Какую защиту двигателей осуществляют плавкие предохранители

Обновлено: 18.05.2024

Предохранители были первым типом защиты, который использовался, и им до сих пор находят место во многих технических решениях. Несмотря на то, что они не обладают гибкостью настройки и отключающей способности как у автоматического выключателя, они, тем не менее, являются надежными, высокопроизводительными устройствами с точки зрения их способности отключать очень высокие токи короткого замыкания.

Патрон предохранителя вставлен в защищаемую цепь. В случае перегрузки по току цепь автоматически разрывается за счет плавления токопроводящего элемента предохранителя, который имеет определенный номинал, внутри патрона. Кремнезем в корпусе картриджа поглощает очень высокую энергию за счет плавления и стеклования. В отличие от автоматического выключателя, патрон предохранителя повреждается в результате неисправности и подлежит замене. Патроны предохранителей соответствуют стандарту IEC 60269-1. Они бывают разных форм и размеров. В низковольтных электроустановках в основном используются цилиндрические патроны и патроны лопастного типа с номинальным током 0,5-1250 А.

Патроны предохранителей устанавливаются в разъединители, держатели предохранителей или просто на основания.

Давайте рассмотрим 8 основных характеристик по которым мы без проблем подберем необходимый нам предохранитель

1. Тип предохранителя

Предохранители обозначаются двумя буквами в соответствии с их категорией применения. В установках низкого напряжения в основном используются предохранители типа gG и aM.
Предохранитель gG
Плавкие вставки gG предназначены для общего использования и защищают оборудования от низких и высоких перегрузок и, конечно же, от коротких замыканий. Они отмечены черным цветом.
Предохранители aM
Плавкие вставки aM используются с электродвигателями и защищают от сильных перегрузок и коротких замыканий. Они рассчитаны на противодействие некоторым временным перегрузкам (например запуск двигателя).

Поэтому эти картриджи должны использоваться вместе с устройством тепловой защиты для защиты от небольших перегрузок. Они отмечены зеленым цветом.

2. Номинальные токи и напряжения.

Номинальный ток может проходить через предохранитель бесконечно без срабатывания предохранителя или чрезмерного повышения температуры. Номинальное напряжение - это напряжение, при котором этот предохранитель может использоваться. Давайте объясним значение букв, используемых для категорий приложений.
Первая буква указывает на основную операцию:
a (связанный) - предохранитель должен быть связан с другим устройством защиты, потому что он не может устранить повреждения ниже указанного уровня. Он обеспечивает только защиту от короткого замыкания.
g (общий) - он устраняет все повреждения между самым низким током предохранителя (даже если плавление элементов предохранителя занимает 1 час) и отключающей способностью. Обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрузки.
Вторая буква указывает на категорию защищаемого оборудования:
G = Защита кабелей и проводов
M = Защита цепей двигателя
R = Защита полупроводников
S = Защита полупроводников
Tr = Защита трансформаторов
N = Защита проводников в соответствии со стандартами Северной Америки
D = предохранитель с выдержкой времени для защиты цепей двигателя в соответствии с североамериканскими стандартами.

3. Обычные токи неплавкого и плавкого предохранителя (плавкой вставки).

Следует различать два условных тока: неплавкий и плавкий.

Обычный ток неплавкого предохранителя (Inf) - это значение тока, которое патрон предохранителя может выдержать в течение обычного времени без плавления.
Обычный ток предохранителя (If) - это значение тока, при котором патрон предохранителя плавится до истечения условного времени.

В приведенном выше примере (плавкая вставка 100 А gG):

Условное время = 2 часа
Inf = 1,3
In = 1,6

4. Рабочая зона предохранителя

Определенная стандартами рабочая зона используется для определения времени срабатывания предохранителя в зависимости от тока, проходящего через него. Важно знать рабочие характеристики предохранителя, чтобы рассчитать селективность различных защитных устройств, установленных последовательно.

"Для плавкой вставки 100 А, 22 × 58 gG перегрузка 300 А расплавит картридж за 40 с"

5. Отключающая способность предохранителя (плавкой вставки)

Отключающая способность должна быть по крайней мере равной предполагаемому току короткого замыкания, который может возникнуть в точке установки предохранителя. Чем выше отключающая способность, тем лучше предохранитель защищает установку от коротких замыканий высокой интенсивности.
Предохранители HBC (высокая отключающая способность) ограничивают короткое замыкание, которое может достигать более 100 000 А (действующее значение).

6. Ограничение тока предохранителя (плавкой вставки)

Ограничение тока может изменяться в зависимости от условий короткого замыкания (интенсивность, cos ϕ, начальный угол короткого замыкания ψ). Кривые ограничения картриджей представляют собой максимальные ограниченные значения тока, которые могут быть достигнуты в самых неблагоприятных условиях.

