса CC выбор предохранителей с временной задержкой может быть более эффективным. Тщательный выбор предохранителей для цепей двигателей и трансформаторов имеет решающее значение для достижения этих целей в области ICP.
Соображения по поводу возникновения дугового разряда
Характеристики срабатывания устройства защиты от перегрузки по току фидера, расположенного выше по потоку, будут определять энергию, поступающую в промышленной системе управления. Как обсуждалось в предыдущем разделе, использование предохранителей класса J или CC с высоким ограничением тока в ответвлениях ICP позволяет сократить время срабатывания OCPD фидера при коротких замыканиях без ущерба для координации. Легко подобрать питающие предохранители класса J, которые будут полностью согласованы с ответвительными предохранителями класса J, но при этом при правильном выборе размера расчетная энергия падения на промышленной системе управления составит менее 1,0 кал/см2. Поскольку предохранители классов J и CC являются наиболее оптимальным вариантом предохранителей с ограничением тока для ответвительных предохранителей, разработчики обладают наибольшей гибкостью при выборе защиты промышленной системы управления на входе, сохраняя при этом согласованность и минимальную энергию вспышки дуги.
Чтобы получить минимальное количество падающей энергии на промышленной системе управления, важно убедиться, что предохранитель, питающий промышленную систему управления, работает в зоне короткого замыкания, что исключает возникновение дуговых разрядов. То есть значение Iarc должно превышать пороговый ток предохранителя (см., например, таблицу 3-1). Например, при допустимых токах короткого замыкания в диапазоне от 4,5 кА до 100 Ка AJT100 ограничивает удельную энергию менее 0,3 ккал/см2
При выборе размера промышленной системы управления необходимо учитывать допустимый ток короткого замыкания. Например, может оказаться выгодным использовать два ICP с питанием 400 А, а не один ICP с питанием 800 А, если ток замыкания недостаточно высок. Важно отметить, что расчет энергии падения, который ваш заказчик произведет для маркировки дуговой вспышки ICP и который будет использоваться для выбора СИЗ с номинальной мощностью дуги, основан на самой высокой энергии падения в ICP. В примере слева на рисунке 4-2 максимальная энергия, приходящаяся на линейные клеммы промышленной системы управления, определяется исходя из характеристик точки подключения системы электропитания панели и OCPD выше по потоку от ICP.
Несмотря на то, что основной предохранитель панели установлен с ограничением тока и рассчитан на низкую энергию падения в ответвлениях, на этикетке дугового разряда, которую ваш заказчик нанесет на промышленной системе управления, будет указано значение 8,6 ккал/см2. Несмотря на взаимодействие с элементами управления на панели (например, устранение неполадок в электроприводе) будет находиться в зоне панели с плотностью 0,3 ккал/см2, работник должен будет носить СИЗ с защитой от дуги, соответствующие требованиям категории 3 стандарта NFPA70E, для защиты от всех опасностей, связанных с панелью. В примере справа основной предохранитель перемещен в отдельный выключатель с плавким отключением.
Если допустимый ток короткого замыкания превышает пороговое значение для ограничения тока (см. таблицу 3-1), заказчик наносит на промышленной системе управления табличку с расчетной энергией повреждения 0,3 кал/см2, указывающую на то, что работники будут сталкиваться с гораздо меньшей опасностью возникновения дугового разряда. Конечно, при отключении предохранителя на маркировке дугового разряда указано значение 8,6 кал/см2. Требования UL508A к маркировке SCCR приведены в разделе 5, в котором описаны случаи, когда панель использует внешний OCPD для расчета SCCR.
Координация и бесперебойность питания.
Для оптимальной работы системы защиты крайне желательно, чтобы главный предохранитель ① и питающий предохранитель ② на рис. 4-1 не размыкались из-за неисправностей ни в одной из цепей двигателя. Если основное защитное устройство может сработать из-за неисправностей, возникающих после ответвления предохранителя, то все нагрузки, питаемые от основного устройства, будут отключены. Отсутствие координации может не только привести к более массовым отключениям, но и затруднить определение места возникновения проблемы, увеличить время на восстановление электроснабжения и процессов, а также может создать ситуацию, когда работнику может потребоваться взаимодействие с вышестоящим устройством, требующим более высоких требований к СИЗ.
