Koordinace jisticích přístrojů nn
Úvodní článek
Selektivita
01-8
1
4.8.2004, 17:55
Koordinace jisticích přístrojů nn Selektivita V elektrických rozvodech nízkého napětí dávají uživatelé nejvyšší prioritu požadavkům na bezpečnost osob a zařízení a požadavkům na spolehlivost elektrického napájení (plynulou dodávku elektřiny). První požadavek je zajištěn použitím elektrických ochran. Druhý požadavek je plněn vzájemnou koordinací systému jištění. Dosažení spolehlivého a efektivního řešení však vyžaduje, aby uživatel vynaložil určité náklady na provedení technických a provozních analýz. Tyto náklady a výsledky analýz je nutné řídit a optimálně zužitkovat. Díky standardně vysoké výkonnosti řad jističů značek Merlin Gerin a Telemecanique nabízí společnost Schneider Electric řešení, které umožňuje optimalizovat oba výše uvedené požadavky.
Řešení elektrických instalací Hlavní rozváděče nn Spínací přístroje na vysoké proudy Hlavní rozváděč nn je vstupem do elektrické instalace nn. Zkratové proudy jsou vysoké. V této oblasti se proto používají výkonové vzduchové jističe konstruované na velké proudy. Ke zvládnutí poměrů v přívodech a vývodech hlavních rozváděčů nn nabízí Schneider Electric jako standard technické řešení s vysokou výkonností. Vstupní jističe rozváděčů jsou průmyslového typu s velkou vypínací schopností (40 až 150 kA) a jmenovitými proudy od 1000 A až do více než 5000 A. Jističe jsou kategorie B. Mají vysokou hodnotu Icw (40 až 100 kA/1 s) a velkou elektrodynamickou zkratovou odolnost. Jsou vybaveny střadačovým ovládacím mechanismem, což umožňuje řešit záskoky napájecích zdrojů. Plynulost elektrického napájení je zdůrazněna plnou selektivitou: t S předřazenými pojistkami na vn straně napájecích transformátorů. Opětné uvedení instalace pod napětí je po vypnutí nn jističe totiž provozně jednodušší. t Se všemi napájenými vývody. Zde je selektivita obvykle časová.
Hlavní nn rozváděče od 800 do 4000 A Požadavky elektrické instalace: Isc < 100 kA, potřeba zajistit plynulost elektrického napájení. Tyto požadavky nejobvykleji platí v rozvodech v průmyslových závodech (petrochemie a pod.) nebo v terciální sféře (výškové budovy a pod.). Jističe Masterpact NT a NW typu N1, H1 a H2 standardně zajišťují plnou selektivitu s jističi Compact NS až do velikosti 630 A. To je umožněno jejich velmi vysokou tepelnou zkratovou odolnosti (až 85 kA po dobu 1s u jističe NW H2). Tyto rozvody obvykle využívají časové selektivity.
2
01-8
2
4.8.2004, 17:55
Selektivita s ochranami na vn straně transformátoru může být buď logická, nebo může být u jističe Masterpact vhodně nastaven sklon vypínací charakteristiky s velkým zpožděním (inverzně závislé charakteristiky IDMTL). Požadavky elektrické instalace: Isc až do 150 kA, plynulost elektrického napájení je zcela prioritní. Tento typ požadavků na hlavní rozváděče se vyskytuje u rozsáhlých a spojitých výrobních procesů (napájení svářecích linek v automobilovém průmyslu, v ocelárnách atd.). Instalace v této oblasti jsou normálně napájeny z více zdrojů a zkratové proudy na přípojnicích hlavních rozváděčů mohou dosahovat až 150 kA. S tradičními jističi již nelze zajistit dostatečně vysokou úroveň selektivity mezi přívody a vývody rozváděčů. Jakým způsobem lze tedy zkombinovat požadavek na vysokou vypínací schopnost (150 kA při 380/415V) s vysokou zkratovou tepelnou odolností? Masterpact typu H3 vypíná zkraty až do velikosti 150 kA. Díky tepelné zkratové odolnosti 65 kA/1s je přitom standardně zajištěna i úplná selektivita s přiřazenými jističi Compact.