Пример: При предполагаемом коротком замыкании 10000 А (или 10 кА) с учетом максимальной асимметрии тока короткое замыкание может достичь теоретического максимального значения 2,5 × Irms, то есть пикового значения 25 кА.
Цилиндрический патрон предохранителя gG на 100 А ограничивает первую волну тока пиком 8000 А, то есть примерно 30% от предполагаемого максимального значения. Таким образом, деструктивные электродинамические эффекты снижаются в 10 раз ((8 000/25 000) 2) от максимального значения.

Чем выше ожидаемый ток короткого замыкания, тем выше коэффициент ограничения.

Например, при коротком замыкании 100 000 A (среднеквадратичное значение), т. Е. 250 000 A пиковое значение, картридж 100 A gG ограничивает этот ток до 15 000 A пикового значения, т. Е.

Ограничение до 6% от предполагаемого максимального тока и ограничение до 0,36% от предполагаемого максимума. электродинамические эффекты.
Важность ограничения мощности
Короткое замыкание опасно как с точки зрения электродинамических, так и тепловых эффектов:
Деструктивные электродинамические эффекты зависят от квадрата пикового тока, достигаемого во время короткого замыкания, и вызывают механическое повреждение изоляции проводников.
Деструктивные тепловые эффекты зависят от тепловой энергии, рассеиваемой во время короткого замыкания, и могут вызвать ожог изоляции проводов. Патроны с предохранителями максимально ограничивают оба этих эффекта.

7. Термическое напряжение предохранителя (плавкой вставки)

Короткое замыкание вызывает выделение значительного количества энергии. Патрон предохранителя ограничивает эту энергию до гораздо более низкого значения, обычно известного как ограниченное тепловое напряжение, выражаемое в A2s.
Почему необходимо ограничивать тепловую нагрузку?
Если энергия, выделяемая при коротком замыкании, не ограничена, это может быстро привести к полному или частичному разрушению оборудования. Термическое напряжение определяется двумя основными параметрами:
Cos ϕ: чем ниже, тем больше энергия
Напряжение: чем выше напряжение, тем больше энергия
Патроны с предохранителями значительно ограничивают эту энергию.

Например, для среднеквадратичного асимметричного короткого замыкания 10 кА при 230 В cos ϕ = 0,1 могло бы развиться, если бы картриджа не было, на нескольких волнах тока. Только для первой волны термическое напряжение может достигать 4 000 000 А2. При тех же условиях неисправности картридж на 100 А gG ограничит тепловое напряжение до 78 000 А2, то есть 1,95% от значения только на первой волне ожидаемого тока.

Разница между термическими напряжениями перед дуговым и дуговым разрядом
Предохранитель прерывает короткое замыкание в два этапа: до дуги и затем до дуги. Скажем пару слов о каждом этапе:
Термическое напряжение перед дуговым разрядом соответствует минимальной энергии, необходимой для того, чтобы плавкий элемент картриджа начал плавиться. Важно знать это тепловое напряжение, чтобы определить селективность при коротком замыкании между несколькими последовательно включенными системами защиты.
Термическое напряжение дуги соответствует энергии, ограниченной между концом предварительного дугового разряда и полным разрывом.
Сумма термических напряжений дугового разряда и предварительного дугового разряда дает общее термическое напряжение.

8. Селективность-избирательность предохранителя (плавкой вставки)

Ток обычно проходит через несколько устройств защиты последовательно. Эти устройства рассчитываются и распределяются в соответствии с различными защищаемыми цепями. Избирательность есть, когда работает только устройство, защищающее неисправную цепь.
пример

Только картридж на 25 А сработал при неисправности линии, которую он защищает. Если бы картридж на 100 А или даже картридж на 400 А также работал (неправильная селективность), вся установка вышла бы из строя.

Электрические сети требуют надежной защиты от возможных перегрузок и коротких замыканий. Основную защитную роль в таких случаях играют различные предохранительные устройства. Среди всего разнообразия этих устройств, наиболее распространенными считаются плавкие предохранители, обладающие высокой степенью надежности, простотой в эксплуатации и сравнительно невысокой стоимостью.

Для чего применяются плавкие предохранители

Несмотря на широкое использование автоматических защитных устройств, плавкие вставки сохраняют свою актуальность при защите электронной аппаратуры, автомобильных электросетей, промышленных электроустановок и систем энергоснабжения. Они до сих пор применяются в распределительных щитах многих жилых домов, благодаря надежной работе, небольшим размерам, стабильным характеристикам и возможности быстрой замены.

В случае соединения двух проводов, подключенных к источнику тока, наступит всем известный эффект короткого замыкания. Причиной может стать испорченная изоляция, неправильное подключение потребителей и т.д. При сравнительно небольшом сопротивлении проводов, в этот момент по ним будет протекать очень высокий ток. В результате перегрева проводов загорается изоляция, что может привести к пожару.

Избежать негативных последствий вполне возможно путем включения в электрическую цепь плавких предохранителей, известных также под наименованием пробок. В случае превышения током допустимой величины, проволочка внутри предохранителя сильно нагревается и быстро расплавляется, разрывая в этом месте электрическую цепь.

