6.10. Выбор аппаратов, защищающих сеть от перегрева

Защищающие аппараты. Каждый участок электриче­- ской сети должен быть снабжен защищающими устройст­- вами, назначение которых — автоматически отключать этот участок, если по нему начнет протекать ток, превосхо­- дящий допустимый по нагреву.

Для защиты сетей напряжением до 1 кВ применяются: а) плавкие предохранители; б) автоматические выключа­- тели с расцепителями; в) тепловые реле, действующие на магнитный пускатель или контакторы.

Для защищающих аппаратов задаются номинальный ток I_{ном.защ.ап}, номинальное напряжение U_ном и зависи­- мость времени срабатывания от тока t_ср(i).

Автоматические выключатели осуществляют отключе­- ние линий, питающих электродвигатели, при перегрузках или коротких замыканиях. Расцепители автоматических выключателей (и соответственно их характеристики) быва­- ют трех типов.

1. Электромагнитный расцепитель (рис. 6.13, а), для которого время срабатывания не зависит от тока. Расцепитель начинает работать при токе, большем тока срабатывания I_ср. В силовую сеть включены последо­- вательно катушка К, по которой протекает ток; защелка З; пружина П; контакты расцепителя КР, замкнутые в нор­- мальном режиме. Когда ток I станет больше I_ср, под воз­- действием электромагнитного поля сердечник катушки про- двинется влево и освободит защелку (штриховая линия), пружина потянет подвижные контакты расцепителя и они разомкнутся. Автоматический выключатель срабатывает и цепь предохраняется.

Автоматические выключатели с электромагнитными рас- цепителями применяются для защиты от токов КЗ, но не от перегрузок.

2. Тепловой расцепитель имеет время сраба­- тывания, зависящее от значения тока (рис. 6.13, б). Прин-

Рис. 6.13. Схемы расцепителей и их временные характеристики:

а – электромагнитный; б—тепловой; в—комбинированный

цип действия аналогичен, но вместо катушки защелка осво­- бождается биметаллической пластинкой. Эта пластинка нагревается при протекании основного тока цепи. Коэффи­- циенты расширения у металлов пластинки разные, поэто­- му при нагревании пластинка изгибается и освобождает защелку. Аналогичную характеристику имеют магнитные пускатели или контакторы с тепловыми реле. Такие расце- пилители применяются для защиты от перегрузки, так как тепловые элементы обладают большой инерцией и не реа­- гируют на пусковые токи. Из-за инерции тепловые расце- пители или реле не успевают отключить цепь при КЗ. Поэтому для защиты от токов КЗ последовательно с пуска­- телями и контакторами с тепловыми реле или автоматиче­- скими выключателями с тепловым расцепителем ставятся плавкие предохранители либо применяются комбиниро­- ванные расцепители.

3. Комбинированный расцепитель представ­- ляет собой сочетание теплового и электромагнитного (рис. 6.13, в). Имеются катушка и биметаллическая пластинка, соединенные последовательно, и каждая из них может дей­- ствовать на защелку.

Плавкие предохранители (ПП) широко применяются, как правило, в сетях до 1 кВ. Если ток КЗ или перегрузки достигает заданной величины, в плавком предохранителе сгорает металлическая вставка и защищает поврежденный участок сети, отключая его от источника питания. Плавкие предохранители работают по характеристике теплового расцепителя. Плавкие предохранители ставят в начале участка сети (рис. 6.14, а).

Номинальным током плавкой вставки предохранителя называют такой, наибольший ток, при котором плавкая вставка может работать бесконечно долго, не перегорая в лабораторных условиях завода-изготовителя (рис. 6.14, б). Наибольший испытательный ток—такой ток, при котором плавкая вставка в лабораторных условиях пере­- горает за 1—2 ч. Наибольший испытательный ток в 1,3—1,5 раза больше, чем номинальный. В условиях эксплуатации можно считать, что плавкая вставка из-за изменения своих характеристик перегорает при номинальном токе. На рис. 6.14, б приведены характеристики ПП 1, 2, 3, которые за­- щищают сеть на рис. 6.14, а.

Пусть на участке сети, защищаемом ПП 3, произошло КЗ (рис. 6.14, в). Будем считать, что токи нагрузок много меньше, чем ток КЗ, при этом токи во всех плавких встав­- ках равны

I₁ = I₂ = I₃ = I_к

Первым срабатывает ПП 3, так как время срабатыва­- ния самое меньшее (t₁<t₂<t₃ на рис. 6.14, б). При КЗ от­- ключается только поврежденный участок сети. Это значит, что ПП 1, 2, 3 работают избирательно или селективно.

