2513

71

Для создания максимального прогиба увеличивают температуру и уменьшают толщину пластины, а для создания максимального усилия увеличивают ширину и толщину и уменьшают длину пластины.

Нагрев пластины осуществляется непосредственно пропусканием тока через нее, дополнительным нагревателем или комбинированным методом. Прогиб пластины идет медленно, поэтому в ТР возможна дуга и, следовательно, необходимо предусмотреть увеличение износоустойчивости системы главных контактов. Обычно, для уменьшения времени горения дуги применяют так называемые прыгающие контакты (рисунок 14.2).

Основной характеристикой реле является зависимость времени его срабатывания от тока нагрузки (или кратности перегрузки) (рисунок 14.3).

где Т - постоянная времени нагрева ; Iо - ток предварительной нагрузки ;

I - ток при котором реле срабатывает за время t>>T.

(рисунок 14.3, кривая 1).

Если 0 (крив.2). Обе характеристики имеют одинаковые асимптоты и различаются в средней части.

X2

При коротком замыкании процесс идет без отдачи тепла и t СР Т СР .

X2

Обычно для тепловых реле время срабатывания при коротком замыкании больше времени термической стойкости при к.з., поэтому при коротком замыкании необходимо защищать предохранителями не только объект, но и само тепловое реле.

Аналитическое определение постоянной времени затруднено, но приближенно (Л2)

C G

T (14.6) K S

где С - удельная усредненная теплоемкость ; G - вес пластин ;

К - коэффициент теплопередачи в окружающую среду ; S - площадь поверхности биметаллической пластины.

72

Из 14.6 виден физический смысл постоянной времени: это отношение теплоемкостных свойств пластины к теплопередающим качествам окружающей среды.

Постоянная времени зависит от многих факторов:

1 От режима перегрузки ( Т различно при различных кратностях) перегрузок,

2.От способа нагрева (прямой нагрев меньше, косвенный - больше.

3.От условий теплоотдачи (среда, в которой находится РТ).

Для согласования характеристик объекта и реле прежде всего строятся времятоковая характеристика объекта по заводским данным или по данным расчета. Затем строится аналогичная характеристика биметаллического

элемента для двух случаев =0 и =1. При правильном подборе типа реле его

характеристика при =0 должна проходить вблизи характеристики объекта

.Тогда при предварительном подогреве номинальным током реле обеспечивает надѐжную защиту и сработает при Х=1,2-1,3.

Отметим, что постоянная времени нагрева для двигателей зависит от характера нагрузки. При кратковременных перегрузка в нагреве участвуют только обмотки и постоянная времени двигателя мала (5-10 минут - ввиду относительно малой массы обмоток). При длительной перегрузке нагревается вся масса машины и постоянная времени достигает 40-60 минут. Все это затрудняет согласование токовременных характеристик. Для совершенства защиты Т двигателя и Т теплового реле должны быть как можно более близки. Это удается получить только в случае; если РТ проектируется для конкретного двигателя. Однако промышленность выпускает реле для двигателей различной конструкции и поэтому в области небольших перегрузок абсолютную защиту получить невозможно. Для быстродействующей защиты и реле и объекта необходимо тепловой элемент объединить с электромагнитным, имеющим большой ток срабатывания и практически нулевую выдержку времени.

Практическое согласование РТ и объекта осуществляется выбором равных Iн Срабатывание реле при этом происходит тогда, когда Iср=(1,2-1,3), tср=20 минут.

Самый большой недостаток РТ - зависимость tср от температуры окружающей среды ( с ростом окр среды ток срабатывания уменьшается).

где ср. - номинальная температура окружающей среды (400); - реальная температура окружающей среды.

При температуре сильно отличающейся от номинальной необходимо производить либо плавную регулировку реле, либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды.

73

Для уменьшения погрешностей от влияния температуры окружающей среды применяют 4 метода:

1 Температуру срабатывания им РТ выбирают возможно большей (чтобы относительные колебания температуры были незначительными).

2 Помещают объект и РТ в одном помещении.

3 Удаляют РТ от источников концентрированного тепла.

4 Применяют термокомпенсацию: а) прогиба, рисунок 14.4а;б) усилия, рисунок14.4б.