Конструкция предохранителей может быть трубчатой или пробочной. Трубочные элементы изготавливаются в закрытом фибровом корпусе, обладающим свойствами газогенерации. В случае повышения температуры внутри трубки создается высокое давление, вызывающее разрыв цепи. Пробочные предохранители имеют стандартную конструкцию, оборудованную проволокой, расплавляющейся под действием высокого электрического тока.

Существует еще одна разновидность так называемых самовосстанавливающихся предохранителей, изготовленных из полимерных материалов, изменяющих свою структуру при разных температурах. Существенный нагрев приводит к резкому изменению сопротивления в сторону увеличения, в результате чего цепь разрывается. Дальнейшее остывание вызывает уменьшение сопротивления, поэтому цепь вновь замыкается. В основном такие предохранители используются в сложных цифровых устройствах. В обычных силовых сетях они не применяются из-за высокой стоимости.

Иногда некоторые умельцы пытаются заменить сгоревший предохранитель, используя вместо него так называемые жучки, представляющие собой кусок толстого провода или тонких проволочек, скрученных в общий пучок. Такие самодельные устройства категорически запрещается использовать, поскольку ток при коротком замыкании будет недопустимо высоким. Сильный нагрев проводки вызовет ее повреждение, возгорание и пожар.

Устройство плавкого предохранителя

В состав входит корпус или патрон, обладающий электроизоляционными свойствами, и сама плавкая вставка. Ее концы соединяются с клеммами, которые последовательно включают предохранитель в электрическую цепь, совместно с защищаемым устройством или электрической линией. Материал плавкой вставки выбирается с таким расчетом, чтобы он мог расплавиться раньше, чем температурный показатель проводов выйдет на опасный уровень, либо потребитель в результате перегрузки выйдет из строя.

Исходя из конструктивных особенностей, плавкие предохранители могут быть патронными, пластинчатыми, пробочными и трубочными. Расчетная сила тока, которую способна выдержать плавкая вставка, указывается на корпусе устройства.

Довольно простая конструкция у низковольтных предохранителей. Под воздействием высокого тока плавкая вставка или токопроводящий элемент подвергается сильному нагреву, после чего при достижении определенной температуры плавится в дугогасящей среде и испаряется, разрывая защищаемую цепь. Именно так работает плавкий предохранитель в электрической цепи.

Для того чтобы горячие газы и жидкий металл не попадали в окружающую среду применяется керамический изолятор, он же корпус устройства, устойчивый к воздействию высоких температур и значительного внутреннего давления. Защитные крышки, расположенные по краям предохранителя, оборудованы специальными планками под унифицированные рукоятки, захватывающие плавкие вставки при замене негодных элементов. С помощью защитных крышек и керамического корпуса создается взрывонепроницаемая оболочка, ограничивающая коммутационную электрическую дугу.

Песок, заполняющий внутреннее пространство, ограничивает силу тока. Материал выбирается с определенными размерами кристаллов, после чего он уплотняется надлежащим образом. Как правило предохранители заполняются кварцевым кристаллическим песком, имеющим высокую химическую и минералогическую чистоту. Соединение плавкой вставки с основанием-держателем осуществляется механическим способом, при помощи контактных ножей. Для их изготовления используется медь или медные сплавы, покрытые оловом или серебром.

Характеристики плавких предохранителей

Основная характеристика заключается в прямой зависимости времени плавления от силы тока. Поэтому, то время, за которое плавкая вставка предохранителя перегорает, соответствует определенному току. Данный параметр больше известен, как времятоковая характеристика.

Кроме временного показателя существуют и другие характеристики, с помощью которых производится определение типов плавких предохранителей. Среди них, в первую очередь, следует отметить номинальный ток. Это наиболее допустимый ток нагрузки по условиям нагрева корпуса предохранителя в течение продолжительного времени. Выбирая устройство по этому показателю, должна учитываться нагрузка электрической цепи, а также условия работы предохранителя.

В некоторых случаях, номинальный ток может быть выше, чем ток в самой электрической цепи. Например, в пусковых устройствах электродвигателей, чтобы избежать перегорания предохранителя во время пуска. Следует учитывать, номинальный ток предохранителя должен соответствовать номинальному току заменяемого элемента.

В свою очередь, номинальный ток заменяемого элемента представляет собой максимально допустимый ток нагрузки в течение длительного времени, когда этот элемент установлен в держателе или в контактах. Кроме того, существуют номинальные токи основания и патрона предохранителя, которые нужно учитывать при выборе защитного устройства. Кроме того, используется такой показатель, как номинальное напряжение. Данный параметр представляет собой межполюсное напряжение, совпадающее с номинальным междуфазным напряжением защищаемых электрических сетей.

Для того, чтобы плавкие предохранители обеспечивали надежную защиту, значение данной величины должно быть больше или равно напряжению защищаемого объекта. Например, предохранитель с номинальным напряжением 400 вольт может использоваться для защиты цепей на 220 вольт, но ни в коем случае, не наоборот. Таким образом, эта величина характеризует возможность предохранителя своевременно разрывать электрическую цепь и гасить дугу.