Характеристика плавких вставок в относительных еди­- ницах показана на рис. 6.14, г. В относительных единицах I/I_ном большинство характеристик плавких вставок совпа­- дают.

Плавкие вставки делятся на инерционные и безынерци­- онные. Безынерционные срабатывают быстро. Инерцион­- ные сгорают медленнее, они толще, делаются из графита. Промежуточное положение между быстродействующими и инерционными предохранителями занимают малоинерци- онные предохранители.

Для номинальных токов плавких вставок установлена единая шкала в амперах, которой придерживаются заводы- изготовители: 4, 6, 10, 15, 20, 25, 35, 50, 60,80,100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 350, 430, 500, 600, 700, 850, 1000.

Недостаток плавких предохранителей в том, что они не обеспечивают селективность в замкнутых сетях, требуют замены после срабатывания и нередко перегорают только в одной фазе, что приводит к перегреву двигателей, дли­- тельно работающих на двух фазах. Достоинство плавких предохранителей — в их простоте и экономичности. Плав­- кие вставки применяются также в сетях с напряжением бо­- лее 1 кВ.

Выбор защищающих аппаратов. Для правильной рабо- ты защищающего аппарата его номинальный ток должен удовлетворять трем условиям.

1. В нормальном режиме

I_ном = I_{раб.лин} (6.50)

где I_{раб.лин} — рабочий ток линии. Этот ток определяется так (рис. 6.15, а):

I_{раб.лин} =

где К_о — коэффициент одновременности, учитывающий не- одновременность максимума нагрузок. В городских сетях, К_о = 0,8 — 0,3; чем больше число потребителей п, тем мень- ше К_о (рис. 6.15, б).

В промышленных сетях коэффициентом загрузки К_з учи- тывается загрузка электродвигателей, при этом рабочий ток i - го двигателя определяется так:

I_рабi = K_зi I_номi

Рабочий ток линии, питающей п двигателей (рис. 6.15, в),

(6.51)

где К_оК_зi=К_сi — коэффициент спроса.

Условие (6.50) с учетом предыдущего выражения мож­- но записать так:

(6.52)

2. В пусковом режиме осуществляется пуск одного из n двигателей. В линии протекает наибольший кратковре- менный ток, который с учетом (6.51) равен

(6.53)

Рис. 6.15. К выбору защищающих аппаратов:

а, в — схемы сети; б — зависимость коэффициента одновременности от числа по­- требителей; а—отношение пускового тока к номинальному току ПП; д, е—селек­- тивность работы ПП в магистральной и разветвленной сетях

где I_пуск - пусковой ток того двигателя, у которого наи- большая разница между пусковым и рабочим токами.

Номинальный ток защищающего аппарата для одного двигателя

I_{ном.защ.ап} ≥ I_{нб.крат} /α (6.54)

где α — отношение пускового тока к номинальному току плавкой вставки (рис. 6.16, г). Для двигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и большое время пуска — до 40 с, например двигатели подъемных кранов) α = 1,6 для быстродействующих и α = 2 для малоинерционных ПП.

Для двигателей с легким пуском (редкие пуски и малое время пуска t_пуск = 8 — 10 с, например двигатели металло­- обрабатывающих станков) α = 2,5 для быстродействующих и α = 3 для малоинерционных ПП.

Для линии, питающей несколько двигателей, условие аналогичное (6.54), можно записать, используя (6.53), так:

(6.55)

Если несколько двигателей, защищаемых данными ПП, могут самозапускаться после кратковременных перерывов питания или понижения напряжения, то в (6.55) надо учи­- тывать сумму их пусковых токов. Самозапуски на холос­- том ходу при выборе α в (6.54), (6.55) соответствуют лег­- ким пускам, а самозапуски при нагруженных механиз­- мах — тяжелым.

3. Третье условие состоит в том, что защищающие ап­- параты должны работать избирательно (селективно), т. е. должен отключаться только поврежденный или перегру­- женный участок. В разветвленной сети приходится ставить в разных местах несколько последовательно включенных предохранителей, например на главном щите—для защи­- ты магистрального кабеля, на групповых щитках — для за­- щиты групповых ответвлений; наконец, у индивидуальных приемников. В этом случае вставки предохранителей долж­- ны быть подобраны так, чтобы они обеспечивали избира­- тельность (селективность). Первой должна перегореть вставка того ПП, который находится ближе к месту по­- вреждения. Для этого плавкая вставка каждого последую­- щего предохранителя (по направлению от приемника к ис­- точнику питания) должна быть на две или в крайнем слу­- чае на одну ступень (по шкале токов вставок) выше по номинальному току, что иллюстрируется условиями, при­- веденными на рис. 6.15, д, е.