Конструкция тепловых реле

В качестве примера разберем устройство теплового реле серии ТРП, рисунок 14.5. В холодном состоянии биметаллический элемент 1 удерживается у одного из отгибов упора 2 пружиной 3, которая одновременно прижимает подвижные контакты 4, закрепленные на основании 5 к неподвижным контактам 6. При нагревании биметаллический элемент стремится изогнуться, этому препятствует пружина 3, удерживающая элемент в исходном положении. При токе срабатывания температура биметаллической пластины увеличивается и изгибающее усилие пластины становится достаточным для преодоления усилия пружины. Пластина скачкообразно перемещается к противоположной стороне упора и перебрасывает основание 5 с подвижными контактами в другое коммутационное положение. После срабатывания пластина удерживается на упоре 10 усилием до тех пор, пока по мере ее остывания возвращающее усилие не станет больше удерживающего усилия пластины пружины. При этом мгновенно перебрасываются в первоначально-исходное состояние подвижные контакты.

Скачкообразность перемещения контактной группы обеспечивают постоянство контактного нажатия до момента срабатывания реле, чем создается большая надежность работы механизма. Момент срабатывания биметаллического элемента регулируется изменением числа прокладок 7 между корпусов 3 и скобой 9, на которой качается основание с контактами(см. плакат).

Время возврата реле в исходное состояние регулируется подгибом конца упора 2 ( см. плакат), контакты мостикового типа с серебряными напайками.

Гарантированное отсутствие самовозврата для реле с замыкающим контактами может быть обеспечено в условиях эксплуатации путем перевертывания упора 10 и закрепления его так, чтобы основание 5 после срабатывания реле не упиралось в упор 10, а запрокидывалось настолько, что возврат биметаллической пластины в исходное состояние не вызывал бы возврата контактной группы.

Ручной возврат реле в исходное состояние осуществляется кнопкой ТЗ. Калибровка реле на заданный номинальный ток производится поворотом эксцентрика. Реле монтируется в коробчатом пластмассовом корпусе.

Другие типы реле рассмотрены в Л.1, Л.З.

74

15 ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Предохранитель - коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой пени путем разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока .превышающего определенные значения. Предохранители низкого напряжения изготовляются на токи от миллиампер до 1000 ампер.

Широкое применение предохранителей привело к многообразию их конструкций. Однако несмотря на это все они имеют основные элементы: корпус, плавкую вставку, дугогасительное устройство. Важнейшей характеристикой предохранителя является зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока - времятоковая характеристика(рисунок 15.1)

Работу предохранителя протекает в двух резко отличных режимах: в нормальных условиях и в условиях перегрузок и коротких замыканий. В первом случае нагрев вставки имеет характер установившегося процесса. При этом кроме вставки до установившихся температур нагревается и другие детали предохранителя. Эти температуры не должны превышать допустимых

значений а ток номинального тока плавкой вставки - Iном. Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя, указанный на нем равен наибольшему номинальному току плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя. При увеличения тока нагрузки растет температура вставки, наибольший ток при котором вставка не перегорает длительное время называется плавящим током ,бесконечности. Его значение зависит от многих факторов: сечения вставки, ее формы. Материала, длины, конструкций предохранителя и др. Значение плавящего тока обычно нормируется. При калибровке задаются минимальный ток бесконечности равный 1,3 - 1,4 тока номинального, при котором плавкая вставка не должна перегорать в течении 1-2 час. и максимальный ток бесконечности равен 1,6 тока номинального, при котором вставка должна плавиться за время до 2 час.

При токах превышающих ток плавления: I > Iплавкая вставка должна перегореть в кратчайшее время.

Чтобы достигнуть резкого сокращения времени плавления используют два метода:1) придают вставке специальную форму(рисунок 15.2а); 2) - используют металлургический эффект(рисунок 15.2б).

Во многих конструкциях плавкой вставки придается такая форма (рисунок 15.2), при которой электродинамические силы, возникающие при токах короткого замыкания, разрывают вставку до того, как она успеет расплавиться. Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы ( олово, свиней) способны в расплавленном состоянии растворять дугоплавкие металлы типа меди и серебра. Полученный таким образом раствор обладает иными характеристиками (увеличенным

75

электрическим сопротивлением и пониженной температурой плавления) поэтому плавкая вставка перегорает за более короткий промежуток времени.

Этот способ может применяться только при тонких вставках. Например: при диаметре легкоплавкого шарика 1 мм для проволок диаметром 0,3 мм и при диаметре 2 мм для проволок до 1 мм. При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается. Рассмотренные способы ускорения перегорания вставки приводят к главному достоинству плавких предохранителей -токоограничивающему их действию. Ток короткого замыкания ограничивается в 2 - 5 раз. тем самым снижается разрушительное действие электродинамических сил. Гашение дуги возникающей после перегорания вставки должно быть осуществлено в возможно более короткое время.