Поэтому, при выборе предохранителя в качестве защитного средства, необходимо в обязательном порядке учитывать параметры, которые позволяют обеспечить надежную защиту объекта.

Виды плавких предохранителей

Для всех устройств этого типа существуют общая классификация в соответствии с их основными свойствами.

Плавкие вставки могут закрываться по-разному, в связи с этим отличаются и внешние эффекты, возникающие при отключении тока. Такие предохранители разделяются на следующие виды:

Открытая плавкая вставка, в которой отсутствуют устройства для ограничения объема дуги, выброса расплавленных металлических частиц и пламени.
Полузакрытый патрон с оболочкой, открытой с одной или двух сторон. Он создает определенную опасность для людей, находящихся поблизости.
Закрытый патрон. Является наиболее надежным, поскольку у него отсутствуют все вышеперечисленные недостатки. Практически все современные предохранители выпускаются именно с закрытым патроном.

Гашение дуги может выполняться разными способами. В зависимости от этого предохранители бывают с наполнителем или без наполнителя. В первом случае применяются порошкообразные, волокнистые или зернистые компоненты, а во втором – за счет движения газов или высокого давления в патроне. Конструкции самих патронов разделяются на разборные и неразборные. Первый вариант предполагает замену расплавленной вставки, а во втором случае придется менять весь элемент. В некоторых случая неразборные патроны могут быть перезаряжены в специальных мастерских.

Предохранители могут быть заменены или не заменены будучи под напряжением. В первом случае замена может быть произведена прямо руками, не касаясь частей, находящихся под напряжением. Во втором случае устройство в обязательном порядке отключается от напряжения.

Маркировка плавких предохранителей

Каждый плавкий предохранитель на схеме обозначается определенной символикой. Стандартная маркировка состоит из двух буквенных символов. Первые буквы определяют защитный интервал: a – частичный (защита лишь от коротких замыканий) и g – полный (обеспечивается защита от коротких замыканий и перегрузок).

Вторая буква означает типы защищаемых устройств:

G – защищает любое оборудование.
F – защищаются только цепи с малым током.
Tr – защита трансформаторов.
М – электродвигатели и отключающие устройства.

Более подробную информацию о маркировке предохранителей можно получить в справочниках, предназначенных для специалистов-электротехников.

Плавкий предохранитель представляет собой однополюсный коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от сверхтоков; действие его основано на плавлении током металлической вставки небольшого сечения и гашении образовавшейся дуги.

Ценными свойствами плавких предохранителей являются:

простота устройства и, следовательно, низкая стоимость;
исключительно быстрое отключение цепи при КЗ;
способность предохранителей некоторых типов ограничивать ток КЗ.

Следует, однако, указать, что:

характеристики предохранителей таковы, что они не могут быть использованы для защиты цепей при перегрузках;
избирательность отключения участков цепи при защите ее предохранителями может быть обеспечена только в радиальных сетях;
автоматическое повторное включение цепи после ее отключения предохранителем возможно только при применении предохранителей многократного действия более сложной конструкции;
отключение цепей плавкими предохранителями связано обычно с перенапряжениями;
возможны однополюсные отключения и последующая ненормальная работа участков системы.

Поэтому в электроустановках свыше 1 кВ предохранители имеют ограниченное применение; их используют в основном для защиты силовых трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и статических конденсаторов.

Плавкий предохранитель состоит из следующих основных частей: изолирующего основания или металлического основания с изоляторами, контактной системы с зажимами для присоединения проводников, патрона с плавкой вставкой. Большинство предохранителей имеет указатели срабатывания той или иной конструкции.

Предохранители характеризуют номинальным напряжением, номинальным током и номинальным током отключения. Следует различать номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток предохранителя (контактной системы и патрона). Последний равен номинальному току наибольшей из предназначенных к нему вставок. Для предохранителей переменного тока с номинальным напряжением от 3 до 220 кВ включительно установлены следующие значения номинальных токов:

Номинальные токи предохранителей, А. 8; 10; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400

Номинальные токи плавких вставок, А. 2; 3,2; 5; 8; 10; 16; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400

Номинальные токи отключения, кА. 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40

Под номинальным током отключения следует понимать наибольшее допускаемое действующее значение периодической составляющей тока КЗ, отключаемого предохранителем при определенных условиях. Отечественные аппаратные заводы выпускают плавкие предохранители для напряжений до 110 кВ включительно.

Наибольшая температура частей предохранителя, заряженного любой из предназначенных для него плавких вставок, не должна превышать значений, указанных в табл.1 при температуре воздуха +40°С.

Таблица 1

Наибольшие допустимые температуры частей предохранителей

Защитные характеристики плавких предохранителей

Защитные характеристики представляют собой зависимости времени плавления t_пл или времени отключения цени t_от от соответствующих значений тока, неизменного во времени (рис.1).