Алгоритм выбора номинального тока защищающего ап- парата и сечения проводника в сетях до 1 кВ можно запи- сать следующим образом.

1. Выбираем номинальный ток защищающего аппарата, удовлетворяющий трем условиям [см. (6.52), (6.55)]:

a)

б)

в) защищающие аппараты должны работать избира­- тельно (селективно).

2. Проверяем сечение проводника F по нагреву, т. е. проверяем, удовлетворяет ли допустимый ток двум услови­- ям [см. (6.47)—(6.49)]:

а) I_доп ≥ I_нб

или в послеаварийном режиме

K_ав I_доп ≥ I_ав.нб

б) I_доп > I_{ном.защ.ап.}

Пример 6.11. Проверим по условиям нагрева сечение и выберем но­- минальные токи плавких вставок предохранителей для выбранной в при­- мере 6.5 кабельной сети (см. рис. 6.8, б), выполненной двумя четырех­- жильными кабелями 0,4 кВ с бумажной пропитанной изоляцией в алю­- миниевой оболочке, проложенными в траншее при фактической температуре 0°С и расстоянии между кабелями 100 мм. Длительность наибольшей нагрузки — 3 ч.

Для одного кабеля сечением 70 мм², проложенного в земле при ее температуре 15°С, длительно допустимый ток равен 200 А (см. табл. П.10), а допустимая температура θ_доп = + 80°С. Учтем следующие по­- правки: на число работающих кабелей, лежащих рядом в земле, К_п = =0,9 (см. табл. 6.7); на температуру окружающей среды и допустимую температуру кабеля К_θ=1,11 (табл. П.11). Определим длительно допус­- тимые токи для кабельных линий по выражению (6.46);

I_доп = 200 ^. 0,9 ^. 1,11= 199,8 А.

Так как I_нб12 = 160,5 А; I_нб23 = 100,8 А, то I_нб12 = 0,8 I_доп; I_нб23 = 0,5   I_доп, т. е. условие (6.47) выполняется. Следовательно, в нормальном режиме работы проектируемой сети кабели с сечением жил 10 мм² удо­- влетворяют условию допустимого нагрева.

Коэффициенты допустимой перегрузки кабелей в послеаварийном режиме в соответствии с табл. П.12 составляют: для линии 12 — 1.25, а для линии 23—1,35.

Допустимый ток равен

I_доп = 200 ^. 1,11 = 222 А.

В послеаварийном режиме наибольшие токи в линиях равны

I_ав.нб12 = 2 ^. 160,5 = 321 А;

I_ав.нб23 = 2 ^. 100,8 = 201,6 А.

Условие (6.48) для линии 12 имеет следующий вид: 1,25 ^. 222 < 321; а для линии 23—вид 1,35 ^. 222 > 201,6.

Условие (6.48) для линии 12 не выполняется, а для линии 23 вы­- полняется. Следовательно, для линии 23 кабель сечением 70 мм² удов­- летворяет условию нагрева в послеаварийном режиме, а для линии 12 тот же кабель не удовлетворяет условию нагрева и не может обеспе­- чить передачу полной мощности в послеаварийном режиме.

Рассмотрим возможность прокладки кабеля с сечением жил 95 мм² на участке 12. Допустимый ток для одного такого кабеля при темпера­- туре земли 0 °С равен

I_доп = 240 ^. 1,11 = 266,4 А.

Условие (6.48) для кабеля сечением 95 мм² выполняется. Следова­- тельно, кабель с этим сечением жил удовлетворяет условию допустимо­- го нагрева как в нормальном, так и в послеаварийном режиме линии. Поэтому выбираем для проектируемой сети сечение жил кабеля F₁₂ = =95 мм², F₂₃ = 70 мм².

По табл. П.13 выберем номинальные токи плавких вставок предо­- хранителей, установленных на головных участках линии для защиты их от перегрузок.

Так как I_раб12 = 321 А, а I_раб23 = 201,6, то на линии 12 в соответствии с условием (6.50) устанавливаем предохранитель типа ПН-2-400/350 с I_ном = 350 А, а на линии 23 ПН-2-400/250 с I_ном = 250 А.

В городских сетях с преимущественной осветительно-бытовой на­- грузкой пусковые токи двигателей [условие (6.53)] не учитываются при выборе плавких вставок предохранителя. Условие селективности работы предохранителей выполняется, так как ток плавкой вставки на головном участке 12 на две ступени выше, чем на линии 23.