Technologie jističů řady Masterpact společnosti Schneider Electric splňuje požadavky na zajištění selektivity i požadavky na omezování zkratových proudů v napájecí části instalace. Masterpact NW H3 Icu = Ics = 150 kA, Icw = 65 kA 1s Aby bylo možno vypínat zkratové proudy až 150 kA a současně stále zachovávat vysokou úroveň selektivity, vyvinula společnost Schneider Electric novou (patentovanou) techniku vybavování vypínacího mechanismu. Když se objeví vysoký zkratový proud, vzniklé magnetické síly působí na pohyblivý kontakt hlavního obvodu a mají tendenci jej oddálit. Pohyb kontaktu kinematickou vazbou aktivuje západku. Pohyb západky přímo uvolní hřídel s pohyblivými kontakty. K iniciaci vypnutí dojde ještě před zapůsobením elektronického systému vyhodnocujícího zkratový proud. K vypnutí dojde pomocí mechanického systému a zároveň dojde k potvrzení vypínacího povelu elektronickým vypínacím systémem, který zajistí signalizaci na čelním panelu jističe.
Speciální požadavky instalace: kabelová vedení, zvýšený výkon transformátorů a podobně, vyžadující významné omezení zkratových proudů. V těchto případech se použijí omezující jističe Masterpact NT a NW typu L1, které mají schopnost omezovat elektrodynamická zkratová namáhání a současně mají schopnost zajistit časovou selektivitu. Zajištění časové selektivity (jističem Masterpact NW L1) s přiřazeným jističem až do 37 kA je úroveň, kterou nedosahuje žádný jiný omezující jistič.
Excentr aktivující hřídel s kontakty Snímač působení
Kinematická vazba
Jistič NW L1 také využívá tuto techniku
Tradiční jistič Funkční požadavek / Řešení Omezovací schopnost (dimenzování kabelů atd.)
Masterpact NT/NW NT H1
NW H1
NW H2
NW H3
NE
NE
NE
NE
NE
< 65
< 42
< 65
< 100
> 100
NW L1
NT L1
> 100
> 100
neomezující omezující
Selektivita / s předřazeným Selektivita / s přiřazeným Rozměry Vypínací schopnost (kA)
Poznámky: t Rozměry jističe jsou důležitým technicko-ekonomickým hlediskem. t Vypínací schopnost není jedinou podmínkou pro výběr jističe.
t Výhody omezení zkratových proudů jsou vyšší, čím je nižší jmenovitá hodnota výkonového jističe (zajištění zkratové odolnosti kabelů nižších průřezů). Omezující jističe mohou být pro slaběji dimenzovaná zařízení použity i při Isc < 100 kA.
Legenda k použitým symbolům: vynikající velmi dobré dobré průměrné NE: není k dispozici
3
01-8
3
4.8.2004, 17:55
Úsekový a hlavní podružný rozváděč Úsekové a hlavní podružné rozváděče tvoří střední část rozvodu. Vodiče jsou v této úrovni optimálně dimenzovány. Zkratové proudy dosahují až 100 kA. t Prioritou je plynulost napájení. Jisticí přístroje musí být zkoordinovány s předřazenými přístroji (hlavní rozváděče) i přiřazenými přístroji (podružné rozváděče). Plynulost napájení je zajištěna: y úplnou selektivitou mezi jističi u vývodů, kde jsou vysoké požadavky na spolehlivost napájení (důležité vývody), y alespoň částečnou selektivitou u nedůležitých vývodů. Selektivita je převážně „energetická“. t Jističe musí omezovat elektromagnetické a mechanické účinky zkratových proudů: Musí co nejdříve omezit zkratové proudy, aby bylo minimalizováno namáhání kabelů a svorek. Proto musí mít jističe vysokou omezovací schopnost. V oblasti úsekových a hlavních podružných rozváděčů se používají kompaktní jističe (MCCB).
