Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_4

Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Преимущественно предохранители используются для защиты от токов короткого замыкания, а для защиты от токов перегрузки в большинстве случаев предпочтение отдается тепловым реле и автомати- ческим выключателям.

Основной элемент предохранителя – плавкая вставка постоянного или переменного сечения, которая при токах срабатывания сгорает (плавится с последующим возникновением и гашением электрической дуги), отключая электрическую цепь.

По конструктивному исполнению предохранители условно можно разделить на открытые (вставка не защищена патроном или размещена в трубке, открытой с торцов), закрытые (вставка расположена в закрытом патроне) и засыпные (вставка находится в патроне, полностью заполненном мелкозернистым наполнителем, например, кварцевым песком).

Наиболее распространенные материалы плавких вставок – медь, цинк, алюминий, свинец и серебро. Медь подвержена сравнительно интенсивному окислению, что может привести к увеличению сопротивления медной вставки и, следовательно, к изменению защитной характеристики предохранителя. Поэтому медные вставки подвергаются лужению (покрываются слоем олова).

В засыпных предохранителях наиболее распространенным наполнителем является кварцевый песок с содержанием оксида кремния SiO2 не менее 99%. Наилучшим наполнителем по своим дугогасящим свойствам является мел (CaCO3), который после перегорания вставки в отличие от песка не образует остаточных токопроводящих путей и пригоден для многократного использования. Но мел значительно дороже песка и это ограничивает его широкое применение. Для лучшего использования наполнителя как теплоотводящей и дугогасящей среды в засыпном предохранителе обычно размещены несколько параллельно соединенных вставок, суммарное сечение которых эквивалентно се- чению одной вставки предохранителя на тот же рабочий ток.

Помимо перечисленных предохранителей традиционного исполнения в особую группу можно выделить жидкометаллические предохранители

èпредохранители инерционного типа. В жидкометаллическом предохранителе в качестве плавкого элемента применяется жидкий металл (галлий, сплав галлий/индий/олово и др.), которым заполняется канал расчетного по рабочему току сечения в герметизированном и вакуумированном патроне. Предохранитель электрически (последовательно)

èмеханически связан с защитным аппаратом, например, автоматическим выключателем. При срабатывании такого предохранителя металл из жидкого состояния переходит в парообразное. Возникающее при этом в патроне давление через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического выключателя, который и осуществляет отключение электрической цепи. Сразу же после этого пары металла вновь переходят в жидкое состояние (через 0,5–2 мс) и предохранитель готов к повторному срабатыванию. Инерционные предохранители от обычных отличаются наличием двух вставок разного сечения и исполнения, которые обеспечивают защиту потребителя (наиболее часто – асинхронные двигатели) как при значительных токах короткого замыкания, так и при сравнительно небольших токах перегрузки.

Следует подчеркнуть, что в настоящее время (и скорее всего в обозримом будущем эта тенденция сохранится ) предохранитель чаще всего применяется либо как аппарат защиты от токов короткого замыкания, либо как аппарат защиты от предельно больших токов короткого замыкания при совместном действии с автоматическим выключателем (по схеме: предвключенный предохранитель с автоматическим выключателем).

Рабочая (защитная) времятоковая характеристи-

ка предохранителя дана на рис. 4.1, где Iíîì – номинальный ток, указывается на плавкой вставке,

à Iï – пограничный ток (ток, при котором плавкая вставка перегорает за время не менее одного часа), в большинстве случаев принимается за исходный при расчетах. В зависимости от материала вставки пограничный ток может превышать номинальный на 10–70 %. Меньшие значения относятся к материалам с более стабильной защитной характеристикой (менее подверженным внешним атмосферным условиям и режимам эксплуатации электро-

оборудования), например, серебро, большие – к нестабильным в указанном отношении материалам (например, алюминий).

Рис. 4.1. Защитная характеристика предохранителя

Рис. 4.2. Различные варианты исполнения плавких вставок:

à – постоянного сечения; á – переменного сечения (фигурные вставки) на напряжение преимущественно не выше 220 В; â – переменного сечения на напряжение выше 380 В; ã – для предохранителя с наполнителем

На рис. 4.2 показаны различные варианты исполнения плавких вставок. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа и с наполнителем даны на рис. 4.3,à,á.