Рис.1. Примерный вид защитных характеристик плавких предохранителей

Интервалы времени установлены в пределах от 0,01 с до 1 ч. Защитные характеристики предохранителей необходимы для координации их действия с действием других предохранителей и выключателей. Они могут быть получены только при испытании и сообщаются заводами-изготовителями по запросам. Как видно из рисунка, по мере увеличения номинального тока плавкой вставки характеристики смещаются вправо. Значение тока, при котором плавкая вставка предохранителя плавится в течение 1 ч, должно быть более 130% и менее 200% номинального тока вставки.

Коммутационная способность предохранителей

Предохранитель должен отключать при наибольшем рабочем напряжении любой ток в пределах от тока, плавящею вставку в течение 1 ч, до номинального тока отключения независимо от момента начала КЗ, т.е. при любой асимметрии тока. При этом не должны иметь место разрушения патрона или повреждения частей предохранителя.

Газогенерирующие плавкие предохранители

Газогенерирующие плавкие предохранители (их называют также стреляющими предохранителями) предназначены для наружной установки в устройствах 35 и 110 кВ.

Рис.2. Патрон газогенерирующего плавкого предохранителя типа ПВТ-35

На рис.2 показан патрон предохранителя типа ПВТ-35 (предохранитель выхлопной для защиты силовых трансформаторов и линий напряжением 35 кВ). В корпус патрона 1 помещены трубки 2 и 3 из винипласта, соединенные между собой стальным патрубком 4, а также плавкая вставка 5, прикрепленная одним концом к токоведущему стержню 6, а вторым - к гибкому проводнику 7 с наконечником 8.

Рис.3. Газогенерирующий плавкий предохранитель типа ПВТ-35

Патрон устанавливается на основании предохранителя (рис.3), состоящем из цоколя 1, двух опорных изоляторов 2 с головками - верхней 3 и нижней 4 с зажимами для крепления проводников. На нижней головке укреплен контактный нож 5, снабженный пружиной и сцепленный с наконечником патрона. При перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под действием пружины, тянет за собой гибкий проводник. Под действием дуги стенки винипластовых трубок выделяют газ, давление в патроне повышается и дуга гасится в потоке газа, вытекающего из патрона через нижнее отверстие, а также через клапан бокового отверстия патрубка. Срабатывание предохранителя сопровождается звуковым эффектом, похожим на ружейный выстрел. Гибкий проводник выбрасывается из патрона. Между контактным ножом и концом трубки образуется воздушный промежуток, обеспечивающий изоляцию в месте разрыва. Номинальный ток отключения предохранителя типа ПВТ-35 составляет 3,2 кА.

Кварцевые предохранители

Кварцевые предохранители изготовляют для напряжений 6, 10 и 35 кВ для внутренней и наружной установки. Они относятся к группе токоограничивающих предохранителей.

Рис.4. Патрон кварцевого предохранителя типа ПКТ-10

Патрон предохранителя типа ПКТ для напряжений 3-35 кВ (рис.4) представляет собой фарфоровую или стеклянную трубку 1, плотно закрытую металлическими колпачками 2. Внутри трубки помещена плавкая вставка 3 в виде одной или нескольких параллельно включенных тонких медных проволок. В нижнем колпачке предусмотрен указатель срабатывания предохранителя 4. Патрон заполнен мелким кварцевым песком.

Длина проволок и, следовательно, длина патрона определяются номинальным напряжением. Поскольку градиент восстанавливающейся электрической прочности промежутка в кварцевом песке относительно невелик, длина проволоки должна быть велика. Чтобы поместить ее в патроне, приходится навивать проволоку винтообразно.

Характеристики тугоплавких вставок из меди (температура плавления 1080°С) могут быть улучшены напайкой капель олова или свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 200 и 327°С). При расплавлении металла напайки он растворяет в себе медь, вследствие чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки.

Свойства материала, наполняющего патрон токоограничивающего предохранителя, существенно влияет на работу последнего.

Наполнитель должен удовлетворять следующим требованиям:

отводить тепло от плавкой вставки в нормальном рабочем режиме;
не выделять газа под действием высокой температуры дуги;
обладать достаточной электрической прочностью после разрыва цепи.

Как показал опыт, этим требованиям в наибольшей мере отвечает кварцевый песок.

Процесс отключения цепи токоограничивающим предохранителем при КЗ протекает следующим образом. При большом токе тонкая проволока плавится и испаряется в течение долей полупериода почти одновременно по всей длине. Зажигается дуга. Вследствие высокой температуры газа в канале дуги образуется местное давление (давление в патроне практически не повышается).

Ионизованные частички металла выбрасываются в радиальном направлении в зазоры между песчинками кварца. Здесь они быстро охлаждаются и деионизуются. Сопротивление дуги увеличивается настолько быстро, что ток резко снижается, не достигнув своего максимального значения, а напряжение на дуговом промежутке повышается (рис.5).