Важно отметить, что OCPD, выбранные для ответвлений в промышленной системе управления, ограничат ваши возможности при использовании всех вышестоящих OCPD, когда требуется координация. Использование вышестоящего автоматического выключателя с преднамеренной задержкой срабатывания для улучшения взаимодействия с устройствами защиты ответвлений ICP приведет к увеличению энергии, выделяемой при падении напряжения в промышленной системе управления. При правильно подобранных предохранителях такие задержки не требуются. Поскольку предохранители с ограничением тока могут быть согласованы в пределах зоны их короткого замыкания без какой-либо преднамеренной задержки, легко значительно ограничить подачу энергии на дугогасящие повреждения в промышленной системе управления без ущерба для непрерывности работы из-за короткого замыкания.
Также желательно, чтобы каждое устройство защиты от короткого замыкания в ответвлении было согласовано с устройствами защиты от перегрузки в своей цепи. Если размер предохранителя ответвления такой, чтобы у защиты от перегрузки было достаточно времени для устранения перегрузок, будет проще устранять неполадки и быстрее восстанавливать работоспособность оборудования. В этом случае размыкание ответвительного предохранителя будет явным признаком неисправности в цепи и необходимости соблюдения требований 130.6(M) стандарта NFPA 70E.
Согласование входного и ответвительного предохранителей. Полное селективное согласование между входным предохранителем AJT класса J или CC и входным предохранителем AJT возможно при токах короткого замыкания до 200 Ка. Таким образом, подающий предохранитель срабатывает только при неисправностях на шине между подающим предохранителем и линейной частью ответвительных предохранителей. Для обеспечения выборочной координации входящий предохранитель должен пропускать ток, определяемый выходящим предохранителем, показанным на рисунке 4.3, без расплавления его элемента.
Меньшие пропускаемые токи нижерасположенным предохранителем, измеренные с помощью I2t, позволяют использовать питающие предохранители меньшего размера при сохранении согласованности. Схема согласования предохранителей, приведенная в таблице 4-1 для предохранителей, обычно используемых в промышленной системе управления, обеспечивает достаточно низкий уровень пропускания I2t, чтобы предотвратить размыкание или повреждение переднего элемента предохранителя.
Например, при использовании предохранителя AJT60 в качестве основного предохранителя будет обеспечена полная координация, если размеры ответвлений предохранителей будут не больше, чем у предохранителей AJT25 или ATDR30. Таким образом, AJT25 устранит любую неисправность задолго до того, как может расплавиться входящий в комплект AJT60 [20]. Предохранитель с входящим в комплект автоматическим выключателем, не ограничивающим ток. Выборочное согласование между расположенным ниже по потоку предохранителем и расположенным выше по потоку прерывателем питания с ограничением тока ограничено в зоне короткого замыкания мгновенной настройкой срабатывания прерывателя и степенью ограничения тока предохранителя.
Если значение Ip, показанное на рисунке 4-3, превышает значение, необходимое для мгновенного отключения блока автоматического выключателя, селективная координация теряется. Предохранители с более низкими значениями Ip обеспечивают координацию при больших токах короткого замыкания. Проектировщикам необходимо оценить данные, приведенные в графиках пропускания, и детали устройства мгновенного отключения, чтобы обеспечить надлежащую координацию. Более подробную информацию смотрите в [20] [21]. Предохранители AJT класса J и ATDR класса CC являются лучшим выбором для самых низких значений Ip.
Основы выбора предохранителей
Ключ к получению всех преимуществ, связанных с токоограничивающими предохранителями, заключается в выборе предохранителей ответвительной цепи. Благодаря оптимизации выбора предохранителей с временной задержкой AJT класса J или ATDR класса CC выбор предохранителей с временной задержкой может быть более эффективным. Тщательный выбор предохранителей для цепей электродвигателей и трансформаторов имеет решающее значение для достижения этих целей ICP. Выбор предохранителей для цепей электродвигателей Поскольку предохранители часто используются в ответвлениях электродвигателей с отдельной защитой от перегрузки, их основное назначение — обеспечить защиту цепи от короткого замыкания.