Фигурные плавкие вставки по сравнению со вставками постоянного сечения имеют ряд преимуществ: снижается уровень перенапряжений при срабатывании предохранителя, в меньшей степени засоряется внутренняя полость патрона парами металла, уменьшаются тепловые потери и др.

В некоторых случаях, когда требуется высокая отключающая способность предохранителя, его патрон изготовляется из специального газогенерирующего материала – в большинстве случаев из фибры. При перегорании вставки и соприкосновении электрической дуги со стенками такого патрона происходит интенсивное и обильное газовыделение. Это приводит к увеличению давления внутри патрона, что, в свою очередь, улучшает условия теплопередачи от дуги и ускоряет процесс дугога-

шения и, в итоге, увеличивает отключающую способность предохранителя.

Пограничный ток предохранителя открытого типа или его минимальный ток срабатывания рас- считывается на основе баланса подводимой и отводимой мощности и оценивается по соотношению:

ãäå Kò – коэффициент теплопередачи; Sîõë – площадь поверхности охлаждения; υ ïë – температура плавления материала вставки; υ 0 – температура окружающей среды; ρ 0 – удельное электрическое сопротивление материала вставки; α – температур-

ный коэффициент сопротивления, lвставки – длина вставки; Sвставки – ее поперечное сечение.

Пограничный ток засыпного предохранителя рассчитывается:

ãäå Dâí è Dí – внутренний и наружный диаметры трубки; λ í è λ ò – теплопроводность наполнителя

èматериала трубки; d – диаметр плавкой вставки. Полное время срабатывания предохранителя:

ãäå t1 – время нагрева вставки от температуры окружающей среды до температуры плавления; t2 – время плавления вставки (время перехода материала вставки из твердого в жидкое состояние после достижения температуры плавления); t3 – время гашения дуги.

Расчет времятоковой характеристики обычно производится в предположении, что процесс нагрева имеет адиабатный характер. Практика показывает, что это допустимо при токах, которые превышают номинальный ток в три и более раз. Значения составляющих полного времени срабатывания предохранителя определяются:

ãäå S – сечение вставки; I – ток срабатывания предохранителя; A1 è A2 – постоянные интегрирования, которые определяются электрофизическими характеристиками материала вставки. Их значения,

A2 c ⁄ ìì4, для некоторых материалов следующие:

Рис. 4.3. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа (à) и с наполнителем (á):

1 – плавкие вставки; 2 – изолирующий патрон (корпус); 3 – токопроводящие детали; 4 – защитные колпачки; 5 – наполнитель

Рис. 4.5. Характеристики джоулевых интегралов предохранителей ПНБ-5

С учетом этого выражения полного времени срабатывания имеют вид

а) для предохранителя открытого типа:

б) для засыпного предохранителя:

2

tñð = (1,7 − 2) (A1 + A2) S 2 10− 4 . (4.6)

I

Важным показателем предохранителя является тепловая характеристика – интеграл квадрата тока в заданном интервале времени (джоулев интеграл). Эта характеристика позволяет достаточно точно оценить тепловое воздействие проходящего через него тока и в наглядной форме определить защитную способность предохранителя, особенно при малых временах срабатывания.

Наиболее распространенные серии предохранителей: ПР-2 – на номинальные токи от 15 до 1000 А и напряжение 380, 500 В; ПП (быстродействующие) – на номинальные токи от 30 до 6300 А и напряжение от 150 до 1300 В; ПРС (резьбовые, для малогабаритных распределительных устройств) – на токи до 100 А и напряжение до 500 В. Выпускаются также предохранители в комплекте с разрядниками, рубильниками и выключателями – для уменьшения габаритных размеров распределительных устройств [4].

В качестве примера на рис. 4.4 приведены времятоковые характеристики предохранителя ПП-57 на разные номинальные токи, а на рис. 4.5 – характеристики джоулевых интегралов предохранителей ПНБ-5.