Rotoaktivní vypínání Tato technika omezování vysokých proudů využívá nový typ vypínací energie, kterou je tlak plynů vyvolaný hořením oblouku. V každé pólové jednotce jističe je otočný kontakt, který se v důsledku odpudivých magnetických sil, vzniklých průtokem zkratového proudu, pootočí a vytvoří tak dva v sérii řazené oblouky. Píst a pružinový mechanismus využívající tlakovou energii oblouku způsobí při proudu, který přesáhne určitou mez, reflexní vypnutí zhruba 3ms po rozpojení kontaktů magnetickými silami. Do této meze proudu není tlak plynu dostatečný pro vypnutí jističe, ale impedance hořícího oblouku také omezuje proud. Nad touto mezí je vypnutí extrémně rychlé (1ms), a tak se ještě více omezí zkratový proud. Míra omezení proudu je vyšší, čím je jmenovitá velikost jističe nižší. Tato technika dává jističům Compact NS vynikající omezovací schopnost a tím i zvýšené možnosti zajistit selektivitu. Technika je současně velmi účinná pro snižování tepelného a dynamického namáhání elektrického rozvodu při zkratech. Zkratový proud
Technika vypínání jističů Compact NS Jističe řady Compact NS vyvinula společnost Schneider Electric s cílem zvýšit parametry v oblasti omezování a selektivity. Tyto jističe o velikosti od 100 do 630 A používají revoluční „rotoaktivní" techniku vypínání. t Díky využití tlaku plynů vznikajících při hoření oblouku ve vypínací komoře dochází k dalšímu urychlení vypínání a vzhledem k zavedení energetické selektivity zajišťují jističe Compact NS: y standardně vzájemnou přirozenou selektivitu, která nevyžaduje žádnou speciální jednotku spouští, y úplnou selektivitu až do hodnoty plné vypínací schopnosti jističe, pokud je mezi velikostmi jističů dodržen poměr větší než 2. t Rotoaktivní systém vypínání umožnil, že jsou jističe Compact NS Zhášecí extrémně rychlé a komora omezující. Výsledkem je vynikající schopnost kaskádového řazení jističů. Pohyblivý
Pevný kontakt
Oblouk
Kryt jednotky pólu
kontakt
Oblouk Zhášecí komora
Pevný kontakt
Píst
Zhášecí komora
Princip funkce reflexního vypínání Jednotky spouští Jističe Compact NS lze vybavit termomagnetickými nebo elektronickými jednotkami spouští. Nastavení spouště proti přetížení (LT) zajišťuje proudovou selektivitu. Selektivní zkratová spoušť (ST) má standardně malé časové zpoždění umožňující časovou selektivitu s přiřazenými jističi. Zpoždění se uplatní pro zkratové proudy průměrné velikosti přesahující nastavení zkratové spouště (ST) tohoto jističe. Jednotky spouští jističů Compact NS a Masterpact jsou vyměnitelné, avšak široké spektrum jejich nastavitelnosti (0,4 až 1xIn) umožňuje pružně reagovat s ohledem na zajištění selektivity a ochrany elektrické instalace i při jejím rozšiřování.
„Rotoaktivní“ hlavní kontakt jističe Compact NS
Jednotka spouští STR53UE pro Compact NS400/630
4
01-8
4
4.8.2004, 17:55
Výhody Tyto techniky vypínání nabízejí technické výhody v podobě vysoké selektivity a omezovací schopnosti, které se přímo promítnou i do výhod ekonomických. t Omezovací schopnost a selektivita: konec jednoho rozporu Při využití energetické selektivity omezuje vypínající přiřazený jistič proud na hodnotu, která je významně nižší než hodnota vypínacího proudu předřazeného jističe. Přiřazený jistič Compact NS je přirozeně selektivní s předřazeným Compactem NS. Při průtoku proudu dojde i u předřazeného jističe k malému oddálení kontaktů, zapálení oblouku a vzniku obloukového napětí. Toto napětí se přičte k obloukovému napětí vytvořenému přiřazeným jističem a pomáhá tak přerušit poruchový proud. Vypínací schopnost přiřazeného jističe je posílena kaskádováním. Proto v případě jističů Compact NS mohou být obvykle rozporné funkce - selektivita a kaskádování - využity současně. Tím se sníží investiční náklady na instalaci (možnost volby jističů s nižší vypínací schopností, optimální dimenzování silových vodičů atd.) a provozní náklady (přirozená selektivita jističů Compact NS apod.). t Pravidla přirozené selektivity mezi jističi Compact NS Nová technika vypínání umožňuje standardizovat pravidla selektivity mezi jističi: y spouště proti přetížení (LT). Proudová selektivita mezi jističi Compact NS je zajištěna, pokud je poměr nastavení LT spouští větší než 1,6 a poměr nastavení ST spouští větší než 1,5. y zkratové spouště. Časová selektivita je použitelná až do reflexního vypnutí předřazeného jističe. Dále funguje energetická selektivita, za podmínky, že jmenovitá hodnota předřazeného jističe Compact NS je více než 2 krát větší než-li přiřazený jistič Compact NS.