Наибольший ток. который плавкий предохранитель может отключать бeз кaких-либо повреждений и деформаций, препятствующих его дальнейшей исправной работе после смены плавкой вставки, называется предельным током отключения предохранителя.

В современных предохранителях в закрытыми патронами без наполнителя дуга гасится за счет высокого давления, возникающего в патроне вследствие появления дуги, а при наличии наполнителя - за счет интенсивного охлаждения дуги наполнителем и высокого давления, вызываемого дугой в узких каналах патрона предохранителя. При этом гашение дуги происходит в ограниченном объеме патрона предохранителя. За пределы патрона не выбрасывается ни пламя дуги . ни ионизированные газы. Достаточно совершенная система дугогашения совместно с токоограничивающим действием вставки приводит к неограниченной отключающей способности плавких предохранителей: они могут применяться для защиты цепей, в которых установившейся ток короткого замыкания мог бы достигнуть очень больших значений ( 280 -500 кА). Плавкие вставки изготовляются из свинца, сплава свинца с оловом, цинка, серебра, меди и др. Широкое распространение получили цинковые вставки, так как поры цинка имеют относительно высокий потенциал ионизации, что способствует гашению дуги. Вставки из меди и серебра получаются меньшего сечения, но недостатком их является высокая температура плавления, что приводит к быстрому разрушению предохранителя в целом. Медные вставки обязательно должны иметь антикоррозийное покрытие , в противном случае происходит уменьшение сечения вставки и несвоевременное перегорание.

Конструкции предохранителей.

ПР-2 - предохранитель с закрытым разборным патроном без наполнителя. Изготовляется на напряжения 220 - 500 В, номинальные токи 151000 А, отключающая способность 1,2 - 20 кА. Предохранитель состоит из двух контактных стоек и одного патрона внутри которого размещены одна или две плавкие вставки из цинка ЦО или ЦI. Патрон из фибры . который является сильным газогенератором. Гашение дуги происходит за счет увеличения ее длины и давления в патроне.(рисунок 15.3)

76

ПРС - предохранитель с закрытым разборные патроном на 350 В постоянного тока и 380 В переменного тока. На токе от I ~ 690 А. Предохранители состоят из контактной гильзы фарфорового или стеатитового основания и плавкой вставки.(рисунок 15.4). Отключающая способность до 15 кА.

ПН - 2 - предохранители предназначены для защиты силовых цепей с напряжением до 500 В и токами ТОО. 250, 400 и 630 А. Обладают токоограничивающим действием и высокой разрывной способностью.(рисунок

15.5).

Состоят из квадратного корпуса круглым отверстием с каждого торца. В корпус введена плавкая вставка приваренная точечной сваркой к шайбам выводных контактов. Внутренняя полость трубки наполняется кварцевым песком. Плавкая вставка выполняется из одной или нескольких медных ленточек. Для снижения нагрева при малых перегрузках применяется металлургический эффект. Токоограничивающая действия до 1ОО кА. ПН2 находится на уровне лучших современных конструкций.

Предохранителей с закрытым патроном, с наполнителем , быстродействующие серии НПБ2 выпускаются на номинальные токи 40-630 А и предназначены для защиты электрических устройств с полупроводниковыми силовыми вентилями. Ампер-секундная характеристика предохранителя лежит ниже ампер-секундной характеристики вентиля. Предохранители могут устанавливаться как со стороны переменного тока (номинальное напряжение 380 В), так и со стороны выпрямленного тока.

Предохранители этой серии отличаются от предохранителей серии ПН2 конструкцией плавкой вставки. Плавкая вставка изготовляется из серебряной ленты и имеет сечения, рассчитанные соответствия с требованиями защитной характеристики предохранителей.

Предохранители высокого напряжения

Назначение и принцип работы предохранителей высокого напряжения такие же как и предохранителей низкого напряжения -это гашение дуги. В современных конструкциях применяется главные образом гашение в узких каналах при высокое давлении ( предохранители с мелкозернистым наполнителем) и гашение при помощи автогазового или жидкостного дутья.