Для защиты электрических цепей от длительного протекания токов перегрузки, в 5–7 раз превышающих номинальные токи, широко применяются

аппараты тепловой защиты с термобиметаллическими исполнительными механизмами. Термобиметаллический элемент содержит биметаллическую пластину, состоящую из двух материалов с различ- ными температурными коэффициентами линейного расширения α , жестко соединенных друг с другом. Если один конец пластины закреплен (см. рис. 4.6,à), то ее свободный конец изгибается в сторону изделия из материала с меньшим значением α , а максимальный прогиб составит [4]:

ãäå α 1– температурный коэффициент линейного расширения термоактивного материала (например, хромоникелевая сталь), (1 íà ðèñ. 4.6,à); α 2 – температурный коэффициент линейного расширения термоактивного материала (например, инвар, 2 íà ðèñ. 4.6,à); l – длина биметаллической пластины; Θ – превышение температуры биметаллической пластины над температурой окружающей среды; δ – суммарная толщина биметаллической пластины.

Известны три способа подогрева пластины нагревательным элементом (рис. 4.6,á): непосредственный, косвенный и комбинированный. Выбор способа подогрева определяется значением протекающего по цепи тока.

В некоторых тепловых реле (например, в реле ТРН-10, ТРН-25 и др.) нагревательные элементы выполняются сменными, что значительно расширяет диапазон рабочих токов.

На рис. 4.7 представлены упрощенные схемы биметаллических устройств тепловых реле [55].

Рис. 4.6. Биметаллическая пластина с нагревательным элементом (à) и способы ее подогрева (á)

При нагреве пластины 1 (ðèñ. 4.7,à) она изгибается в направлении усилия P1 и воздействуя на штифт 3 перемещает подвижной пружинный контакт 2 до размыкания с неподвижным контактом 4. Изменяя положение контактов 2 è 4 меняется уставка реле по току срабатывания. После охлаждения биметаллической пластины реле возвращается в исходное положение. Способ подогрева пластины реле может быть непосредственный, либо косвенный. Данное устройство имеет малое быстродействие, что устраняется в конструкции, представленной на рис. 4.7,á. Биметаллическая пластина 1 служит защелкой, удерживающей контакты в замкнутом состоянии. При нагреве и изгибе пластины она освобождает контакты, которые размыкаются под действием пружины 5. Возврат пластины в исходное состояние осуществляется вручную.

Еще большее быстродействие достигается в конструкции рис. 4.7,â. Пластинчатая пружина 6 óäåð-

Рис. 4.7. Схемы биметаллических устройств тепловых реле

Рис. 4.8. Времятоковые характеристики реле ТРН-1ОА:

1 – зона времятоковых характеристик при срабатывании реле из холодного состояния; 2 – зона времятоковых характеристик при срабатывании реле из

горячего состояния (после прогрева номинальным током)

живает контакты реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока усилие P1, развиваемое пластиной, не станет больше усилия P2, развиваемое пружиной. При нагреве пластины она скачком выгнется с сторону P1 и разомкнет контакты реле. Возврат системы – автоматический, после остывания пластины.

Разновидностью подобной конструкции является устройство, представленное на рис. 4.7,ã. Здесь одновременно происходят скачкообразные перемещения пластины и контактов. Система имеет самовозврат.

Для исключения влияния температуры окружающей среды на характеристики тепловых реле в них предусмотрена термокомпенсация в виде дополнительной биметаллической пластины. В конструкции реле рис. 4.7,ä осуществляется компенсация прогиба пластины, а на рис. 4.7,å дан вариант исполнения пластины с компенсацией усилия.

Тепловые реле с термобиметаллическими пластинами нашли широкое применение для защиты статорной обмотки двигателя от длительного протекания токов перегрузки, как в режиме пуска двигателя, так и в режиме технологических перегрузок. Они относятся к аппаратам защиты косвенного действия, так как реагируют не на превышение температуры нагрева защищаемого объекта, а на ток вызывающий это превышение. Отсюда недостатками тепловых реле являются: малая термическая стойкость к протекающим по реле сверхтокам; нерегулируемость защитной характеристики; большое время срабатывания и потери энергии; большой разброс в срабатывании реле; необходимость в остывании. Достоинствами тепловых реле являются: относительно малые размеры, масса и стоимость; простота конструкции и надежность в эксплуатации.

