Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические и электронные аппараты. Лабораторный практикум
.pdf
2.5. Лабораторная работа 5. Исследование плавких
предохранителей
Цели работы: изучить область применения плавких предохранителей, особенности конструкции и работы; научиться снимать времятоковую
характеристику предохранителя.
Общие сведения
В истории развития электротехники плавкие предохранители являлись первыми устройствами защиты электрических цепей от перегрузок и
КЗ. Они не утратили своего значения до настоящего времени благодаря
надежности, низкой стоимости, удобству согласования характеристик с
защитными характеристиками объектов.
Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для
защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ. Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая последовательно с защищаемой цепью, и дугогасительное устройство.
Принцип срабатывания предохранителя состоит в следующем. При
увеличении тока металлическая вставка плавится, что приводит к размыканию электрической цепи. Так как срабатывание предохранителя происходит при больших токах, то процесс плавления вставки и размыкания цепи сопровождается возникновением и последующим гашением электрической дуги.
Устройство предохранителя показано на рис. 2.14, а.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2.14. Конструкции предохранителя (а) и плавких вставок (б, в, г)
Предохранитель состоит из изоляционного корпуса 1, металлической
плавкой вставки 2, металлических крышек корпуса 3. Предохранители,
рассчитанные на большие токи, имеют токоподводы 4, кроме того, в корпус засыпается мелкозернистый наполнитель. Корпус предохранителя изготавливается из керамики (фарфор, стеатит) или стекла. Керамика и стекло обладают высокими изоляционными свойствами, но критичны к удар-
31
ным механическим воздействиям. Ударные давления внутри корпуса возникают при отключении больших токов. Эффективное снижение давления
внутри корпуса достигается применением наполнителя. Наполнитель поглощает энергию (тепло), выделяющуюся при гашении дуги. Это способствует снижению температуры и, как следствие, снижению давления газа
внутри корпуса. В качестве наполнителя используют кварцевый песок с
нормированным (ограниченным) содержанием примеси или меловую пудру.
Плавкая вставка предохранителя нагревается протекающим током.
Нагрев вставки определяется выражением
2
I
R
0
1 + α
kтS
охл
τk
с
0
,
τ =
P
k
тSохл
=
где – превышение температуры вставки над температурой окружающей
среды при нагреве; P– мощность, выделяемая во вставке при протекании
тока; k
ния вставки; I – ток, протекающий через плавкую вставку; R
ское сопротивление вставки в холодном состоянии; α
коэффициент сопротивления; k
– коэффициент теплоотдачи; S
т
– коэффициент запаса, учитывающий
0
– площадь поверхности охлажде-
охл
– электриче-
0
– температурный
с
уменьшение сечения, обусловленное окислением вставки.
При номинальном токе мощность, выделяемая во вставке, должна
быть минимальной. Это условие необходимо для снижения потерь мощности в схеме электроснабжения, а также для снижения габаритных размеров
предохранителя. Снижение потерь мощности достигается уменьшением
электрического сопротивления, зависящего от температуры вставки. Следовательно, в номинальном режиме вставка должна иметь хороший отвод
тепла.
Для интенсивного отвода тепла используют различные конструктивные исполнения предохранителей. Фигурные вставки (рис. 2.14, б) имеют
зоны утолщения с большой поверхностью охлаждения. Параллельные
вставки в одном предохранителе (рис. 2.14, в) с заданным суммарным поперечным сечением имеют большую поверхность охлаждения, чем одиночная вставка. В засыпных предохранителях отвод тепла от вставки к
стенкам корпуса через наполнитель улучшает условия охлаждения. В режиме перегорания вставки предпочтительно увеличение сопротивления,
что приведет к быстрому срабатыванию предохранителя, уменьшит уровень тока КЗ. При КЗ процесс нагрева можно считать адиабатическим.
Следовательно, охлаждение вставки на процесс перегорания не влияет.
Явление резкого изменения сопротивления используется во вставках с металлургическим эффектом (рис. 2.14, г). При номинальном токе сопротив-
ление вставки мало. При повышении тока вставка нагревается до температуры плавления металла, из которого изготовлен шарик. В зоне плавления
32
образуется сплав, удельное сопротивление которого много выше, чем сопротивление чистого металла.
Наиболее распространенные материалы плавких вставок – медь и
цинк, реже применяются свинец и серебро. Основным критерием при выборе материала следует считать способность материала сохранять заданную площадь поперечного сечения. Медные вставки при изготовлении
подвергают лужению для защиты от коррозии. Цинк устойчив к коррозии,
поэтому сечение цинковых вставок в процессе эксплуатации не меняется и
их защитные характеристики стабильны. Вставки выполняют из калиброванного проката круглого или прямоугольного сечения.