Рис.5. Осциллограммы тока и напряжения
при отключении предохранителем типа ПКТ
тока 20 кА при напряжении 6 кВ

Как видно из осциллограммы, напряжение у зажимов предохранителя превышает напряжение сети вследствие появления ЭДС самоиндукции, направленной согласно с напряжением сети. Коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении цепи плавкими предохранителями, не должны превышать следующих значений:

Номинальное напряжение, кВ. 3..6..10..20..35

Наибольшее допустимое перенапряжение по отношению к земле, кВ. 16..26..40..82..126

Для ограничения перенапряжений принимают различные меры: применяют вставки ступенчатого сечения по длине, что затягивает процесс их плавления и удлинения дуги; параллельно основным рабочим вставкам включают вспомогательные вставки с искровым промежутком. В последнем случае при расплавлении рабочих вставок и резком повышении напряжения пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также сгорает. Максимальное напряжение при этом уменьшается.

Токоограничивающая способность кварцевых предохранителей

Токоограничивающая способность кварцевых предохранителей характеризуется зависимостью наибольшего мгновенного значения пропускаемого предохранителем тока от периодической составляющей тока КЗ. Характер этой зависимости показал на рис.6.

Рис.6. Характеристики токоограничения кварцевых предохранителей

Наклонная прямая i_уд дает значение ударного тока, соответствующего току I_п0 при отношении X/R=15,7 (Т_a=0,05с). Наклонные прямые, обозначенные i_max, определяют наибольшие мгновенные значения тока, пропускаемого предохранителями с номинальными токами плавких вставок I_ном1, I_ном2, I_ном3 и т.д. Как видно из рисунка, ограничение тока имеет место при отключаемом токе I_п0, превышающем некоторое минимальное значение, зависящее от номинального тока вставки. Чем меньше последний, тем заметнее токоограничивающее действие предохранителя.

Кварцевые предохранители для защиты измерительных трансформаторов напряжения типа ПКН имеют неограниченную отключающую способность и могут быть установлены в РУ 6, 10, 35 кВ станций, подстанций большой мощности. Они отличаются от обычных кварцевых предохранителей типа ПК материалом плавкой вставки, изготовляемой из константановой проволоки с четырехступенчатым сечением. При КЗ плавление проволоки происходит ступенями. При этом сопротивление четвертой ступени (относительно большого сечения) служит в основном для ограничения тока КЗ до значений, соответствующих номинальному току отключения предохранителей типа ПК.

Выбор плавких предохранителей

При выборе плавких предохранителей руководствуются следующими условиями.

1) Номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать поминальному напряжению установки.

3) Номинальный ток отключена предохранителя не должен быть меньше периодической составляющей тока КЗ (действующего значения за первый период), т.е. I_{откл.ном}≥I_п0

Значение наибольшего мгновенного тока, пропускаемого токоограничивающими предохранителями, не должно превышать допустимых токов аппаратов в защищаемой части сети.

К аппаратам защиты относятся тепловые реле, предохранители, реакторы, разрядники.

Рис. 65. Тепловое реле ТРП:
1 — контактное коромысло; 2 — контактная пружина; 3 — свободный конец биметаллического элемента; 4 — кнопка возврата контактов: 5 указатель регулятора уставок, 6 — наружный нагреватель; 7 — контактный зажим главной цепи; 8 — контактный зажим цепи управления; 9 — механизм регулирования уставки; 10 — контакты; 11 — шкала уставок.

Тепловые реле (рис. 65) служат для защиты электроприемников от перегрузок. Основой их конструкции является биметаллический элемент, нагреваемый пропорционально контролируемому току. Элемент представляет собой две сваренных между собой пластины из разных металлов с резко отличающимися температурными коэффициентами расширения. При одинаковой температуре нагрева пластины удлиняются различно, что приводит к изгибу элемента в сторону пластины с меньшим коэффициентом расширения. Реле срабатывает, если ток перегрузки равен току уставки реле (или больше него).

При нагреве V-образного биметаллического элемента его свободный конец 3, перемещаясь, уменьшает наклон пружины 2, которая удерживает в равновесии контактное коромысло 1. Когда пружина отклонится в противоположную сторону, равновесие коромысла нарушится. Оно резко повернется по часовой стрелке и разомкнет контакты. Реле имеет устройство плавной регулировки тока срабатывания в пределах ± 25 % от номинального значения. Устройство действует путем изменения исходного положения биметаллического элемента посредством регулятора 5 уставок тока. Пределы регулирования тока срабатывания указаны на шкале уставок тока, расположенной -в верхней части реле. Нагреватель 6 является сменной деталью и подбирается по номинальному току защищаемого электродвигателя.

Тепловое реле не защищает цепь от короткого замыкания и само должно быть защищено от него. При коротком замыкании элемент нагревается без отдачи теплоты в окружающую среду. Во многих случаях это может привести к тому, что он будет поврежден до того, как успеет воздействовать на контактную систему.

Промышленностью выпускаются однофазные реле ТРП и двухфазные реле ТРИ. Оба типа реле широко используются комплектно с пускателями и контакторами.