Надлежащая инженерная практика гарантирует, что при первоначальном выборе предохранителя для цепи двигателя необходимо учитывать следующие факторы. 1. Требования стандарта NEC 2. Характеристики тока двигателя 3. Характеристики предохранителя 4. Уровень защиты компонентов цепи от короткого замыкания 5. Рекомендации по согласованию a. Согласование ответвительного предохранителя с реле перегрузки b. Согласование между ответвительными предохранителями двигателя и предохранителями, расположенными выше по потоку 6. Рекомендации по вспышке дуги/ дуговому замыканию a. Цель промышленной системы управления по максимальному энергопотреблению при авариях до н. э.
Цель создания дуговой вспышки при падении энергии ниже по потоку для каждой ответвляющейся цепи, сводящей к минимуму ущерб от внутренних дуговых замыканий При разработке таблиц размеров предохранителей с временной задержкой AJT класса J и ATDR класса CC, приведенных в приложении, были использованы следующие соображения. 1. Требования NEC В статье 430.52 указывается максимальная допустимая сила тока для предохранителей с временной задержкой и без нее. В таблице 430.52 указаны размеры предохранителей AJT класса J с временной задержкой до 175% от силы тока при полной нагрузке двигателя (FLA) при использовании устройства защиты от перегрузки надлежащего размера.
Примечание к таблице допускает увеличение до 225% при определенных условиях. Эти ограничения гарантируют, что реле перегрузки не будет задействовано для устранения неисправности низкого уровня, превышающей его возможности по прерыванию. Примечание к таблице позволяет установить значение FLA на уровне 300% для предохранителей с временной задержкой ATDR класса CC, поскольку стандарт класса CC требует более короткой временной задержки. 2. Характеристики тока двигателя Номинальный ток предохранителя в амперах должен быть выбран таким образом, чтобы можно было ожидать его длительного срока службы при нормальной работе двигателя. Необходимо учитывать как силу тока при полной нагрузке, так и пусковой ток двигателя.
Поскольку пусковой ток будет превышать номинальный ток предохранителя, необходимо учитывать величину и длительность этого тока, чтобы предохранители не подвергались чрезмерному нагреву, который может сократить срок их службы. В таблицах выбора предохранителей в приложении с использованием значений силы тока при полной нагрузке, силы тока при заблокированном роторе и времени запуска приведены рекомендации, обеспечивающие надежную работу. Более подробную информацию смотрите в [19]. 3. Характеристики работы предохранителя при перегрузке. Размеры предохранителей должны быть такими, чтобы они выдерживали нормальный пусковой ток без размыкания. Требование стандарта UL 248-8 о том, что предохранители с временной задержкой класса J должны выдерживать напряжение, в 5 раз превышающее их номинальную мощность, в течение как минимум 10 секунд, позволяет этим предохранителям выдерживать пусковые токи в течение всего срока службы в соответствии с таблицами выбора предохранителей, приведенными в приложении.
Как указано в примечании 1 к таблице 430.52 Стандарта NEC: «Значения в столбце предохранителей без временной задержки применяются к предохранителям класса CC с временной задержкой». Стандарт UL 248-4 для предохранителей с временной задержкой класса CC требует, чтобы эти предохранители работали в течение как минимум 12 секунд, в 2 раза превышающих их номинальную мощность. Из-за сокращения времени срабатывания при токах, близких к пусковым, предохранители серии ATDR должны быть немного большего размера, чем AJT.