Расчет пограничного тока плавкой вставки
Значение пограничного тока I
принимается несколько больше но-
погр
минального тока защищаемой цепи
Значение коэффициента k
= k
I
погр
принимается в пределах 1,6…1,8 для ме-
0
0Iном
.
ди, 1,25…1,45 для цинка и 1,8…2,0 для свинца.
Пограничный ток бесконечно длинной вставки в воздухе без учета
охлаждения теплопередачей определяется из выражения
2
где
R = k
I
погр
– температура плавления материала вставки;
пл
тSохлτпл
– τ
, (2.7)
окр
– температура
окр
окружающей среды.
Электрическое сопротивление вставки определяется выражением
l
где ρ
0
1 + α
R = ρ
– удельное электрическое сопротивление при нормальной темпера-
0
сτпл
, (2.8)
q
туре; l – длина вставки; q – площадь поперечного сечения вставки.
Конвективное охлаждение происходит с наружной поверхности
вставки, поэтому площадь охлаждения вставки определяется по формуле
= pl, (2.9)
S
охл
где p – периметр вставки.
С учетом формул (2.8) и (2.9) из выражения (2.7) определяется пограничный ток плавкой вставки
k
I
погр
=
pqτ
т
ρ
0
1 + α
пл
– τ
сτпл
окр
.
Для круглой вставки диаметром d это выражение приобретает вид
3
π2d
τ
I
погр
=
1 + α
пл
– τ
сτпл
k
т
4ρ
0
окр
.
33
где
щищ
t
В расчетах часто используют формулу
3
τ
пл
1 + α
0
2
d
,
– τ
сτпл
A
I
= A
погр
2
k
π
т
=
0
4ρ
0
окр
.
зависит только от физических констант, величи-
0
на A
Так как значение A
постоянна для выбранного материала.
0
Времятоковые характеристики предохранителей
Основной характеристикой предохранителя является времятоковая –
зависимость времени плавления вставки от протекающего тока. Для со-
вершенной защиты желательно, чтобы
3
2
1
А
Б
времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 2.15) во
всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2).
Однако реальная характеристика
предохранителя (кривая 3) пересекает
I
ном.н Iпогр.
Рис. 2.15. Согласование
характеристик предохранителя
и за
аемого объекта
i
кривую 2. Это объясняется следующим
обстоятельством. Если характеристика
предохранителя соответствует кривой
1, то цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок.
Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.
При небольших перегрузках (1,5...2,0) I
нагрев предохранителя
ном
протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде.
Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки. Ток,
при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся
температуры, называется пограничным током I
хранитель не срабатывал при номинальном токе, необходимо I
другой стороны, для лучшей защиты значение I
. Для того чтобы предо-
погр
> I
погр
должно быть возможно
погр
ном
. С
ближе к номинальному. При токах, близких к пограничному значению,
температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления. В связи с тем, что время плавления вставки при пограничном токе велико (более 1 ч) и температура плавления её материала составляет много
сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высо-
34
ких температур. Происходит тепловое старение плавкой вставки. Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяют
легкоплавкие металлы и сплавы.
Нагрев плавкой вставки при КЗ
Процесс сгорания предохранителя длится не более нескольких секунд. Количество тепла, отводимое от вставки в окружающую среду за это
время, очень мало, поэтому процесс можно считать адиабатическим, т.е.
таким, при котором вся тепловая энергия расходуется на нагрев материала
вставки.
Время срабатывания предохранителя t
t
= tпл + t
ср
перех
состоит из трех составляющих
ср
+ t
дуги
,
где t
плавления; t
в жидкое; t
– время нагрева вставки от начальной температуры до температуры
пл
– время перехода материала вставки из твердого состояния
перех
– время гашения дуги.
дуги
Время нагрева вставки до температуры плавления определяется по
формуле
2
A
пл
=
2
к
– ток, протекающий по вставке при
к
1 + α
1 + α
J
,
2
к
сτпл
сτн
,
= A
t
где A
пл
– постоянная величина, определяемая только свойствами материала
пл
пл
и от размера вставки не зависящая; I
КЗ защищаемой цепи; J
Постоянная величина A
– плотность тока в плавкой вставке при КЗ.
к
рассчитывается по следующему выражению:
пл
γc
=
A
пл
α
ρ
с
0
q
I
ln
где γ – удельный вес материала; c – теплоемкость материала;
ная температура вставки.
Время перехода материала вставки из твердого состояния в жидкое
t
перех
=
пл
1
2
q
= A
2
I
к
перех
γL
ρ
ln
ρ
пл
– ρ
1
ρ
2
q
,
2
I
к
– началь-
н
где L – скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки;
– удельное электрическое сопротивление расплавленного материала
ρ
пл
вставки; ρ
– удельное электрическое сопротивление материала вставки в
1
твердом состоянии при температуре плавления.