Предохранители служат для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания и перегрузок. Защитным элементом предохранителя является плавкая вставка, которая перегорает при прохождении через нее токов короткого замыкания или перегрузки, разрывая электрическую цепь. В патроне предохранителя могут устанавливаться плавкие вставки на разные номинальные токи, но не более номинального тока патрона предохранителя. Наиболее широко распространены предохранители типов ПР-2 и ПН-2 с закрытыми патронами (рис. 66).

Рис. 66. Предохранители ПР-2 (а) и ПН-2 (б), патроны ПР-2 на 15-60 и 100-1000 А (в) и конструкция плавких вставок ПР-2 (г):
1 — фарфоровая трубка; 2, 5 — плавкие вставки; 3 - контактный нож; 4 - фибровая трубка; 6 — латунная втулка; 7 — латунные колпачки; 8 — фиксирующая шайба; 9 — контактный медный нож.

Предохранитель ПР-2 состоит из фибровой трубки 4 с латунными колпачками 7 и контактного ножа 9. Внутри патрона размещаются одна или две цинковые плавкие вставки 5 в зависимости от тока в защищаемой цепи (рис. 66, в).

Предохранители ПР выпускают на напряжения до 250 и до 500 В и номинальные токи 15, 60, 100, 200. 350, 600 и 1000 А. Плавкие вставки имеют стандартные номинальные токи 15, 20. 25, 35, 60, 80, 100, 125, 160, 200 А.

Наиболее распространенный предохранитель ПН-2 состоит из квадратного фарфорового корпуса с отверстием 1, в которое устанавливается плавкая вставка 2, приваренная к шайбам контактных ножей 3. Патрон заполняют кварцевым песком, который способствует быстрому гашению электрической дуги, возникающей при расплавлении плавкой вставки в предохранителе (рис. 66, д). Плавкая вставка изготавливается из медных пластин толщиной 0,15 — 0,35 мм и шириной до 4 мм.

Рис. 67. Предохранитель ПК-6:
а — общий вид; б — патрон предохранителя на керамическом стержне: в — без стержня
1 — плита; 2 — контакт с замком; 3 — патрон; 4 — контактный колпачок; 5 — контакт; 6 — изолятор; 7 — фарфоровый корпус; 8 — керамический каркас; 9 — плавкая вставка; 10 — проволока; 11 — указатель срабатывания; 12 — легкоплавкие шарики.

В электроустановках напряжением 6 и 10 кВ применяют предохранители серии ПК. Предохранитель ПК (рис. 67) состоит из фарфорового патрона 3, в который помещена медная плавкая вставка 9, латунных контактных колпачков 4, закрытых сверху крышкой и снизу указателем срабатывания П. Патрон заполняется чистым и сухим мелкозернистым кварцевым песком для обеспечения быстрой деионизации электрической дуги и проникновения паров металла вставки в песок при ее перегорании. Патрон с колпачками 4 вставляется в контакт с замком 2. Подсоединение предохранителя к шинам производят через хвостовик контакта 5. Токоведущие части ПК изолированы от металлической плиты 1 опорными изоляторами 6.

Плавкая вставка для номинальных токов до 7,5 А состоит из медных посеребренных проволочек, намотанных на керамический каркас 8 (рис. 67, б). Для токов выше 7,5 А медные проволоки делают в виде спиралей и помещают непосредственно в фарфоровый корпус 7. На проволоки напаивают легкоплавкие шарики 12 для снижения на этом участке температуры плавления вставки предохранителя. Указатель срабатывания 11 состоит из втулки, пружины, головки и удерживающей проволоки 10. При перегорании удерживающей проволоки срабатывает пружина и вставка перегорает. Предохранители ПК выпускаются на номинальные токи от 2 до 300 А.

При больших токах предохранители в каждой фазе спаривают или счетверяют, устанавливая их в цепь тока параллельно в специальных контактных стойках.

Реакторы представляют собой соленоид (катушку без сердечника), обладающий значительным индуктивным и малым активным сопротивлениями, и служат для ограничения тока короткого замыкания. Обычно реакторы устанавливают на отходящих кабельных линиях и в цепях понижающих трансформаторов мощных подстанций.

Рис. 68. Бетонный реактор РБ-10 напряжением 10 кВ:
а — общий вид; б — фаза реактора; в — схема включения обмоток.

Широкое распространение получили бетонные реакторы РБ (рис. 68) с воздушным охлаждением, которые состоят из обмотки 1 и десяти вертикальных радиально расположенных колонок 2, в которых заармировано по два сквозных стержня 4 с резьбой на концах. На нижние их концы навернуты головки опорных изоляторов 3. К верхним концам стержней крепят фланцы изоляторов реакторов, расположенных сверху. В бетонных колонках закреплена обмотка из гибкого многожильного провода с концентрическими витками. Начало и конец обмотки присоединены к контактным зажимам 5.

Реакторы характеризуются индуктивным сопротивлением, номинальным напряжением на фазу, номинальной проходной мощностью, динамической и термической устойчивостью.