Podružné rozváděče konečné spotřeby
Energetická selektivita s jističi Compact NS Tento typ selektivity, který je v jističích Compact akcentován, doplňuje konvenční metody časové a proudové selektivity. Vynikající omezovací schopnost a reflexní vypínání umožňují přirozené stupňovité řazení vypínacích (D2) a nevypínacích (D1) energetických charakteristik. Když jističe D1 a D2 detekují velmi vysoký proud, jejich kontakty se současně pootevřou a omezují proud (křivka RC). Energie při hoření oblouku je: t z hlediska D2 dost vysoká pro trvalé vypnutí t pro D1 omezená, nedostatečná způsobit vypnutí D1
I2 t D2
D ND D1 RC D
Icu2 Proudová selektivita
D ND RC
Časová selektivita
Icu1
Energetická selektivita
vypínací charakteristika nevypínací charakteristika charakteristika oddalování kontaktů
Pravidlo: Kombinace jističů Compact NS je selektivní, pokud je poměr velikosti jističů větší než 2.
Technika omezování proudu Multi 9 i
Jisticí přístroje jsou umístěny přímo v přívodech spotřebičů. Musí být zajištěna selektivita těchto jističů s předřazenými jističi. V této úrovni jsou typické malé zkratové proudy (několik kA). Tato oblast instalace je doménou použití modulárních jističů. Technologie modulárních jističů Multi 9 zajišťuje optimální ochranu: jmenovité proudy od 0,5 do 125 A, vypínací schopnost až 50 kA podle normy IEC 60947-2, vypínací charakteristiky B, C, D, MA atd. Jističe Multi 9 jsou ideální pro jištění v domácnostech nebo pro jištění pomocných obvodů. V těchto případech odpovídají normě IEC 60898 (ČSN EN 60898). Na druhé straně, jsou-li požadovány pro jištění průmyslových rozvodů, musí vyhovovat normě IEC 60947-2 (ČSN EN 60947-2).
D2
Fm
i
i
Omezování je částečně závislé na funkci magnetického úderníku. Po vybavení magnetický úderník narazí do pohyblivého kontaktu a vyvolá jeho okamžitý a rychlý pohyb. Tím rychle a velmi brzy naroste obloukové napětí. U modulárních jističů s malým jmenovitým proudem významně přispívá k omezení i vnitřní impedance mezi přívodem a vývodem pólu. Omezovací schopnost jističů Multi 9 zajišťuje úplnou selektivitu s předřazenými jističi Compact NS.
5
01-8
5
4.8.2004, 17:55
Bezpečnost a spolehlivost elektrického napájení Provozovatelé elektrických instalací velmi dobře znají tyto pojmy, které jsou synonymem pro kvalitu a hospodárnost provozování rozvodu. Pro dosažení těchto cílů je klíčová vzájemná koordinace jisticích přístrojů. Jističe značek Merlin Gerin a Telemecanique, nabízené společností Schneider Electric v řadách od 1 A do 6300 A, díky moderním technologiím zajišťují optimální systém ochran, který lze přizpůsobit každé situaci. Jedná se zejména o: Druh rozváděčů
Hlavní rozváděče
t Vynikající omezovací schopnost jističů Masterpact a Compact NS, které se uplatní v rozvodech, kde je potřeba redukovat namáhání vznikající při poruchách. t Standardně plnou selektivitu mezi jističi různých řad. t Selektivitu, které je zvýšena kaskádováním jističů. Řada jističů Compact NS ukončila vzájemnou neslučitelnost těchto dvou vlastností. Níže uvedená tabulka sumarizuje hlavní vlastnosti přístrojů tvořících systém jištění Schneider Electric.