Составляющая t
, определяемая временем гашения дуги в предо-
дуги
хранителе, не поддается расчету. Она учитывается введением эмпирических коэффициентов в формуле для расчета полного времени срабатывания предохранителей.
Таким образом, для открытой вставки в воздухе полное время срабатывания предохранителя определяется выражением
35
Для предохранителя с наполнителем расчет времени срабатывания
ведется по формуле
A
=
t
ср
1,2…1,3
Aпл +
перех
3
2
q
.
2
I
к
A
t
=
ср
1,7…2,0
Aпл +
перех
3
2
q
.
2
I
к
Основным параметром предохранителя при КЗ является предельный
ток отключения. Это ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшему рабочему напряжению. Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим
сечением. Процесс нагрева перешейка протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводиться на участки повышенного сечения. Наличие пе-
решейков уменьшенного сечения
I
к. уст
I
к уст
позволяет резко снизить время с момента начала КЗ до появления дуги.
Процесс гашения дуги начинается до
момента достижения током КЗ установившегося или даже амплитудного
откл
I
t
1
t
Рис. 2.16. Работа предохранителя
с токоограничением
значения (рис. 2.16). Дуга образуется
через время t
после начала КЗ, когда
1
ток в цепи значительно меньше установившегося значения I
к уст
.
Средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды.
При этом проявляется эффект токо-
ограничения, показанный на рис. 2.16. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, так как отключается не
установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки.
С ростом номинального тока возрастает, естественно, и минимальное
сечение вставки. Увеличение этого сечения приводит к возрастанию длительности плавления вставки и уменьшению эффекта токоограничения. Интенсивный отвод тепла от вставки при номинальном режиме позволяет выбрать уменьшенное сечение вставки и повысить эффект токоограничения.
Описание лабораторной установки
Для проведения эксперимента используются однофазный источник
питания (блок 218), сдвоенный реактор (блок 373). Время срабатывания
измеряется с помощью измерителя тока и времени (блок 524). Питание на
блок предохранителей (374) подается от автотрансформатора (блок 318.2)
через автоматический однополюсный выключатель (блок 359) и однофаз-
36
ный трансформатор (блок 372). Величина напряжения измеряется мультиметром блока 508.2. Электрическая схема соединений показана на рис. 2.17.
Порядок выполнения работы:
1. Соединить желто-зелеными проводниками гнезда защитного зазем-
ления используемых в работе блоков с гнездом «РЕ» автотрансформатора.
2. Собрать электрическую схему в соответствии с рис. 2.17. Переключатель пределов мультиметра, используемого в качестве вольтметра,
установить в положение «200 V» переменного тока, прибор подключать
через гнезда «СОМ» и «V».
Рис. 2.17. Схема лабораторной установки
3. Отключить автоматический однополюсный выключатель.
4. Повернуть регулировочную рукоятку автотрансформатора в крайнее против часовой стрелки положение.
5. Включить однофазный источник питания, выключатели «СЕТЬ»
автотрансформатора, блока мультиметров, измерителя тока и времени.
6. Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора, установить по вольтметру напряжение на выходе автотрансформатора, равное,
например, 100 В.
7. Включить автоматический однополюсный выключатель.
8. После перегорания предохранителя снять показания тока I и времени t, высвечивающиеся на индикаторах измерителя тока и времени, и
занести их в табл. 2.6.
I, А
t, с
9. Отключить выключатель и заменить перегоревший предохранитель.
10. Увеличить напряжение на выходе автотрансформатора на 2...3 В.
11. Повторить операции, начиная с включения выключателя и заканчивая заменой предохранителя.
Таблица 2.6
37
12. Отключить автоматический выключатель в однофазном источнике питания, выключатели «СЕТЬ» автотрансформатора, блока мультиметров, измерителя тока и времени.
13. По результатам табл. 2.6 построить времятоковую характеристику t = f(I) предохранителя.
В отчете к лабораторной работе следует указать цель работы, привести электрическую схему установки, таблицу с результатами измерений,
экспериментальную времятоковую характеристику, на которой указать
значение пограничного тока. Сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Как зависит значение пограничного тока от диаметра вставки?
2. Как влияют форма и конструкция предохранителя на его характе-
ристики?
3. Назовите требования, предъявляемые к предохранителям.
4. Назовите преимущества фигурных вставок по сравнению с одно-
родными.
5. Приведите критерии выбора материала вставки.
6. В каких случаях используются параллельные вставки?
7. Поясните работу предохранителя с токоограничением.
8. Назовите достоинства и недостатки плавкого предохранителя по
отношению к тепловому, индукционному и электромагнитному реле защиты.
2.6. Лабораторная работа 6. Исследование реле тока и напряжения
Цели работы: изучить конструкции и принцип действия электромагнитного реле тока и напряжения; экспериментально определить коэффициент возврата реле.