Предохранители с мелкозернистым наполнителем серии ПК и ПКТ Выполняются на напряжения 3, 6, 3, 10 и 35 KB и номинальные токи 400, 300, 200 и 400А соответственно. Наибольшая разрывная способность - 200 МВА для силовых предохранителей - 10ООМВА и более (неограниченно) у предохранителей (серия ПКТ) на малые токи для защиты цепей измерительных трансформаторов напряжения. Такая высокая отключающая способность достигается токоограничивающим эффектом. Полное время отключения силовыми предохранителями тока короткого замыкания при большой кратности достигает 0,005 - 0.007 с. Предохранители предназначены для внутренней и наружной установки.

77

Предохранитель (плакат) состоит из контактных стоек I, укрепленных через соответствующие изоляторы 2 на стальном основании 3. и патрона 4. Патрон состоит из изоляционного корпуса 8,амированного по концам латунными колпаками 13 и закрытого герметично с обеих сторон крышками 5. Внутри патрона размещаются плавкие вставки 7. Весь объем заполнен кварцевым песком 6. Перегорание предохранителя сигнализируется якорем 14. который после перегорания удерживающий его стальной указательной вставки II выталкивается пружиной 12.

На малые теки плавкая вставка выполняется в виде намотки из тонких проволок 9 на керамическом сердечнике 10. На большие токи плавкие вставки выполняются в виде отдельных спирально свитых проволок 9,(плакат). Проволоки медные, посеребренные либо константановые. Такая форма вставок обусловлена стремлением разместить достаточно длинную вставку в патроне ограниченной длины. Согласно работе (6), длина плавкой вставки ( в мм) для

этих предохранителей l 0,16 0,017Uном ; Uном - номинальное напряжение,

кВ.

Для снижения температуры предохранителя при небольших перегрузках на места скрутки плавких вставок напаяны оловянные шарики. На токи 7,5 А и ниже для ограничения перенапряжения вставка имеют переменное сечение. Разное время перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при отклонении.

Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги (плакат) выполняются с короткой плавкой вставкой. Плавкая вставка из медной (токоведущей) и стальной (удерживающей) частей.

После расплавления (перегорания) вставки (сначала медной, а затем стальной частей) дуговой промежуток удлиняется с помощью пружин или давления образующихся газов. Дуга втягивается в дугогасящую среду и под действием газового или жидкостного дутья гаснет.

Встреляющем предохранителе (тип ПСН - плакат) вытягивание гибкой связи из патрона осуществляется пружиной ножа связанного с контактным наконечником . Дуга, втянутая в газогенерирующую трубку , резко повышает давление в трубке (до 10-12МПа) и создает весьма интенсивное продольное автодутье. Гибкая связь окончательно выбрасывается из патрона, дуга энергично гасится. Гашение сопровождается выбросом раскаленных газов, световым и звуковым эффектом.

Вжидкостном предохранителе (плакат) пружина растягивая дуговой промежуток, тянет поршень и проталкивает через отверстия жидкость, заполняющую весь объем под поршень. Создаваемое интенсивное продольное дутье надежно гасит дугу.

Автогазовое и жидкостное гашение позволяет создать конструкции предохранителей на напряжения 110-220 кВ с отклоняющей способностью до

1500 кВА

78

16 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Автоматическими выключателем называется аппарат, производящий отключение электрической цепи. если какой-либо из контролируемых параметров этой цепи достигает значения, опасного для нормальной работы; следовательно, основное назначение автоматических выключателей (автоматов) защита электрических цепей от аварийных режимов работы. Наибольшее распространение нашли автоматы максимального тока.

Исходя из назначения автоматов, определяется и требования к нему: высокая надежность, мощное дугогасителъное устройство, высокое быстродействие на отключение.

Конструкция автоматического выключателя включает обычно четыре основных функциональных узла: I. чувствительный орган, или расцепитель; 2. механизм включателя; 3. контактный узел с дугогасительным устройством; 4. привод выключателя (см. образец). Эти функциональные узлы могут быть и конструктивными законченными узлами ( как. например, расцепитель в нормальных автоматах ), а могут быть и одним целым (как, например, чувствительный орган и механизм в быстродействующих автоматах). Схема взаимодействия функциональных узлов автомата показана на рисунке 16.1.

Блок-контакты автомата могут быть связаны как с положением главных контактов автомата, так и с положением привода, поскольку положение привода может и не соответствовать положению главных контактов, если автомат имеет механизм свободного расцепления. Чувствительный орган автомата воспринимает сигнал контролируемой величины и производит ее сравнение с заданной величиной, т.е. является основная элементом защиты. Если величина сигнала превышает заданную величину, то происходит срабатывание чувствительного органа и срабатывает механизм выключателя, а иногда , для увеличения быстродействия автомата усилие передается непосредственно на главные контакты.

Чувствительный орган, который при срабатывании освобождает механизм выключателя который выполняется в виде отдельного узла часто называют расцепителем. Автомат может иметь несколько чувствительных органов, реагирующих на различные сигналы или отрегулируемых на различные уровни сигналов. Основным требованием, предъявляемым к расцепителю, является надежность, стабилъностъ в работе. По времени срабатывания расцепители разделяются на две группы: I. мгновенные, применяемые для защиты от аварийных режимов ( т.н. к.з. ); 2 выдержкой времени, применяемой для защиты от перегрузок селективных автоматов.

По принципу действия наибольшее распространение нашли электромагнитные и тепловые расцепители. Электромагнитные расцепители представляют собой обычный электромагнит, в которое катушка воспринимает контролируемую величину тока иди напряжения. Возникающее при этом электромагнитное усилие притяжения сравнивается с усилием возвратной пружины; в случае превышения заданной величины якорь воздействует на

79

механизм выключателя, вызывая его срабатывание. Электромагнитные расцепители обычно являются мгновенными и применяются для защиты от аварийных режимов. Конструктивно электромагнитные расцепители выполняются с поворотным якорем клапанного типа или прямоходным якорем типа соленоида или броневого магнита. Последнее находит в автоматах все более широкое применении вследствие удобного конструктивного исполнения (см. образец). Расчет электромагнитного расцепителя практически не отличается от расчета электромагнитного механизма.

Тепловой расцепитель обычно выполняется на базе биметаллической пластины, он работает с выдержкой по времени и применяется для защиты от токовых перегрузок. Конструктивно свободный конец биметаллической пластины часто выполняет функцию защелки, удерживающей, механизм выключателя во включенном положении. Регулировка тока срабатывания теплового расцепителя часто осуществляется за счет изменения величины перекрытия защелки: чем больше перекрытие, тем больший прогиб биметаллической пластины требуется, т.е. срабатывание происходит либо при большем токе, либо за большее время.

Расчет теплового расцепителя сводится к определению усилия и прогиба биметаллической пластины, а также к определению времени ее нагрева.

Электромагнитные расцепители часто используются в качестве так называемых "независимых" расцепителей. срабатывание которых происходит при подаче сигнала на катушку расцепителя. В этом случае роль рацепителя сводится лишь к передаче сигнала о срабатывании на механизм автомата; подобного рода расцепители используются и для дистанционного оперативного отключения автомата. Расчет независимого расцепителя аналогичен расчету промежуточного реле, так как их функции практически одинаковы.

Чрезвычайно целесообразно применение комбинированных электромагнитных расцегителей, осуществляющих защиту как от токов короткого замыкания (мгновенного действия), так и от токов перегрузки (с задержкой времени, причем оба рода защиты объединены в одной конструкции расцепителя. Электромагнитные расцепители в автоматах на значительные мощности рекомендуется применять на постоянном токе, как более надежные. С целью

.уменьшения влияния вихревых токов, которые могут бытъ значительными при большой скорости нарастания тока короткого замыкания, магнитные системы электромагнитных расцепителей изготовляются шихтованными из электротехнической стали.

Контактный узел автомата это прежде всего главные контакты, осуществляющие отключение защищаемой цепи. В автоматах, разрывающих большие мощности, контактный узел часто выполняется из главных и параллельно им включенных дугогасительных контактов, которые осуществляют гашение возникающей дуги, а иногда имеет еще и третью ступень - промежуточные контакты.

80

Посколъку частота работы контактов очень мала., то на них нередко применяются напайки из серебра или из серебряной металлокерамики; притерание сводится к минималъной величине. Конструкция дугогасительной системы •выполняется очень мощной, с магнитным дутьем, широкое применение находят и деионные решетки Основные требования; предъявляемые к контактному узлу и дугогасителю -высокая надежность, термическая электродинамическая стойкость контактов, высокая разрывная способность дугогасительного устройств.

Привод - устройство для включения и неавтоматического выключения автомата, воздействующее на его механизм. Обычно выполняется в виде кнопок, рукояток или рычагов; для мощных автоматов привод как правило дистанционный (электроктромагнитный, моторный, пневматический.