Схемы выбора предохранителей, рекомендующие их размеры для различных применений, приведены в приложении. Защита от короткого замыкания. Как обсуждалось ранее, предохранители с ограничением тока, указанные в стандарте UL, должны устранять неисправность в зоне короткого замыкания менее чем за 1/2 цикла, не допуская при этом достижения током повреждения первого пика предполагаемого тока. Несмотря на то, что любой предохранитель с временной задержкой, указанный в стандарте UL, может соответствовать основным параметрам, описанным в этом разделе, необходимо использовать предохранители с большим ограничением тока класса J или класса CC, чтобы обеспечить максимальную безопасность и защиту от токов короткого замыкания.
Поскольку предохранители с временной задержкой имеют характеристики перегрузки, которые лучше соответствуют характеристикам пускового тока двигателя, их размер может быть меньше, чем у предохранителей без временной задержки. Меньшие номиналы предохранителей с временной задержкой, как правило, обеспечивают лучшую защиту от короткого замыкания цепей двигателя и упрощают согласование с вышестоящим OCPD. Отличным выбором для ответвлений электродвигателя ICP является предохранитель с временной задержкой AJT класса J.
Высокие требования данного стандарта к ограничению тока обеспечивают все преимущества защиты от короткого замыкания, упомянутые в нем. Уникальные размеры, требуемые для предохранителей этого класса, гарантируют, что защита и надежность не пострадают при неправильной замене в будущем. Еще одним отличным выбором для ответвлений электродвигателя ICP является предохранитель с временной задержкой CC класса ATDR, рассчитанный на напряжение до 30 А. Если удастся должным образом решить проблему сокращения времени задержки в этом классе, то улучшенное ограничение тока обеспечит все преимущества защиты от короткого замыкания, описанные в данном руководстве. Компактные размеры предохранителей и разъединителей класса CC делают их отличным выбором, когда пространство на панели внутри ICP ограничено. Обратите внимание, что вам необходимо указать предохранители и/или разъединители класса CC, чтобы предотвратить случайную замену на предохранители меньшего номинала.
Функция отбраковки этих устройств позволяет вставлять только предохранители класса CC с отбраковочным язычком на торцевой крышке. Поскольку некоторые дополнительные предохранители малого размера, указанные в UL, имеют более низкое напряжение и воздухообмен, неправильная замена может привести к аварийному отказу, если потребуется устранить неисправность, превышающую их номинальные значения. 4. Уровень защиты от короткого замыкания — защита стартера. При неисправностях в цепи ответвления двигателя пускатели подвергаются очень быстрому нагреву контактов и перегрузке элементов, что может привести к повреждению устройства менее чем за 1 цикл. Кроме того, электромагнитные воздействия, вызванные высокими токами короткого замыкания, могут вызвать значительное искрение повреждения внутри пускателя из-за разъединения контактов во время неисправности.
Все крупные производители стартеров сертифицировали свою традиционную продукцию на уровень защиты типа 2 «без повреждения» при токах короткого замыкания до 100 000 А при использовании предохранителей класса J или класса CC, размеры которых указаны в таблицах выбора. Размеры, рекомендуемые для предохранителей с временной задержкой класса J в таблицах типа 2, как правило, соответствуют требованиям, рассмотренным выше. Более подробную информацию смотрите в [14] и [15]. 5. Другие соображения по координации В дополнение к приведенному выше обсуждению взаимодействия с устройствами, работающими от перегрузки по току, расположенными выше по потоку, рекомендуется обратить внимание на согласование защиты от короткого замыкания с защитой от перегрузки. Предохранители считаются согласованными с реле перегрузки цепи, если они подобраны таким образом, чтобы реле перегрузки устраняло все перегрузки по току вплоть до силы тока заблокированного ротора двигателя включительно.
Это может быть достигнуто, если временная характеристика предохранителя совпадает с характеристикой реле перегрузки при значении тока, примерно на 25% превышающем величину тока заблокированного ротора двигателя (см. рис. 4-2). Требование стандарта UL 248 о том, что предохранители с временной задержкой должны выдерживать напряжение, в пять раз превышающее их номинальную мощность, в течение 10 секунд, упрощает согласование с реле перегрузки с помощью предохранителей AJT. Рисунок 4-2.