Общие сведения
Электромагнитные реле благодаря простоте конструкции и надежности широко распространены в схемах электропривода и схемах защиты
энергосистем. Электромагнитные реле приводятся в действие с помощью
электромагнитов постоянного или переменного тока.
Токовые реле применяются в схемах релейной защиты электрических цепей от сверхтоков или токов КЗ. Сверхтоками называются токи, величины которых превышают номинальные для данного объекта. Если величина тока превышает номинальный в десять и более раз, то его называют током КЗ.
Конструкция реле защиты определяется требованиями, предъявляемыми к ним. Реле защиты должны удовлетворять следующим требованиям:
38
1) высокий коэффициент возврата;
2) возможность регулировки параметра срабатывания;
3) устойчивость к токовым перегрузкам;
4) хорошие условия охлаждения;
5) заданное быстродействие.
Электромагнитные реле выполняются с малым временем срабатывания (порядка 0,02 с).
Для реле защиты энергосистем и электропривода, контролирующих
значение тока в узких пределах, коэффициент возврата (отношение тока
отпускания I
к току срабатывания Iср) kв = I
отп
отп/Iср
должен быть возможно
ближе к единице.
Максимальные реле тока применяются в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики, реагируя на повышение тока в контролируемой цепи. В реле использована одна из разновидностей электромагнитных систем, называемая системой с поперечным движением якоря,
представленная на рис. 2.18. Магнитная
система реле состоит из П-образного
шихтованного магнитопровода 5 и Гобразного якоря 3, вращающегося на
двух полуосях 6. Якорь реле удерживается в начальном положении с помощью противодействующей спиральной
пружины 7, один конец которой связан
с якорем, а другой – с указателем уставки 8. При повороте указателя уставки
изменяются противодействующий момент пружины и, соответственно, ток
срабатывания реле. Необходимое поло-
Рис. 2.18. Реле максимального
тока
жение указателя определяется по делениям, нанесенным на шкале 9. На якоре закреплена пластмассовая колодка
10 с подвижным контактным мостиком 11. В верхней части скобы 2, свя-
занной с якорем, закреплен полый барабанчик 1. Барабанчик имеет внутри
радиальные перегородки и заполнен сухим кварцевым песком.
При любом ускорении подвижной системы песчинки приходят в
движение, и часть сообщенной якорю энергии тратится на преодоление
сил трения между песчинками. Это приводит к значительному снижению
вибраций подвижной системы от переменной составляющей тяговой силы
электромагнита и уменьшает вибрацию контактов при их соударении. На
магнитопроводе расположены катушки 4, концы которых выведены на зажимы цоколя реле. Перестановкой перемычек на этих зажимах можно
осуществить параллельное и последовательное соединения катушек и, со-
39
ответственно, изменять величину уставок срабатывания в два раза. Все
элементы реле смонтированы на рамке из алюминиевого сплава, укрепленной на пластмассовом цоколе, и закрыты прозрачным кожухом.
При прохождении тока по обмотке реле создается магнитный поток,
который замыкается через сердечник и якорь. Поток, пронизывая якорь,
намагничивает его. Электромагнитная сила, пропорциональная квадрату
магнитного потока, притягивает якорь к полюсам сердечника, при этом
контакты реле замыкаются.
Конструкция магнитной системы реле защиты выполняется такой,
чтобы коэффициент возврата стремился к единице. Рассмотренная конструкция реле имеет относительно высокий коэффициент возврата – не
менее 0,8. Высокий коэффициент возврата реле достигается согласованием
тяговых характеристик электромагнита и характеристик противодействующих сил (рис. 2.19).
Для надежного включения реле тяговая характеристика при включении F
= f() должна располагаться выше характеристики противодей-
т вкл
ствующих сил F
= f(), что достигается
пр
подачей достаточной величины тока в обмотку реле. При отключении необходимо,
чтобы тяговая характеристика F
т откл
= f(),
создаваемая электромагнитом реле во всех
точках, проходила ниже характеристики
противодействующих сил, для чего необходимо уменьшить ток в катушке. Возврат
якоря начинается с момента, когда тяговое
усилие меньше или равно противодейству-
Рис. 2.19. Согласование
характеристик реле
ющей силе при конечном зазоре
рис. 2.19).
Тяговая характеристика электромаг-
(см.
к
нита описывается уравнением
F
т
=
1
IW
2
2
dG
dδ
=
1
2
IW
2
δ
dG
dδ
δ
,
где (IW) – полная намагничивающая сила катушки; G – полная проводимость магнитной системы; – зазор между якорем и полюсом; (IW)
дение магнитного потенциала в рабочем зазоре; G
– проводимость рабо-
чего зазора.
При изменении тока в катушке тяговая характеристика смещается
вверх или вниз.
Для конечного зазора =
тяговое усилие можно выразить
к
F
та
= k
2
1Iср
,
40
– па-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]