Фазы реактора маркируются по их расположению: В — верхняя, С — средняя и Н — нижняя, а подсоединения шин обозначаются А1, В1, С1 — входные и А2, В2, С2 — выходные зажимы.

Направления витков обмотки средней фазы по отношению к верхней и нижней обмоткам должны быть противоположными для уравновешивания электродинамических усилий (рис. 68, в).

Разрядником называется аппарат, обеспечивающий защиту электроустановок от перенапряжений, которые способны серьезно повредить изоляцию электрооборудования. Различают внешние (атмосферные) и внутренние (коммутационные) перенапряжения. Причинами внутренних перенапряжений являются переходные процессы, возникающие при резких изменениях режима работы электроустановки, содержащей нагрузки индуктивного и емкостного характера. Например, при отключении индуктивного тока короткого замыкания возникает коммутационное перенапряжение вследствие явления самоиндукции.

Внешние перенапряжения вызываются атмосферными электрическими разрядами. Вблизи электроустановок эти разряды индуцируют в проводящих контурах электрооборудования перенапряжения. Наибольшую опасность представляют импульсные перенапряжения, возникающие при грозах в результате атмосферных разрядов непосредственно на провода ЛЭП. Перенапряжения при этом превосходят номинальные напряжения в десятки раз.

Для снижения перенапряжения до неопасных для изоляции оборудования значений устанавливают разрядник, который присоединяется с одной стороны к токопроводящей (потенциальной) части установки, а с другой — к заземляющему устройству. В настоящее время для защиты изоляции электрооборудования применяют трубчатые и вентильные разрядники.

Трубчатые разрядники имеют крутопадающую вольт-секундную характеристику, хорошо работают при неравномерных электрических полях, поэтому их применяют для защиты воздушных линий.

При пробое разрядного промежутка трубчатого разрядника между электродами 4 и 3 возникает электрическая дуга. Под воздействием дуги материал патрона 5 генерирует газы, создающие продольное дутье, которое обеспечивает ее надежное гашение. Разряд в трубчатом разряднике сопровождается выбросом ионизированных газов. При этом указатель срабатывания 1 выбрасывается из наконечника 2 и распрямляется, становясь хорошо видимым.

Вентильные разрядники РВС (рис. 69, а) состоят из колонки последовательно включенных искровых промежутков 5 и нелинейных разрядных резисторов 7, выполненных из специальных материалов вилита или тервита.

Рис. 69. Устройство стационарного вентильного разрядника РВС (а), комплект искровых промежутков разрядника РВС (б) и устройство подстанционного разрядника РВП (в):
1 — стальные пластины; 2 — прокладки; 3 — фланцы; 4 — фарфоровый корпус; 5 — комплект искровых промежутков; 6 — нелинейные резисторы; 7 — нелинейные разрядные резисторы; 8 — гетинаксовая прокладка; 9 — фигурная шайба; 10 — воздушный зазор; 11 - герметик; 12 — пружина; 13 — хомут.

Сопротивление разрядных резисторов зависит от напряжения, приложенного к ним, обратно пропорционально ему и нелинейно. При перенапряжениях происходит пробой искровых промежутков. Оказавшись под большим перенапряжением, разрядные резисторы резко уменьшают собственное сопротивление. Однако при восстановлении рабочего напряжения, сравнительно малого по значению, разрядные резисторы резко увеличивают свое сопротивление, чем ограничивают ток и способствуют интенсивному гашению дуги в искровых промежутках.

Сразу после гашения дуги импульсного высокочастотного тока разряда рабочее напряжение восстанавливается. Под его воздействием в искровых промежутках разрядника вновь образуется дуга так называемого сопровождающего тока. Для облегчения гашения дуги применяют нелинейные резисторы 6, шунтирующие искровые промежутки.

Искровые промежутки (рис. 69, б) 5 состоят из ряда последовательно соединенных воздушных зазоров 10, образованных гетинаксовыми прокладками 8 и металлическими фигурными шайбами 9. Комплект промежутков заключен в фарфоровый цилиндр — корпус, охваченный вилитовым подковообразным шунтирующим резистором 6. Комплекты искровых промежутков и диски разрядных резисторов сжаты пружиной 12 между стальными пластинами 1. Корпус разрядника 4 армирован фланцами 3 и герметизирован прокладками 2 из азоностойкой резины, так как вилитовые диски гигроскопичны.

Разрядник РВП (рис. 69, в) имеет аналогичную несколько упрощенную конструкцию. Уплотнение корпуса выполнено с помощью герметика 11. Установку разрядника осуществляют хомутом 13. Дополнительно цилиндрические поверхности дисков покрывают влагостойкой обмазкой, а торцовые поверхности металлизируют.

В настоящее время промышленность выпускает вентильные разрядники серий РВП, РВС; магнитно-вентильные — РВТ, РВМ, РВМГ, РВМК (комбинированные для защиты от атмосферных и внутренних перенапряжений) для номинальных напряжений от 3 до 750 кВ.

Читайте также: