3.6 Плавкие предохранители
Плавкие предохранители являются аппаратами защиты одноразового действия. Независимо от конструктивного оформления предохранителей принцип, положенный в основу их конструкций, остается неизменным и заключается в следующем. В защищаемую цепь в соответствующей арматуре устанавливается короткий проводник ослабленного сечения (плавкая вставка), рассчитанный таким образом, что при токе, превышающем заданное значение, от перегревается, плавится и разрывает цепь. Время плавления плавкой вставки зависит от величины протекающего по ней тока, от ее материала, в некоторой степени от конструктивного оформления предохранителя и температуры окружающей среды. Основной характеристикой плавкого предохранителя, как и всякого другого аппарата защиты, является ампер-секундная характеристика (рис. 3.5.а). Для плавких предохранителей всей серий Iкр=(1.2-1,7)Iн. Это обеспечивает надежную работу предохранителей при номинальных токах и в значительной мере снижает вероятность ложного срабатывания из-за процессов «старения» материала плавких вставок.
В настоящее время в сетях летательных аппаратов применяются плавкие предохранители серий ПВ, СП, ПМ, ТП, ИП и ПИ.
Плавкие вставки серии ПВ изготовляются на номинальные токи от 2 до 100а, при этом на токи до 40а вставки выпускаются в закрытом исполнении, а свыше 40а — в открытом. Плавкая вставка закрытого исполнения (рис. 3.6.а ) состоит из стеклянной трубки, двух латунных колпачков 2 с контактными ножками и плавкого элемента 3 из калиброванной серебряной проволоки. Плавкая вставка открытого исполнения (рис. 3.6.б) состоит из текстолитовой планки 5, двух контактных ножей из латуни и серебряной калиброванной нити 4 припаянной к контактным ножам. Устанавливаются плавкие вставки в блоки защиты, которые состоят из пластмассовых оснований и зажимов.
Рис.3.6. Конструкция предохранителей серий ПВ, СП, ТП и ПМ
Стекланноплавкие предохранители серии СП (рис. 3.6. в) выпускаются на номинальные токи от I до 40а. Их конструкция подобна конструкции предохранителей серии ПВ. Плавкая вставка у СП изготовляется до 5 а из калиброванной медной проволоки, от 5 до 10а — из калиброванной серебряной проволоки и от 15 до 40а — изготовляется в виде цинковых пластинок с ослабленным в середине сечением.
Предохранители серий ПВ и СП относятся к малоинерционным аппаратам защиты.
Плавкие предохранители серии ПМ (рис. 3.6,д) выполняются на номинальные токи от 2 до 150а. Плавкая вставка у ПМ изготовляется от 2 до 7,5а из серебряной проволоки, от 10 до 15а — из латуни, и от 20 до 150а изготовляется из меди. При перегорании плавкой вставки 2, мгновенно перегорает высокоомная нить 3 и пружина 4 выталкивает «глазок». 5 вверх. Плавкая вставка помещена в теплостойкий корпус 1. Эти предохранители имеют большую температуру нагрева при номинальном токе вследствие большого (по сравнению с другими) внутреннего сопротивления плавкой вставки. В нормальных условиях tнагр. вставки равна 70°С, т.е. предохранители целесообразно попользовать с теплостойкими проводами типа ИТЛ. Предохранители ПМ работают нормально при температуре окружающей среды до +150°С и имеют меньшую температурную зависимость, чем СП и ПВ. На рис. 3.7. приведены ампер-секундные характеристики предохранителей серий СП и ПВ. Как видно, предохранители ПМ имеют сравнительно лучшие характеристики в области больших токов, где у предохранителей СП характеристики почти горизонтальны. Характеристики предохранителей ПМ ближе к характеристикам биметаллических автоматов зашиты, т.е. с помощью ПМ| селективность действия защиты обеспечить легче, по сравнению с другими плавкими предохранителями.
Тугоплавкие предохранители серии ТП (см. рис. 3.6.г)изготавливаются на номинальные токи 200, 400, 600 и 900а в закрытом исполнении. Используются обычно для защиты фидеров генераторов; аккумуляторов и участков питательных (магистральных) сетей. Плавкая вставка изготовляется в виде штампованной медной полосы с ослабленным сечением, изолированной асбоцементным покрытием. Газы, выделяющиеся из асбоцемента, способствуют улучшению процесса гашения дуги, возникающей при срабатывании предохранителя. Предохранители ТЦ малоинерционные.
Рис. 3.7 Ампер-секундные характеристики предохранителей серии ПМ и СП
Инерционно-плавкие предохранители серии ИП и ПИ обладают значительной инерционностью действия и предназначаются для защита электрических цепей от коротких замыканий и от небольших, но длительных перегрузок. Предохранители серии ИП (см. рис. 3.8. а) рассчитаны на номинальные токи от 5 до 250а, выпускаются в закрытом исполнении.
Рис. 3.8. Инерционно-плавкие предохранители
а) типа ИП б) типа ПИ
Плавкий элемент предохранителей ИП состоит из двух частей; латунной полосы 6 и припоя 7. При больших перегрузках и токах короткого замыкания перегорает латунная полоска 6, при небольших, но длительных перегрузках инерционный элемент в виде медной пластины 8 нагревается. По достижении определенной температуры припой 7, удерживающий скобу 10, размягчается, скоба оттягивается пружиной 11 и цепь разрывается.
У предохранителя серии ПИ (рис. 2.4, Б ) при нагреве вставки 1 до определенной температуры припой 2 размягчается свободный конец спиральной пружины 3 выталкивает его и цепь размыкается. Инерционные предохранители в значительной мере удовлетворяют требованиям избирательности, инерционности и чувствительности защиты к небольшим перегрузкам.
5. Виды плавких предохранителей до 1кВ
Плавкие предохранители применяются для защиты сетей и электроприемников от токов короткого замыкания. Плавкие вставки предохранителей выдерживают токи на 30-50% выше номинальных в течении 1 часа и больше, 60-100% менее 1 часа. Если в течении этого времени нагрузочные токи уменьшаться до номинальных, плавкая вставка останется целой.