Úsekové nebo hlavní podružné rozváděče
Podružné rozváděče konečné spotřeby
Tech. parametry rozváděčů Jmenovitý proud
1000 až 6300 A
100 až 1000 A
1 až 100 A
Isc (Ik)
50 kA až 150 kA
20 kA až 100 kA
3 kA až 10 kA
Tepelná a dynamická odolnost Plynulost napájení Použité jističe
Výkonový vzduchový nebo Kompaktní jistič (MCCB) kompaktní (MCCB)
Modulární jistič
Parametry jističů (1)
Norma pro jističe
(1)
(2)
IEC 60947-2 Typ jednotky spouští termomagnetická
(2)
elektronická Jmenovité hodnoty obvyklý In Icu
800 až 6300 A
100 až 630 A
1 až 125 A
50 kA až 150 kA
25 kA až 150 kA
3 kA až 25 kA
Druh selektivity časová/proudová energetická logická Omezovací schopnost
až
důležité nebo povinné možné nepříliš důležité (1)
povinné
(2)
při použití v domácnostech musí být vzata do úvahy norma IEC 60898 (ČSN EN 60898)
6
01-8
6
4.8.2004, 17:55
Selektivita Selektivita je taková koordinace pracovních charakteristik jističů zapojených v sérii, při které v případě vzniku poruchy vypne pouze jistič umístěný nejblíže nad místem poruchy, avšak další jističe nepůsobí.
Selektivita může být: t Úplná, zajištěná pro všechny hodnoty zkratového proudu t Částečná, zajištěná pouze do určité hodnoty poruchového nebo zkratového proudu
Klíčové body
Způsoby zajištění selektivity Proudová selektivita Tento druh selektivity se dosahuje stupňováním vypínacích charakteristik na přetížení (LT) nebo charakteristik s malým zpožděním (ST) dvou za sebou zapojených jističů.
Energetická selektivita Nad oblastí působení selektivní zkratové spouště předřazeného jističe (Isd1) může být vzájemná selektivita jističů stanovena pouze porovnáním charakteristik propuštěné energie.
t
t
D2
D1
D2
D1
D1
D2
Icu D2 Ir2 I Ir2
Ir1
Isd2
I2 t
Isd1
Proudová selektivita D1
Isd1 Časová selektivita
Is
I
D2
Časová selektivita Dosahuje se časovým zpožděním ∆t selektivní zkratové spouště (ST) jističe D1. t
D2
D ND
D1 D1
D2
Ir2
D ND
Isd1
Is
I
křivka vypínací energie křivka nevypínací energie
t Id Ir2
Ir1
Isd2
Isd1
Ii1
Časová selektivita je rozšířením proudové selektivity. Zlepšení proudové nebo časové selektivity Je-li jako přiřazený použit omezující jistič, dosahuje se vyšší úrovně selektivity mezi dvěma jističi posunutím mezního selektivního proudu Is. neomezující jistič
Ic Id
omezující jistič
ILd
Id
Isc (D2)
Všeobecná pravidla selektivity Takováto pravidla neexistují. Pravidla selektivity pro jističe Schneider Electric Masterpact Úplná selektivita s přiřazenými jističi Compact NS (*) Compact NS Úplná selektivita, je-li poměr velikostí jističů (*) větší než 2. (*) Je nutno dodržet odstup charakteristik spouště na přetížení (LT) a zkratové spouště (ST). ➀ Přesné hodnoty naleznete v tabulkách selektivity a kaskádování na extranetu www.design.schneider-electric.cz. Tabulky uvádějí selektivní kombinace mezi vzduchovými, kompaktními a modulárními jističi a to včetně motorových spouštěčů.