Согласование с реле OL. NFPA70E [3] очевидно, что при коротком замыкании в OCPD квалифицированный специалист должен проверить цепь перед повторным включением в соответствии с разделом 130.6 (M). Когда эти устройства согласованы и предохранитель разомкнут, это является верным признаком неисправности. С другой стороны, если устройство защиты от перегрузки разомкнет цепь, ее можно легко восстановить, сбросив перегрузку с соблюдением надлежащих процедур безопасности. 6. Другие соображения по поводу дуговой вспышки, связанные с последующими соображениями по поводу дуговой вспышки. Несмотря на то, что дуговые замыкания в клеммных колодках двигателя случаются нечасто, они приводят к серьезным травмам.
Энергия, подаваемая на дуговое замыкание в клеммной колодке, приводит к быстрому повышению давления. Несмотря на то, что внутреннее давление в двигателе может быть сброшено, наиболее распространенным способом отказа является сдвинувание крышки с коробки, что представляет потенциальную опасность для любого находящегося поблизости работника [16]. Поскольку предохранители классов J и CC пропускают наименьшую электрическую энергию, защита работников значительно повышается, если расчетный ток короткого замыкания дуги превышает пороговый ток предохранителя [7]. Энергия падения может составлять менее 0,5 кал/см2 при отключении двигателя, если рассчитанное значение Iarc превышает порог ограничения тока ответвительного предохранителя.
Например, в случае AJT60 потребляемая энергия будет составлять менее 0,5 кал/см2, если допустимый ток повреждения при отключении превышает 2 Ка. Рекомендации. Оптимизируя выбор предохранителей с временной задержкой AJT класса J или предохранителей с временной задержкой ATDR класса CC с учетом упомянутых выше факторов, можно значительно повысить надежность защиты от короткого замыкания. Для начала воспользуйтесь таблицами выбора предохранителей, приведенными в приложении. Основы выбора предохранителей для трансформаторных цепей При выборе предохранителя для защиты трансформатора необходимо руководствоваться тремя ключевыми критериями: сила тока при полной нагрузке на первичную обмотку (FLA), требования к NEC и пусковой ток намагничивания. Рекомендуется, чтобы предохранитель имел номинал не менее 125% от номинала FLA для обеспечения длительного срока службы. В таблице NEC 430.3(B) приведены два метода защиты: только первичный и первичный и вторичный. Благодаря вторичному предохранителю, защищающему от перегрузок, мощность первичного предохранителя может составлять до 250% от номинала FLA. Использование первичного предохранителя большего размера сводит к минимуму вероятность того, что предохранитель разомкнется из-за пускового тока.
При подаче напряжения на трансформатор сердечник трансформатора может перенасытиться. Это приводит к большому пусковому току, который является наибольшим в течение первого полупериода (приблизительно 0,01 секунды) и постепенно уменьшается в течение следующих нескольких циклов (приблизительно 1 секунда), пока трансформатор не достигнет своего нормального тока намагничивания. Чтобы надежно пропускать этот пусковой ток, компания Mersen рекомендует выбирать предохранители таким образом, чтобы значения временной кривой тока превышали номинальный ток первичной обмотки трансформатора не менее чем в 12 раз за 0,1 секунды и в 25 раз за 0,01 секунды. Для предохранителей AJT и ATDR необходимо использовать вторичную защиту трансформатора. Рекомендуемые первичные и вторичные предохранители для популярных низковольтных 3-фазных трансформаторов приведены в приложении. Для трансформаторов цепи управления с напряжением первичной обмотки менее 2 А предохранитель может выдерживать до 500% в соответствии с 430.72(C)(4). Для напряжения первичной обмотки более 2 А по-прежнему применяются требования 450.3. Для трансформаторов цепи управления меньшего размера компания Mersen рекомендует, чтобы предохранитель первичной обмотки выдерживал силу тока, в 45 раз превышающую силу тока при полной нагрузке в течение 0,01 секунды. Рекомендуемые первичные и вторичные предохранители для популярных трансформаторов схем управления приведены в приложении.