Плавкие предохранители делят на инерционные – со значительной тепловой инерцией, способные выдерживать значительные временные перегрузки, безинерционные – с малой тепловой инерцией, с ограниченной способностью к перегрузкам. К инерционным относят предохранители установочные с предохранительной резьбой и свинцовым токопроводящим мостиком. К безинерционным относят трубчатые с медным токопроводящим мостиком и предохранители со штампованными вставками открытого типа.
По конструкции предохранители делят на две группы – с наполнителем, наполненные мелким кварцевым песком типа ПН2, НПН2, ПП17, ПП18 и без наполнителя ПР2.
Типы некоторых предохранителей: ПР – предохранитель разборный; НПН – насыпной предохранитель, неразборный; ПН2 – предохранитель насыпной, разборный. Технические данные предохранителей НПН и ПН2 приведены в таблице 4.1.
Условия выбора плавких предохранителей.
Номинальный ток плавкой вставки безинерционного предохранителя выбирается из условия длительного протекания расчетного тока линии по (4.1)
.
где — длительный расчетный ток.
Номинальный ток инерционного предохранителя должен соответствоать кратности допустимого тока.
Для обеспечения нормальной работы сетей и электроприемников плавкие предохраниели отстраивают от кратковременных токов перегрузки .
В качестве кратковременных токов одиночных приемников принимаются пусковые токи, а для групп приемников пиковые токи.
где для группы приемников,
для одиночного приемника
— коэффициент снижения пускового тока электроприемника, при легком пуске =2,5, при тяжелом пуске=1,6 при среднем=2,0.
Легкий пуск имеют приемники с однородным графиком потребления – это электродвигатели вентиляторов, насосов, компрессоров. К среднему пуску можно отнести приводы металлообрабатыващих станков. Тяжелый пуск характерен для ЭП включаемых под нагрузкой, например, двигатели крановых механизмов, прокатное оборудование.
Пиковый ток группы приемников рассчитывается
где — пусковой ток приемника, создающего максимальный ток в группе, А
— расчетный ток группы, А
— номинальный ток указанного приемника, А
— коэффициент использования этого приемника.
Пусковой ток приемника рассчитывается
где КПУС– кратность пускового тока.
Защита, выполняемая аппаратами, в том числе плавкими предохранителями, должна быть селективной. Что достигается выбором плавких вставок на отдельных участках возрастающими в сторону узла питания. При этом ток предохранителя высшей ступени больше на два порядка низшей ступени.
Чтобы обеспечить избирательность защиты необходимо подобрать плавкие вставки на двух смежных участках линии так, чтобы произошло отключение только необходимой линии.
Предохранители нетрадиционного исполнения
Помимо предохранителей традиционного исполнения (плавких) в особую группу можно выделить предохранители инерционного типа, электродинамические предохранители, управляемые предохранители, взрывные предохранители, жидкометаллические самовосстанавливающиеся предохранители.
Инерционные предохранители. Если электродвигатель защищать тепловым реле, то он будет срабатывать при пусковых токах, так как пограничный ток теплового реле будет близок к номинальному току электродвигателя. Если для защиты электродвигателя применить плавкий предохранитель, то он даст возможность осуществлять пуск, но пограничный ток предохранитель намного больше номинального тока электродвигателя и он не будет осуществлять защиту при перегрузках.
Для защиты электродвигателей с легким пуском возможно применение инерционных предохранителей, которые могут осуществить защиту от перегрузок и коротких замыканий и заменить два защитных аппарата — предохранитель
Рис. 20.4. Инерционный предохранитель:
1 — плавкая вставка; 2 — наполнитель; 3 — нагревательный элемент; 4 — пластина; 5 — контактная колодка; 6 — пружина для защиты от коротких замыканий и тепловое реле, встраиваемое в магнитный пускатель 12.10J. Инерционный предохранитель приведен на рис. 20.4.
При токе перегрузки повышается температура нагревательного элемента 3 и теплота от него передается через пластину 4 легкоплавкому спаю с контактной колодкой 5. При расплавлении спая пружина 6 отрывает колодку, что обеспечивает размыкание цепи. При токах короткого замыкания легкоплавкий спай не успевает расплавиться, а расплавляется плавкая вставка /. Гашение дуги происходит в наполнителе 2.
Защитная характеристика инерционного предохранителя, приведенная на рис. 20.5 (кривая 2), совмещает защитную характеристику теплового реле (кривая 1) и обычного предохранителя (кривая 3).
Электродинамические предохранители [2.11]. Содержат полый корпус 1 (рис. 20.6), внутри которого размещена плавкая вставка, выполненная из отдельных параллельно включенных плавких элементов 6 и 7. В середине корпуса помещен ножевидный элемент 9, имеющий режущие кромки 8. Корпус закрыт двумя крышками 2 и 3, через которые проходят выводы 4 и 5. Элементы 6 и 7 плавкой вставки соединены с выводами 4 и 5. Внутри корпуса / размещен ножевидный элемент 9 с режущими кромками 8. Этот нож охватывается параллельными плавкими элементами 6 и 7.
При токе КЗ плавкие элементы притягиваются друг к другу под действием электродинамических сил F и, встречая режущие кромки ножа, разрезаются ими. Одновременно ток КЗ нагревает плавкие элементы, вызывая их расплавление. В предохранителе действуют одновременно два явления — плавления плавких элементов током КЗ и их разрезание под действием электродинамических сил. Быстродействие такого предохранителя повышается.
Управляемый предохранитель. На базе предохранителя ПН2 выполнен управляе
Рис. 20.5. Защита электродвигателя инерционным предохранителем:
/ — защитная характеристика теплового реле; 2 — защитная характеристика инерционного предохранителя (участок а — б обеспечивается легкоплавким спаем, б — в — плавкой вставкой); 3 — защитная характеристика предохранителя
Рис. 20.6. Электродинамический плавкий предохранитель:
1 — корпус; 2, 3 — крышки; 4, 5 — вывод; 6, 7 — элементы плавкой вставки; 8 — режущие кромки; 9 — ножевидный элемент мый предохранитель [2.121, состоящий из ленточной плавкой вставки 1 (рис. 20.7), концы которой зажимаются между выводами 2 и стальной пластиной 3, выполняющей роль ножа. Плавкая вставка проходит через прорезь во втулке 4, которая соединена с механическим приводом. Для обеспечения герметизации и предотвращения попадания частиц кварцевого песка 5 в зазор между втулкой 4 и корпусом 6 предусмотрены уплотнения 7.
Рис. 20.7. Управляемый предохранитель на базе ПН2:
/ — плавкая вставка; 2 — вывод; 3 — пластина; 4 — втулка; 5 — наполнитель; 6 — корпус;
При токе перегрузки в защищаемой цепи срабатывает устройство релейной защиты и приводит в действие привод. Связанная с ним втулка 4 поворачивается, натягивает плавкую вставку /. Режущие ножи врезаются в плавкую вставку и разрезают ее. Возникающая дуга гасится в среде кварцевого наполнителя 5. Такой предохранитель расширяет зону защиты от перегрузок до КЗ.
Предохранитель-выключатель. Позволяет расширить функциональные возможности предохранителя, а также изменить его защитную характеристику [2.131. Предохранитель-выключатель (рис. 20.8) состоит из изоляционного корпуса (патрона) 11, токоведущих пластин 5 и 9, являющихся одновременно выводами, верхней 3 и нижней 10 крышек. Внутри корпуса расположен подвижный изоляционный шток 12, с сегментным цоколем 4 и кольцевым цоколем 8. На наружной поверхности штока 12 расположены плавкие элементы различного сечения (в зависимости от номинального тока) 7с участками ослабленного сечения.
Рис. 20.8. Предохранитель-выключатель:
1 — пружина; 2 — тяга; 3, 10 — крышка; 4 — сегментный цоколь; 5, 9 — вывод; 6 — нож; 7— плавкая вставка; 8— кольцевой цоколь; 11 — корпус (патрон); 12— шток
Каждая пара плавких элементов расположена в диаметрально противоположных пазах и соединена с сегментами 4 сегментного цоколя. Для изменения защитной характеристики шток вытягивается и поворачивается на 90 или 60° в зависимости от количества пар плавких элементов. Шток 12 соединяется с приводным устройством, управляемым от релейной защиты тягой 2.
Для ускорения срабатывания при КЗ в радиальных пазах штока 12 установлены ножи 6 с режущими кромками на уровне участков ослабленного сечения. Под действием пружины 1 пара плавких элементов 7 перемыкает токоведущие пластины 5 и 9.
При токе КЗ отключение электрической цепи осуществляется за счет расплавления плавких вставок 9. Электродинамические силы в параллельных плавких элементах притягивают элементы друг к другу. При наличии режущих ножей 6 разрушение плавких элементов ускоряется.
При появлении тока перегрузки, недостаточного для расплавления плавких элементов, по сигналу от релейной защиты срабатывает приводное устройство, воздействующее на тягу 2 и вытягивающее изоляционный дугостойкий шток 12 с плавкими элементами из токоведущих пластин 5 и 9. Возникающая при этом электрическая дуга гасится за счет двойного разрыва электрической цепи или за счет применения дугогасительных устройств.
Повторное включение устройства осуществляется под действием пружины 1 после снятия запрета на включение.
Взрывные предохранители. Сменная вставка в них разрушается под действием взрыва взрывного устройства, расположенного внутри разрушаемой вставки. На рис. 20.9 показана конструктивная схема взрывного предохранителя. В прочном корпусе 8, закрытом крышками 6и 9, соединенными с выводами 1 и 4 располага-
Рис. 20.9. Конструктивная схема взрывного предохранителя:
1,4— вывод; 2, 5 — трансформаторное масло; 3 — взрывное устройство; 6, 9 — крышка; 7— разрушаемая вставка; 8— корпус; 10— кабель
ется разрушаемая полая вставка 7. Внутри корпуса 8 и разрушаемой вставки 7 залито трансформаторное масло 2 и 5. Внутри вставки 7 также размешено взрывное устройство 3, сигнал на срабатывание которого подается по кабелю 10 от конденсаторной батареи. Вставка 7 имеет с наружной поверхности осевые и радиальные проточки, которые создают места ослабленного сечения.
Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_4
Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Преимущественно предохранители используются для защиты от токов короткого замыкания, а для защиты от токов перегрузки в большинстве случаев предпочтение отдается тепловым реле и автомати- ческим выключателям. Основной элемент предохранителя – плавкая вставка постоянного или переменного сечения, которая при токах срабатывания сгорает (плавится с последующим возникновением и гашением электрической дуги), отключая электрическую цепь. По конструктивному исполнению предохранители условно можно разделить на открытые (вставка не защищена патроном или размещена в трубке, открытой с торцов), закрытые (вставка расположена в закрытом патроне) и засыпные (вставка находится в патроне, полностью заполненном мелкозернистым наполнителем, например, кварцевым песком). Наиболее распространенные материалы плавких вставок – медь, цинк, алюминий, свинец и серебро. Медь подвержена сравнительно интенсивному окислению, что может привести к увеличению сопротивления медной вставки и, следовательно, к изменению защитной характеристики предохранителя. Поэтому медные вставки подвергаются лужению (покрываются слоем олова). В засыпных предохранителях наиболее распространенным наполнителем является кварцевый песок с содержанием оксида кремния SiO 2 не менее 99%. Наилучшим наполнителем по своим дугогасящим свойствам является мел (CaCO 3 ), который после перегорания вставки в отличие от песка не образует остаточных токопроводящих путей и пригоден для многократного использования. Но мел значительно дороже песка и это ограничивает его широкое применение. Для лучшего использования наполнителя как теплоотводящей и дугогасящей среды в засыпном предохранителе обычно размещены несколько параллельно соединенных вставок, суммарное сечение которых эквивалентно се- чению одной вставки предохранителя на тот же рабочий ток. Помимо перечисленных предохранителей традиционного исполнения в особую группу можно выделить жидкометаллические предохранители
è предохранители инерционного типа. В жидкометаллическом предохранителе в качестве плавкого элемента применяется жидкий металл (галлий, сплав галлий/индий/олово и др.), которым заполняется канал расчетного по рабочему току сечения в герметизированном и вакуумированном патроне. Предохранитель электрически (последовательно) è механически связан с защитным аппаратом, например, автоматическим выключателем. При срабатывании такого предохранителя металл из жидкого состояния переходит в парообразное. Возникающее при этом в патроне давление через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического выключателя, который и осуществляет отключение электрической цепи. Сразу же после этого пары металла вновь переходят в жидкое состояние (через 0,5–2 мс) и предохранитель готов к повторному срабатыванию. Инерционные предохранители от обычных отличаются наличием двух вставок разного сечения и исполнения, которые обеспечивают защиту потребителя (наиболее часто – асинхронные двигатели) как при значительных токах короткого замыкания, так и при сравнительно небольших токах перегрузки. Следует подчеркнуть, что в настоящее время (и скорее всего в обозримом будущем эта тенденция сохранится ) предохранитель чаще всего применяется либо как аппарат защиты от токов короткого замыкания, либо как аппарат защиты от предельно больших токов короткого замыкания при совместном действии с автоматическим выключателем (по схеме: предвключенный предохранитель с автоматическим выключателем). Рабочая (защитная) времятоковая характеристи- ка предохранителя дана на рис. 4.1, где I íîì – номинальный ток, указывается на плавкой вставке, à I ï – пограничный ток (ток, при котором плавкая вставка перегорает за время не менее одного часа), в большинстве случаев принимается за исходный при расчетах. В зависимости от материала вставки пограничный ток может превышать номинальный на 10–70 %. Меньшие значения относятся к материалам с более стабильной защитной характеристикой (менее подверженным внешним атмосферным условиям и режимам эксплуатации электро- оборудования), например, серебро, большие – к нестабильным в указанном отношении материалам (например, алюминий).
§ 4.1. Предохранители
Рис. 4.1. Защитная характеристика предохранителя Рис. 4.2. Различные варианты исполнения плавких вставок: à – постоянного сечения; á – переменного сечения (фигурные вставки) на напряжение преимущественно не выше 220 В; â – переменного сечения на напряжение выше 380 В; ã – для предохранителя с наполнителем На рис. 4.2 показаны различные варианты исполнения плавких вставок. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа и с наполнителем даны на рис. 4.3, à , á . Фигурные плавкие вставки по сравнению со вставками постоянного сечения имеют ряд преимуществ: снижается уровень перенапряжений при срабатывании предохранителя, в меньшей степени засоряется внутренняя полость патрона парами металла, уменьшаются тепловые потери и др. В некоторых случаях, когда требуется высокая отключающая способность предохранителя, его патрон изготовляется из специального газогенерирующего материала – в большинстве случаев из фибры. При перегорании вставки и соприкосновении электрической дуги со стенками такого патрона происходит интенсивное и обильное газовыделение. Это приводит к увеличению давления внутри патрона, что, в свою очередь, улучшает условия теплопередачи от дуги и ускоряет процесс дугога-
шения и, в итоге, увеличивает отключающую способность предохранителя. Пограничный ток предохранителя открытого типа или его минимальный ток срабатывания рас- считывается на основе баланса подводимой и отводимой мощности и оценивается по соотношению:
| I ï = √ K ò S îõë (υ ïë | − l | υ 0 ) | , | (4.1) | |||||
| ρ | 0 | (1 | + αυ | ) | вставки | ||||
| S | |||||||||
| ïë | |||||||||
| вставки | |||||||||
ãäå K ò – коэффициент теплопередачи; S îõë – площадь поверхности охлаждения; υ ïë – температура плавления материала вставки; υ 0 – температура окружающей среды; ρ 0 – удельное электрическое сопротивление материала вставки; α – температур- ный коэффициент сопротивления, l вставки – длина вставки; S вставки – ее поперечное сечение. Пограничный ток засыпного предохранителя рассчитывается:
| I ï = π d √ υ 0 − | υ ïë | , (4.2) | ||||||
| 1 | D | âí | 1 | D | ||||
| 2ρ 0 (1 + αυ | ïë ) | 8 | + | ln | + | ln | í | |
| K ò D í | λ í | d | λ ò | D âí | ||||
ãäå D âí è D í – внутренний и наружный диаметры трубки; λ í è λ ò – теплопроводность наполнителя è материала трубки; d – диаметр плавкой вставки. Полное время срабатывания предохранителя:
| t ñð = t 1 + t 2 + t 3 , | (4.3) |
ãäå t 1 – время нагрева вставки от температуры окружающей среды до температуры плавления; t 2 – время плавления вставки (время перехода материала вставки из твердого в жидкое состояние после достижения температуры плавления); t 3 – время гашения дуги. Расчет времятоковой характеристики обычно производится в предположении, что процесс нагрева имеет адиабатный характер. Практика показывает, что это допустимо при токах, которые превышают номинальный ток в три и более раз. Значения составляющих полного времени срабатывания предохранителя определяются:
| t | = A | S 2 | ; t | = A | S 2 | , | (4.4) |
| 2 I 2 | |||||||
| 1 | 1 I 2 | 2 | |||||
ãäå S – сечение вставки; I – ток срабатывания предохранителя; A 1 è A 2 – постоянные интегрирования, которые определяются электрофизическими характеристиками материала вставки. Их значения, A 2 c ⁄ ìì 4 , для некоторых материалов следующие:
| Ag – A 1 = 62000; | A 2 | = 8000; | |
| Cu – A 1 | = 80000; | A 2 = 11000; | |
| Zn – A 1 | = 9000; | A 2 | = 3000; |
Гл. 4. Электрические аппараты распределительных устройств низкого напряжения Рис. 4.4. Времятоковые характеристики предохранителя ПП-57 на номинальное напряжение 660 В
Рис. 4.3. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа ( à ) и с наполнителем ( á ): 1 – плавкие вставки; 2 – изолирующий патрон (корпус); 3 – токопроводящие детали; 4 – защитные колпачки; 5 – наполнитель Рис. 4.5. Характеристики джоулевых интегралов предохранителей ПНБ-5
| Pb – A 1 = 1200; | A 2 = 400. |
| Время гашения дуги расчету | не поддается |
| и учитывается эмпирическими коэффициентами. | |
С учетом этого выражения полного времени срабатывания имеют вид а) для предохранителя открытого типа:
| t ñð = ( 1,2 − 1,3 ) ( A 1 + | A 2 | ) | S | 2 | 10 − 4 ; (4.5) |
| 3 | I | 2 |
б) для засыпного предохранителя: 2 t ñð = ( 1,7 − 2 ) ( A 1 + A 2 ) S 2 10 − 4 . (4.6) I Важным показателем предохранителя является тепловая характеристика – интеграл квадрата тока в заданном интервале времени (джоулев интеграл). Эта характеристика позволяет достаточно точно оценить тепловое воздействие проходящего через него тока и в наглядной форме определить защитную способность предохранителя, особенно при малых временах срабатывания. Наиболее распространенные серии предохранителей: ПР-2 – на номинальные токи от 15 до 1000 А и напряжение 380, 500 В; ПП (быстродействующие) – на номинальные токи от 30 до 6300 А и напряжение от 150 до 1300 В; ПРС (резьбовые, для малогабаритных распределительных устройств) – на токи до 100 А и напряжение до 500 В. Выпускаются также предохранители в комплекте с разрядниками, рубильниками и выключателями – для уменьшения габаритных размеров распределительных устройств [4]. В качестве примера на рис. 4.4 приведены времятоковые характеристики предохранителя ПП-57 на разные номинальные токи, а на рис. 4.5 – характеристики джоулевых интегралов предохранителей ПНБ-5.
§ 4.2. Аппараты тепловой, температурной и токовой защиты
| Контрольные вопросы | |||
| 1. | Для чего вводится понятие ” пограничный ток”? | 5. | Какие материалы плавкой вставки предпочтитель- |
| 2. | Почему расчет сечения плавкой вставки прово- | нее для быстродействующих предохранителей? | |
| дится по пограничному току? | 6. | Как влияет (при всех прочих равных условиях) | |
| 3. Почему в засыпных предохранителях применя- | наличие в предохранителе наполнителя на время | ||
| ются несколько параллельных плавких вставок? | его срабатывания ? | ||
| 4. | Каковы преимущества фигурной плавкой вставки | 7. | Как соотносятся защитная характеристика предо- |
| по сравнению со вставкой постоянного сечения? | хранителя и нагрузочная характеристика объекта. | ||
4.2. АППАРАТЫ ТЕПЛОВОЙ, ТЕМПЕРАТУРНОЙ И ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ 4.2.1. АППАРАТЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ
Для защиты электрических цепей от длительного протекания токов перегрузки, в 5–7 раз превышающих номинальные токи, широко применяются аппараты тепловой защиты с термобиметаллическими исполнительными механизмами. Термобиметаллический элемент содержит биметаллическую пластину, состоящую из двух материалов с различ- ными температурными коэффициентами линейного расширения α , жестко соединенных друг с другом. Если один конец пластины закреплен (см. рис. 4.6, à ), то ее свободный конец изгибается в сторону изделия из материала с меньшим значением α , а максимальный прогиб составит [4]:
| x max = | 3 | ( α | 1 − | α 2 ) | l 2 Θ | , | (4.7) |
| 4 | δ |
ãäå α 1 – температурный коэффициент линейного расширения термоактивного материала (например, хромоникелевая сталь), ( 1 íà ðèñ. 4.6, à ); α 2 – температурный коэффициент линейного расширения термоактивного материала (например, инвар, 2 íà ðèñ. 4.6, à ); l – длина биметаллической пластины; Θ – превышение температуры биметаллической пластины над температурой окружающей среды; δ – суммарная толщина биметаллической пластины. Известны три способа подогрева пластины нагревательным элементом (рис. 4.6,á ): непосредственный, косвенный и комбинированный. Выбор способа подогрева определяется значением протекающего по цепи тока. В некоторых тепловых реле (например, в реле ТРН-10, ТРН-25 и др.) нагревательные элементы выполняются сменными, что значительно расширяет диапазон рабочих токов. На рис. 4.7 представлены упрощенные схемы биметаллических устройств тепловых реле [55].
Рис. 4.6. Биметаллическая пластина с нагревательным элементом ( à ) и способы ее подогрева ( á ) При нагреве пластины 1 (ðèñ. 4.7, à ) она изгибается в направлении усилия P 1 и воздействуя на штифт 3 перемещает подвижной пружинный контакт 2 до размыкания с неподвижным контактом 4 . Изменяя положение контактов 2 è 4 меняется уставка реле по току срабатывания. После охлаждения биметаллической пластины реле возвращается в исходное положение. Способ подогрева пластины реле может быть непосредственный, либо косвенный. Данное устройство имеет малое быстродействие, что устраняется в конструкции, представленной на рис. 4.7, á . Биметаллическая пластина 1 служит защелкой, удерживающей контакты в замкнутом состоянии. При нагреве и изгибе пластины она освобождает контакты, которые размыкаются под действием пружины 5 . Возврат пластины в исходное состояние осуществляется вручную. Еще большее быстродействие достигается в конструкции рис. 4.7, â. Пластинчатая пружина 6 óäåð-
Гл. 4. Электрические аппараты распределительных устройств низкого напряжения
Рис. 4.7. Схемы биметаллических устройств тепловых реле Рис. 4.8. Времятоковые характеристики реле ТРН-1ОА: 1 – зона времятоковых характеристик при срабатывании реле из холодного состояния; 2 – зона времятоковых характеристик при срабатывании реле из горячего состояния (после прогрева номинальным током)
живает контакты реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока усилие P 1 , развиваемое пластиной, не станет больше усилия P 2 , развиваемое пружиной. При нагреве пластины она скачком выгнется с сторону P 1 и разомкнет контакты реле. Возврат системы – автоматический, после остывания пластины. Разновидностью подобной конструкции является устройство, представленное на рис. 4.7, ã . Здесь одновременно происходят скачкообразные перемещения пластины и контактов. Система имеет самовозврат. Для исключения влияния температуры окружающей среды на характеристики тепловых реле в них предусмотрена термокомпенсация в виде дополнительной биметаллической пластины. В конструкции реле рис. 4.7, ä осуществляется компенсация прогиба пластины, а на рис. 4.7, å дан вариант исполнения пластины с компенсацией усилия. Тепловые реле с термобиметаллическими пластинами нашли широкое применение для защиты статорной обмотки двигателя от длительного протекания токов перегрузки, как в режиме пуска двигателя, так и в режиме технологических перегрузок. Они относятся к аппаратам защиты косвенного действия , так как реагируют не на превышение температуры нагрева защищаемого объекта, а на ток вызывающий это превышение. Отсюда недостатками тепловых реле являются: малая термическая стойкость к протекающим по реле сверхтокам; нерегулируемость защитной характеристики; большое время срабатывания и потери энергии; большой разброс в срабатывании реле; необходимость в остывании. Достоинствами тепловых реле являются: относительно малые размеры, масса и стоимость; простота конструкции и надежность в эксплуатации. Основной защитной характеристикой реле является времятоковая характеристика – зависимость времени срабатывания реле от кратности тока в цепи по отношению к номинальному току (рис. 4.8 для теплового реле ТРН-10А). Характеристики приводятся для реле, работающего из холодного состояния (область 1 ), например при пуске двигателя, и реле, работающего из горячего состояния (область 2 ), например после прогрева реле номинальным током. Современные магнитные пускатели комплектуются тепловыми реле нового поколения. Реле серии РТЛ имеет трехполюсное исполнение, механизм для ускорения срабатывания при обрыве фазы статорной обмотки двигателя, регулятор тока несрабатывания и несменные нагревательные элементы. Реле снабжено термокомпенсацией и имеет высо-
§ 4.2. Аппараты тепловой, температурной и токовой защиты
| кое быстродействие, pассчитано на номинальные | нитных пускателей серии ПМА) имеет аналогич- |
| токи до 200 А и предназначено для комплектации | ные характеристики и рассчитано на номинальные |
| пускателей серии ПМЛ. Реле серии РТТ (для маг- | òîêè äî 630 À. |
4.2.2. АППАРАТЫ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАЩИТЫ
Основные недостатки, присущие тепловым реле, обусловлены косвенным характером защиты. Она реагирует не на температуру нагрева обмотки двигателя, а на ток, вызывающий этот нагрев. Поскольку постоянная времени защитного реле и защищаемого объекта часто сильно отличаются друг от друга трудно согласовать их защитные характеристики. Температурные защитные характеристики зависят непосредственно от температуры нагрева защищаемого объекта и относятся к защитам прямого действия . Для контроля температуры тела используются температурные датчики, например терморезисторы è позисторы. Так как датчики температуры встраиваются в статорные обмотки двигателей, то такую защиту называют встроенной температурной защитой [4]. Существуют биметаллические контактные è полупроводниковые терморезисторы, сопротивление которых зависит от температуры. Полупроводниковые терморезисторы бывают с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления – термисторы (при повышении температуры сопротивление уменьшается) и с положительным температурным коэффициентом сопротивления (при повышении температуры сопротивление повышается) – позисторы. Наибольшее распространение получили позисторы, сопротивление которых при увеличении температуры увеличи- вается скачкообразно. Пороговое значение сопротивления срабатывания аппарата для разных типов позисторов различно. На рис. 4.9 приведена зависимость сопротивления позисторов от температуры при последовательном соединении трех позисторов. При этом крутизна характеристики (чувствительность защиты) возрастает. Позисторы представляют собой диск диаметром 3,5 мм и толщиной 1 мм, покрытый кремнеоргани- ческой эмалью, создающей нужную влагостойкость и электрическую прочность изоляции. В зависимости от класса изоляции обмоток двигателя по- зисторы выбираются для υ ñðàá = 105, 115, 130, 145 и 160 °C. При изменении температуры позистора на +20 °C от нормальной его сопротивление за 12 с увеличивается почти в 3 раза. Особенно эффективно аппараты позисторной защиты работают в условиях нарушения охлаждения электродвигателя, а также при его частых пусках и реверсах, регулировке частоты вращения.
Однако при заторможении ротора или обрыве фазы его статорной обмотки, когда скорость нарастания температуры достигает 10 °C в секунду, в секунду датчик не в состоянии отреагировать на рост температуры в силу его тепловой инерции, что может привести к перегреву двигателя при такой схеме его защиты. Другими недостатками аппаратов температурной защиты являются: нечувствительность к токам короткого замыкания и сложность монтажа датчиков температуры. Датчики устанавливаются в пазах статорной обмотки или на лобовой части двигателя [4]. В настоящее время широко используются приборы типов АПЗ и УВТЗ для температурной защиты. Электрическая схема аппарата позисторной защиты УВТЗ-1 и способ ее подсоединения приведена на рис. 4.10 ([51]). Устройство защиты подключено к сети посредством пусковой кнопки SB1 . Если температура статорной обмотки двигателя M нормальная (ниже порогового значения температуры датчиков), электромагнитное реле K2 срабатывает и своим замыкающим контактом K2.1 включает магнитный пускатель K1 , который, в свою очередь, включает силовую цепь статорной обмотки двигателя (контакты K1.1 ) и шунтирует пусковую кнопку (контакты K1.2 ). Для питания электрической схемы УВТЗ-1 используется стабилизированный выпрямитель, состоящий из конденсатора C1 , резисторов R6 , R7 , диодов V6 – V9 и стабилитрона V3 . Рис. 4.9. Зависимость сопротивления позисторов от температуры при последовательном соединении трех позисторов
Гл. 4. Электрические аппараты распределительных устройств низкого напряжения Рис. 4.10. Электрическая схема позисторной защиты УВТЗ-1 и способ ее подсоединения к электродвигателю
| Ðåëå K2 управляет тиристором V5 , в цепь управ- | чение транзистора V2 . Это, в свою очередь, приводит |
| ляющего электрода которого включен триггер на | к выключению тиристора V5 и обесточиванию реле K2 . |
| транзисторах V1 è V2 . Потенциал базы транзистора | Контакты K2.1 реле отключают питание катушки K1 |
| V2 определяет делитель напряжения R3 – R υ , ãäå | магнитного пускателя, что приводит к размыканию его |
| R υ – суммарное сопротивление трех позисторов, | силовых контактов K1.1 и отключению двигателя. |
| подключенных к зажимам 5 è 6 . Таким образом, | Äèîä V4 предохраняет тиристор от перенапряжений |
| в цепи при отключении катушки реле K2 . | |
| увеличение сопротивления одного или нескольких по- | |
| После охлаждения двигателя возможен его по- | |
| зисторов, вследствии роста температуры нагрева дви- | |
| гателя, вызывает увеличение потенциала базы и вклю- | вторный запуск. |
4.2.3. АППАРАТЫ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
Ê аппаратам токовой защиты относятся все устройства защиты, контролирующие ток в цепи. Это предохранители, автоматические выключатели, максимальные и минимальные токовые реле. К аппаратам токовой защиты можно отнести и тепловые реле, которые из-за специфики их работы и широкого распространения могут быть выделены в отдельный класс тепловой защиты (см.п. 4.2.1). Аппараты токовой защиты обычно защищают потребителей от перегрузок, неполнофазных режимов, а электрические цепи от коротких замыканий. Среди аппаратов токовой защиты особое место занимают минимальные реле тока и максимальные реле тока. Минимальные реле тока предназначены для защиты двигателей от неполнофазных режимов (об-
рыва фазы статорной обмотки двигателя). В простейшей схеме используются три реле минимального тока, включенные во все фазы питания электродвигателя, а замыкающие контакты этих реле соединены последовательно с цепью управления магнитного пускателя. При нормальной работе электродвигателя все три реле минимального тока включены. При обрыве любой фазы соответствующий ток прекращается и реле отключается, разрывая цепь управления магнитного пускателя. При этом электродвигатель отключается. Для защиты электродвигателей можно применять реле минимального тока ЭТ-521. Большие функциональные возможности заложены в максимальном реле тока . Они могут выполнять функции защиты потребителей от больших
§ 4.3. Контакторы и магнитные пускатели
перегрузок по току (например, для защиты электродвигателей применяют реле РЭ-570Т, ЭТ-522 и др.) и защиту электрических цепей от короткого замыкания на зажимах потребителей и в самой цепи (например, реле РТ-40, РТ-80 и др.). При нормальной работе потребителя максимальное реле тока не включается. При большой нагрузке или коротком замыкании одно или все реле, включенные в различные фазы питания, сработают и своими размыкающими контактами разорвут цепь управления магнитного пускателя. Основным недостатком максимальных реле тока является то, что они не реагируют на обрывы фаз и их нельзя отрегулировать на небольшие перегрузки по току в цепи. Одним из самых распространенных максимальных реле тока является реле РТ-40. Принцип действия и конструктивные особенности реле даны в § 3.1. В нем предусмотрено два способа регулировки тока срабатывания I ñðàá : изменением предварительного натяжения противодействующей пружины (в 4 раза) и переключением обмоток (в 2 раза). Известно девять типоисполнений реле тока [56], выпускаемых на номинальные токи от 0,2 до 200 А. Время срабатывания реле не более 0,1 с при токе, равном 1,2 I ñðàá и не более 0,03 с при токе 3 I ñðàá . Коэффициент возврата таких реле не ниже 0,85 (в ряде типоисполнений не ниже 0,7). Контакты реле выдерживают мощность коммутируемой цепи около 60 Вт постоянного тока при напряжении
220 В и около 300 В . А переменного тока при напряжении до 250 В. В реле тока РТ-40, снабженных промежуточным трансформатором и выпрямительным мостом, повышается термическая стойкость к длительному протеканию больших токов (реле РТ-40/1Д). Реле РТ-40/Ф реагирует на отклонение формы кривой переменного тока от синусоидальной. Реле содержит специальный фильтр, не пропускающий в обмотку реле ток третьей и кратных ей гармоник. Для цепей управления и защиты электродвигателей часто применяют токовые реле постоянного тока РЭВ-300 и реле переменного тока РЭВ, РЭ571Т и др. Максимальные реле тока в цепи управления асинхронными двигателями выбираются по номинальному току катушки реле, который должен быть не меньше номинального тока двигателя, и по уставке на ток срабатывания I óñò ðåëå. Для работы в цепи асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором уставка на ток срабатывания реле отстраивается от пускового тока двигателя как:
| I óñò ≥ ( 1,3 1,5 ) I ï , | (4.8) |
а для асинхронного двигателя с фазным ротором – от номинального тока
| I óñò ≥ ( 2,25 2,5 ) I íîì.äâ . | (4.9) |
Здесь I íîì.äâ è I ï – соответственно номинальный и пусковой ток двигателя. Контакты выбранного токового реле проверяются на коммутационную способность.
| Контрольные вопросы | |||
| 1. | Как устроены тепловые реле? | 4. | Чем отличается позисторная защита от тепло- |
| 2. | Как обеспечивается мгновенное включение и раз- | âîé? | |
| мыкание контактов в тепловых реле? | 5. | Как осуществляется защита максимальными | |
| 3. | Перечислите основные недостатки тепловых реле. | ðåëå òîêà? | |
4.3. КОНТАКТОРЫ И МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ 4.3.1. УСТРОЙСТВО КОНТАКТОРОВ И ПУСКАТЕЛЕЙ
Контактор – это электрический аппарат, предназначенный для коммутации силовых электрических цепей как при номинальных токах, так и при токах перегрузки. Наибольшее распространение получили контакторы, в которых замыкание и размыкание контактов осуществляется под воздействием электромагнитного привода. Контакторы бывают постоянного и переменного тока.