7
01-8
7
4.8.2004, 17:55
Omezování proudů a kaskádování
Klíčové body
Omezování proudů Tato technika je založena na vytvoření zpětné elektromotorické síly (zems), která působí proti průtoku zkratového proudu. Touto zems je napětí na rezistanci oblouku, který vzniká mezi kontakty jističe po jejich oddálení. Rychlost vzniku obloukového napětí závisí na rychlosti rozepnutí kontaktů. Omezovací schopnost se zvyšuje: t Zkrácením doby vybavení jističe t Zvýšením rychlosti vytvoření zpětné elektromotorické síly t Pokud je maximální hodnota zpětné elektromotorické síly větší než maximální napětí zdroje Kaskádování Kaskádování je způsob koordinace charakteristik jističů používaný při projektování rozvodů pro posílení vypínací schopnosti přiřazených jističů. Při kaskádování pomáhá předřazený jistič vypínat zkratový proud. Jističe Compact NS snižují energii předpokládaného zkratového proudu 150 kA z 2,28x108 na 0,36x106, tj. redukují tepelné namáhání faktorem 660.
Požadavky zákazníků a normy pro jističe Požadavky zákazníků na jisticí přístroje Požadavky zákazníků jsou různé pro jednotlivé úrovně instalace. t V oblasti napájecích přívodů je prioritou spolehlivost dodávky elektřiny. t V oblasti hlavních podružných rozváděčů je důležité omezovat namáhání, kterému je instalace vystavena při poruchách. t Na podružných rozváděčích konečné spotřeby je hlavním požadavkem bezpečnost. Vlastnosti jisticích přístrojů, tj. konstrukce, druh selektivity, omezování proudů, použité normy atd., se podle těchto požadavků mění.
Koordinace jisticích přístrojů nn Selektivita a kaskádování 1. část
Id Vrcholová hodnota nesymetrického zkratového proudu Isc IL t UA Em
ts t1 t2
Selektivita nebo kaskádování Při řešení podružných rozváděčů bylo z ekonomického hlediska vždy středem pozornosti, že se zajištění selektivity jištění neslučuje s kaskádováním jisticích přístrojů. Při kaskádování s tradičními jističi se dosahuje zvýšení vypínací schopnosti vypnutím předřazeného jističe. To ale znamená, že při poruše za přiřazeným jističem dochází k neselektivnímu vypnutí velké části instalace. Až nasazení jističů Compact NS umožnilo zvládnout tento rozpor. Předřazený jistič (Compact NS, Masterpact NT/NW) omezí zkratový proud, avšak nevypíná. Porucha je vypnuta pouze přiřazeným jističem (jistič v místě poruchy).
hlavní rozváděč
Odborné příručky naleznete na extranetu www.design.schneiderelectric.cz
1000 kVA
20 kV/400 V 1000 kVA
1000 kVA
úsekový rozváděč (průmyslový, obchodní)
rozvod v dílně 1
důležité napájení
nedůležité napájení
Normy pro jističe Norma IEC 60947-2 (ČSN EN 60947-2) je jednou z předmětových norem, které definují požadavky na jisticí a spínací přístroje nízkého napětí. Norma platí pro jističe a jejich spouště a udává hlavní technické parametry. Norma IEC 60947-2 stanovuje a definuje způsoby vzájemné koordinace jističů – kaskádování a selektivitu. Požaduje, aby byla koordinace v kritických bodech ověřena zkouškami. Z toho plyne, že vzájemnou koordinaci jističů může garantovat pouze jejich výrobce, který uvede výsledky zkoušek v tabulkách. Vzájemná koordinace jističů je uváděna a doporučována ve většině národních norem pro instalace.
Tabulky Selektivity a kaskádování 2. část
t
hlavní podružný rozváděč
napájení spotřebičů podružný rozváděč
rozvodnice
osvětlení, vytápění, atd. (správa a napájení budov)
Schneider Electric CZ, s. r. o.
Praha – Thámova 13 – 186 00 Praha 8 Tel.: 281 088 111 – Fax: 224 810 849 Brno – Mlýnská 70 – 602 00 Brno Tel.: 543 425 555 – Fax: 543 425 554 www.schneider-electric.cz Technická podpora Tel.: 382 766 333 – e-mail:
[email protected]
S394
01-8
08-2004
8
4.8.2004, 17:55
