2. Аппаратура защиты

К этой группе аппаратов относятся: плавкие предохранители; тепловые реле; реле максимального тока и напряжения; реле обрыва фазы; автоматические воздушные выключатели (автоматы) и синхронные выключатели.

2.1. Плавкие предохранители

Предназначены для защиты сети от токов короткого замыкания. Процесс срабатывания плавкого предохранителя (ПП) можно разделить на следующие стадии:

а) нагревание до температуры плавления;

б) плавление и испарение материала;

в) возникновение и гашение дуги с восстановлением изоляционных свойств межконтактного промежутка.

Основной характеристикой ПП является защитная характеристика (рис.2.1), а характерной точкой - пограничный ток - это значение тока, при котором время срабатывания плавкой вставки более 1 часа. Минимальный ток срабатывания должен быть как можно ближе к . Материал предохранителей: медь (1083°С), серебро(960°С), цинк (419°С),свинец(327°С). Гашение дуги обеспечивается при достаточной для этого длине её столба, т.е. определяется длиной ПП, обычно она составляет50 - 70 мм.

По конструкции ПП бывают:

- открытые (плавкие вставки в воздухе) или помещенные в фарфоро- ровую трубку (стеклянную колбу);

- разборные;

- засыпные.

Открытые ПП применяются при небольших (номинальных) токах (20 А) и напряжениях З8О В. Если ПП поместить в фарфоровую трубку, то дуга не «перекидывается» на зажимы, исключая тем самым их выгорание.

Разборные предохранители (<(10-30) кА,550 В) с фигурной вставкой позволяют снизить давление внутри трубки, так как оно может достигать сотен атмосфер, что недопустимо по соображениям механической прочности.

Для более эффективного гашения дуги при больших токах (>30 кА,>550 В) используются запасные ПП. Наполнитель - кварцевый песок. При этом ухудшаются условия горения дуги, так как уменьшается свободный пробег заряженных частиц, а следовательно, вторичная ионизация; за счет близости частиц улучшаются условия теплоотдачи.

Расчет ПП состоит в следующем. Расчетной исходной величиной является . Расчетный пограничный ток берется несколько больше

номинального тока . Отношение для различных вставок равно:

медные вставки	= 1,6 - 2,0;
серебряные вставки	= 1,1 - 1,6;
цинковые и свинцовые вставки	= 1,25 - 1,45.

Этот запас расчётного пограничного тока предохранителя в отношении к номинальному току определяется возможностью снижения фактического пограничного тока из-за уменьшения сечения плавкой вставки в эксплуатации вследствие её коррозии и технологических отклонений при изготовлении. Плавкая вставка не должна иметь заниженное сечение ещё и потому, что в длительном режиме протекания номинального тока изоляционные и контактные детали предохранителя могли бы нагреться до недопустимо высокой температуры. Учёт этого обстоятельства также приводит к необходимости повышения пограничного тока по отношению к номинальному.

Пограничный ток бесконечно длинной открытой плавкой вставки в воздухе можно рассчитать на основе уравнения баланса подводимой и отводимой мощностей

,

где - коэффициент теплопередачи с наружной поверхности вставки;

- температура плавления материала вставки, которая достигается при пограничном токе; - температура окружающей среды.

Сопротивление плавкой вставки связано с удельным сопротивлениемматериала вставки, его температурным коэффициентом, длиной и сечением вставкисоотношением

.

Боковая поверхность охлаждения выражается через периметр поперечного сечения и длину вставки: . С учетом этих зависимостей получаем окончательное выражение для пограничного тока

.

Для круглой плавкой вставки диаметром эта формула принимает вид .

Если в неё вместо подставить произведение , то можно получить связь между диаметром и номинальным током плавкой вставки.

Имеется ряд эмпирических формул для определения пограничного тока от крытых плавких вставок в воздухе, одна из них имеет вид:

,

где - диаметр вставки, мм.

Константа имеет следующие значения для различных материалов:

медь	= 60;	олово	= 128;
серебро	= 44;	свинец	= 24,6.

2. ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ

Тепловые реле (ТР) предназначены для защиты потребителей при незначительных по величине перегрузках по току (1,1 - 1,5), но длительных во времени. Чувствительный элемент - биметаллическая пластина, которая при нагреве изгибается и переводит контактную систему в отключённое состояние (рис. 2.2, состояние II). Для замыкания контактов предусмотрена кнопка возврата (КВ). Тепловое реле имеет небольшую регулировку по времени срабатывания. Основное требование к свойствам материалов биметаллической пластины - максимальная разница значений коэффициентов линейного расширения. Как правило, один материал инвар. Это сплав никеля со сталью, например ЭН36 (36%) ЭН42 (42%). Другой материал - сталь, латунь и другие металлы.

В зависимости от способа нагрева различают ТР:

а) с непосредственным нагревом, когда ток нагрузки протекает через биметаллический элемент;

б) с косвенным нагревом, когда ток нагрузки протекает через специально введённый нагревательный элемент, расположенный рядом с биметаллической пластиной;

в) комбинированный, использующий два предыдущих способа.

Конструктивные параметры биметаллической пластины выбираются из условия обеспечения соотношения

,

где - допустимая температура нагрева и окружающей среды; - модуль Юнга; - коэффициенты линейного расширения материалов; - максимальное механическое напряжение, возникающее в пограничном слое.

При этом биметаллический элемент рассматривается как консольная балка (рис.2.3). Толщина биметаллической пластины (и) выбирается из условия максимальной чувствительности в соответствии с соотношением

,где - модули упругости компонентов.

Обычно выбирают. Стрелка прогиба определяется

.

Сила, развиваемая при тепловых деформациях на свободном конце, определяется

,

где b- ширина пластины.

Максимальное механическое напряжение в пограничном слое не должно превышать допустимое напряжение

.

По величинам ирассматриваются параметры кинематической цепи контактной системы, или решается обратная задача.

Время срабатывания определяется из условия, что вся выделяемая энергия идёт на нагрев, т.е.

.

Проинтегрировав по переменным и, при условии получим

; .

Можно также записать для предварительно нагретого током элемента

.