Магнитный пускатель – это электрический аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверсирования и защиты электродвигателей. Его практически единственное отличие от контактора – наличие устройства защиты (обычно – тепловое реле) от токовых перегрузок. Основными техническими параметрами контактора являются его механическая и коммутационная
Гл. 4. Электрические аппараты распределительных устройств низкого напряжения
| износостойкость, номинальный ток главных кон- | рия применения”, которое регламентируется соот- | ||||
| тактов, предельный отключаемый ток, номиналь- | ветствующим стандартом (см. гл. 6). | ||||
| ное напряжение отключаемой цепи, допустимое | Особенности конструкции контактора и прин- | ||||
| число включений в час и собственное время вклю- | цип его действия рассмотрим на примере контак- | ||||
| чения и отключения. Под механической износо- | тора постоянного тока КПВ-600 (рис. 4.11) [4]. | ||||
| стойкостью понимается число циклов включение- | Неподвижный контакт 1 механически и электри- | ||||
| отключение (без токовой нагрузки) без какой-либо | чески соединен со скобой 2 – дугогасительным | ||||
| замены его элементов и узлов. В современных | рогом (направляющей для дуги). К скобе 2 присо- | ||||
| контакторах механическая износостойкость дости- | единен один конец дугогасительной катушки 3 , | ||||
| гает 10–20 млн. операций [4]. Кроме параметров, | второй | конец которой | с выводом 4 закреплен | ||
| которые по своей очевидности не требуют специ- | в электроизоляционном основании 5 и является | ||||
| ального пояснения, отметим следующие. Коммута- | одним из двух токоподводов контактора. Основа- | ||||
| ционная износостойкость | определяется износом | íèå 5 жестко укреплено на стальной скобе 6 , ÿâëÿ- | |||
| контактов под действием электрической дуги при | ющейся основной несущей деталью для электро- | ||||
| коммутации цепи с током и характеризуется таким | магнитного привода и подвижной контактной сис- | ||||
| числом операций включение-отключение, после | темы. Подвижный контакт 7 может поворачиваться | ||||
| которого необходима замена контактов (обычно | относительно опорной точки 8 . Вывод 9 , являю- | ||||
| после 3–5 млн. срабатываний). Но в лучших кон- | щийся вторым токоподводом, соединен с подвиж- | ||||
| такторах коммутационная | износостойкость мало | ным контактом 7 гибкой связью 10 . С подвижным | |||
| отличается от механической. Собственное время | контактом 7 электрически связан другой дугогаси- | ||||
| включения – время от момента подачи напряжения | тельный рог 11 . Контактное нажатие создается пру- | ||||
| на электромагнитный привод до момента начала | жиной 12 , а возвратная пружина 13 предназначена | ||||
| трогания якоря электромагнита. Собственное время | для размыкания контактов и возврата | привода | |||
| отключения – время от | момента обесточивания | в исходное положение. При размыкании контактов | |||
| электромагнита до момента размыкания контактов. | на них появляется электрическая дуга 14 , которая | ||||
| Для лучшего использования аппаратов в реаль- | попадает в магнитное поле между пластинами 15 | ||||
| ных условиях работы применительно к заданным | магнитопровода системы магнитного дутья, созда- | ||||
| условиям эксплуатации введено понятие ” катего- | ваемого | катушкой 3 | и охватывающего | камеру | |
| с обеих сторон. Под воздействием этого поля дуга | |||||
| перемещается в камеру, ее опорные точки перехо- | |||||
| дят на дугогасительные рога, дуга растягивается, | |||||
| охлаждается и гаснет. В данном контактно-дугога- | |||||
| сительном устройстве применена система последо- | |||||
| вательного магнитного дутья. Электромагнитный | |||||
| привод | контактора включает в себя обмотку 20 | ||||
| с магнитопроводом и якорь 17 . Последний может | |||||
| поворачиваться на призме 19 , прижимаемый к скобе | |||||
| 18 пружиной 16 . При подаче напряжения на катуш- | |||||
| êó 20 якорь 17 , преодолевая противодействие воз- | |||||
| вратной | пружины 13 , | начинает притягиваться | |||
| к магнитопроводу. При определенном зазоре между | |||||
| якорем и магнитопроводом происходит соприкос- | |||||
| новение контактов 7 è 1 . Дальнейшее сближение | |||||
| якоря и магнитопровода влечет за собой поворот | |||||
| контакта 7 относительно опорной точки 8 (â íà- | |||||
| правлении по часовой стрелке) и сжатие контакт- | |||||
| ной пружины 12 . Этим обеспечивается создание так | |||||
| называемого провала контактов. | |||||
| Работу контактора можно оценивать двумя за- | |||||
| висимостями: суммарной характеристикой проти- | |||||
| водействующих усилий (от возвратной и контакт- | |||||
| ной пружин) и тяговой характеристикой электро- | |||||
| Рис. 4.11. Контактор постоянного тока серии КПВ | магнитного привода (рис. 4.12). Для сохранения | ||||
§ 4.3. Контакторы и магнитные пускатели
| работоспособности контактора должно соблюдать- | На рис. 4.13 показан общий вид контактора |
| ся условие: тяговая характеристика 1 электромаг- | переменного тока КТ-6000 [4]. Подвижный контакт |
| нита должна во всех точках идти выше характерис- | 1 с пружиной 2 укреплен на рычаге 3 . Подвижный |
| тики 2 противодействующих усилий при минималь- | контакт 1 (на общем виде – три подвижных кон- |
| но допустимом напряжении на катушке (15 %-е | такта 1 ) и якорь 4 привода электромагнита связаны |
| понижение напряжения по отношению к номи- | между собой валом 6 . Отключение контактора про- |
| нальному). По горизонтальной оси принято от- | исходит под действием контактных пружин и массы |
| кладывать значение зазора между якорем и магнито- | подвижных частей. |
| проводом, по вертикальной – приведенные к этому | Контактная пружина 2 , так же как и в контак- |
| зазору тяговые и противодействующие усилия. На | торах постоянного тока, имеет предварительное |
| графике обозначены: точка à – момент соприкос- | нажатие, на 30–50% меньше конечного контактно- |
| новения контактов; часть характеристики между | го нажатия. Все детали аппарата укреплены на |
| точками á – â – провал контактов; â – ã – раствор | изоляционной рейке 5 . Рычаг 3 подвижного кон- |
| между контактами (зазор между якорем и сердечни- | такта 1 укреплен на валу 6 , покрытом изоляцион- |
| êîì); à – â – предварительное сжатие контактной | ным материалом. Вал вращается в подшипниках 7 . |
| пружины (оно необходимо для предотвращения | Система дугогашения состоит из последовательной |
| сваривания и вибрации контактов при включе- | катушки 8 , магнитопровода 9 , полюсных пластин |
| нии токовой нагрузки). | 10 и дугогасительной камеры 11 . Обмотка 8 âêëþ- |
| чена в цепь последовательно с неподвижным кон- | |
| тактом 12 и подвижным контактом 1 . Главные | |
| контакты подключаются к внешней электрической | |
| цепи выводами 13 è 14 . Подвижный контакт 1 | |
| соединяется с выводом 13 при помощи гибкой | |
| связи 15 . Блок вспомогательных контактов 16 ïðè- | |
| водится в действие валом 6 . Крепление всех деталей | |
| на рейке позволяет использовать контактор в ком- | |
| плектных станциях реечной конструкции и сокра- | |
| тить объем и массу станции управления. Допус- | |
| тимое число включений контактора достигает | |
| Рис. 4.12. Тяговая и противодействующие характеристики | 1200 в ч., коммутируемый ток – до 1000 А, номи- |
| контактора | нальное напряжение – 380 и 660 В. |