Расчет ожидаемого тока короткого замыкания. Выбор автоматического выключателя сети.

В данной статье будем вести речь от электрических сетях, употребляя термин «цепь», будем иметь ввиду цепи электропитания, состоящие из осветительных ламп, розеток, выключателей и других приборов.

Что такое ожидаемый ток кроткого замыкания?

Ожидаемый ток короткого замыкания или PSCC — это максимальный ток, который может протекать через закороченную электрическую цепь. Как и любой ток, он описывается всем известным законом Ома. Таким образом, значение ожидаемого тока короткого замыкания определяется напряжением в цепи и ее полным сопротивлением.

Зачем знать ожидаемый ток короткого замыкания?

Чтобы выбрать такие устройства, как автоматические выключатели и предохранители, которые будут эффективно защищать электроустановку, вам необходимо знать значение ожидаемого тока короткого замыкания.

Защитные устройства, используемые в цепи, должны выдерживать ожидаемый ток КЗ, чтобы обеспечить надежную защиту. Если отключающая способность защитного устройства слишком низка, то большой ожидаемый ток КЗ может разрушить его или вызвать возникновение электрической дуги (рис. 1). В любом случае защитное устройство может работать неправильно, и могут возникнуть опасные ситуации.

Рисунок 1.Вот что может случиться с автоматическим выключателем, если он не может выдержать ток короткого замыкания

А что насчет тока отключения?

Отключающая способность автоматического выключателя – это не то же самое, что его номинальный ток (ток срабатывания). Последний представляет собой максимальный ток, который автоматический выключатель «считает» безопасным и не отключит защищаемую цепь. С другой стороны, отключающая способность — это максимальный ток, который автомат может выдержать, сохранив дальнейшую работоспособность.

Рисунок 2. Отключающая способность и класс токоограничения

Рисунок 3. Характеристика срабатывания и номинальный ток

 Например, миниатюрный автоматический выключатель (MCB) SN201 L C32-L от компании ABB имеет номинальный ток срабатывания (In ) 32 А и отключающую способность (Icn ) 4,5 кА (при 230/400 В переменного тока).

В автоматических выключателях реализовано два вида защиты: тепловая (от перегрузки) и электромагнитную (от короткого замыкания).

Тепловая защита срабатывает, если ток протекающий через выключатель (который зависит от сопротивления нагрузки) превышает номинальный ток срабатывания. Для рассматриваемого автомата это 32 ампера. Время, за которое устройство отключается, зависит от того на сколько реальный ток через автомат больше номинального тока срабатывания. Это время составляет от нескольких минут до секунд.

Электромагнитная защита разорвет цепь при коротком замыкании. Время срабатывания автоматического выключателя в случае короткого замыкания обычно не превышает 0,4 секунды.

Величина тока короткого замыкания зависит от мощности источника питания и сопротивления проводников цепи. Этот ток достигает больших величин, действует в цепи до момента срабатывания автоматического выключателя и может вывести его из строя. Значением именно этого ожидаемого в случае короткого замыкания тока и характеризуется отключающая способность автомата. Типовыми значениями отключающей способности современных автоматических выключателей являются значения 4,5 кА, 6 кА, 10 кА.

Поэтому для правильного выбора автомата (отключающей способности) необходимо измерять ожидаемый ток короткого замыкания цепи.

Измерение ожидаемого тока короткого замыкания

Ожидаемый ток короткого замыкания электроустановки измеряется с помощью измерителя параметров петли короткого замыкания (PSC-тестера). Это простой в использовании прибор, который рассчитывает значение ожидаемого тока короткого замыкания в цепи в амперах (А) и килоамперах (кА).

Хотя нажатия кнопки «Тест» обычно достаточно для получения значения, правильное подключение прибора к системе требует знания того, что вы пытаетесь измерить.

Обычно проверка ожидаемого тока короткого замыкания проводится на распределительном щите между фазой (P) и нейтралью (N).

В случае использования в розетке формованного тестового кабеля, поставляемого в комплекте с тестером, испытание проводится между проводниками фазы и защитного заземления (PE).

Что делает тестер PSC?

Тестер PSC сначала измеряет напряжение холостого хода на клеммах U_S, (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Измерение напряжения в разомкнутом контуре

Рисунок 5. Измерение тока короткого замыкания в замкнутом контуре I_SC

Затем он на короткое время прикладывает небольшую нагрузку, чтобы через цепь протекал испытательный ток известной величины I_T (рисунок 6).

Рисунок 6. Тестер PSC подает испытательный ток известной величины для расчета импеданса цепи

При протекании испытательного тока прибор снова измеряет напряжение U на клеммах. Из-за сопротивления (Z_LN) цепи напряжение U будет немного ниже, чем напряжения холостого хода U_S. Это сопротивление выражается как:

Z_LN = (U_S - U) / I_T [Ом]

Предполагая, что сопротивление Z_LN является постоянным, тестер рассчитывает ожидаемый ток короткого замыкания (PSCC).

Величина испытательного тока зависит от выбранного диапазона измерений и варьируется от 2 А до 25 А и более. Продолжительность измерения также зависит от диапазона и обычно составляет порядка нескольких десятков миллисекунд.

Что такое циклическое тестирование?

Тестеры PSC также могут измерять полное сопротивление контура замыкания на землю Z_S или Z_PE или ожидаемый ток короткого замыкания на землю PFC (также известный как PEFC).

Это соответствует полному сопротивлению цепи между фазой P и землей PE в случае короткого замыкания между ними (рисунок 7).

Рисунок 7. Расчет предполагаемого полного сопротивления замыкания на землю ZS (или ZPE ) или тока замыкания на землю PEFC.

Низкое сопротивление между фазой и землей приведет к высокому значению тока при коротком замыкании, что приведет к быстрому срабатыванию защитного устройства. При этом существует небольшая разность потенциалов между проводником PE на щите и землей в розетке.

При измерении в розетке полного сопротивления контура замыкания на землю оно обозначается Z_S. Когда оно измеряется в точке входа на объект (в распределительном щите), оно обозначается Z_PE.

Это сопротивление выражается так:

Z_S = Z_PE + R_L + R_PE [ Ом ]

где R_L и R_PE - соответствующее сопротивление проводников фазного провода (P) и провода земли PE между точкой входа на щите и розеткой.

Обратите внимание, что если в измеряемой цепи стоит устройство защитного отключения (УЗО), то даже при небольшом испытательном токе оно может сработать. Чтобы этого не произошло, вы можете временно отключить УЗО (не забудьте после этого восстановить его соединения!).

Расчёт сопротивления цепи фаза-земля

Сопротивление контура замыкания на землю (PEFC) измеряется так же, как и ожидаемый ток короткого замыкания (PSCC), но, опять же, в зависимости от выбранного диапазона испытательный ток может быть намного меньшим (до десятков миллиампер). Кроме того, проводите измерения между фазой и заземляющим проводом, а не между фазой и нейтралью. PEFC получается путем вычисления U_S/ Z_LPE.

Примечания

В зависимости от подключения может случиться так, что значения PSCC и PEFC будут различаться. В этом случае используйте наибольшее из двух значений для определения автоматического выключателя.