Основной защитной характеристикой реле является времятоковая характеристика – зависимость времени срабатывания реле от кратности тока в цепи по отношению к номинальному току (рис. 4.8 для теплового реле ТРН-10А). Характеристики приводятся для реле, работающего из холодного состояния (область 1), например при пуске двигателя, и реле, работающего из горячего состояния (область 2), например после прогрева реле номинальным током.

Современные магнитные пускатели комплектуются тепловыми реле нового поколения. Реле серии РТЛ имеет трехполюсное исполнение, механизм для ускорения срабатывания при обрыве фазы статорной обмотки двигателя, регулятор тока несрабатывания и несменные нагревательные элементы. Реле снабжено термокомпенсацией и имеет высо-

Основные недостатки, присущие тепловым реле, обусловлены косвенным характером защиты. Она реагирует не на температуру нагрева обмотки двигателя, а на ток, вызывающий этот нагрев. Поскольку постоянная времени защитного реле и защищаемого объекта часто сильно отличаются друг от друга трудно согласовать их защитные характеристики.

Температурные защитные характеристики зависят непосредственно от температуры нагрева защищаемого объекта и относятся к защитам прямого действия.

Для контроля температуры тела используются температурные датчики, например терморезисторы

èпозисторы. Так как датчики температуры встраиваются в статорные обмотки двигателей, то такую защиту называют встроенной температурной защитой [4]. Существуют биметаллические контактные

èполупроводниковые терморезисторы, сопротивление которых зависит от температуры.

Полупроводниковые терморезисторы бывают с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления – термисторы (при повышении температуры сопротивление уменьшается) и с положительным температурным коэффициентом сопротивления (при повышении температуры сопротивление повышается) – позисторы. Наибольшее распространение получили позисторы, сопротивление которых при увеличении температуры увеличи- вается скачкообразно. Пороговое значение сопротивления срабатывания аппарата для разных типов позисторов различно. На рис. 4.9 приведена зависимость сопротивления позисторов от температуры при последовательном соединении трех позисторов. При этом крутизна характеристики (чувствительность защиты) возрастает.

Позисторы представляют собой диск диаметром 3,5 мм и толщиной 1 мм, покрытый кремнеоргани- ческой эмалью, создающей нужную влагостойкость и электрическую прочность изоляции. В зависимости от класса изоляции обмоток двигателя по-

зисторы выбираются для υ ñðàá = 105, 115, 130, 145 и 160 °C. При изменении температуры позистора на +20 °C от нормальной его сопротивление за 12 с увеличивается почти в 3 раза.

Особенно эффективно аппараты позисторной защиты работают в условиях нарушения охлаждения электродвигателя, а также при его частых пусках и реверсах, регулировке частоты вращения.

Однако при заторможении ротора или обрыве фазы его статорной обмотки, когда скорость нарастания температуры достигает 10 °C в секунду, в секунду датчик не в состоянии отреагировать на рост температуры в силу его тепловой инерции, что может привести к перегреву двигателя при такой схеме его защиты. Другими недостатками аппаратов температурной защиты являются: нечувствительность к токам короткого замыкания и сложность монтажа датчиков температуры. Датчики устанавливаются в пазах статорной обмотки или на лобовой части двигателя [4].

В настоящее время широко используются приборы типов АПЗ и УВТЗ для температурной защиты. Электрическая схема аппарата позисторной защиты УВТЗ-1 и способ ее подсоединения приведена на рис. 4.10 ([51]). Устройство защиты подключено к сети посредством пусковой кнопки SB1. Если температура статорной обмотки двигателя M нормальная (ниже порогового значения температуры датчиков), электромагнитное реле K2 срабатывает и своим замыкающим контактом K2.1 включает магнитный пускатель K1, который, в свою очередь, включает силовую цепь статорной обмотки двигателя (контакты K1.1) и шунтирует пусковую кнопку (контакты K1.2).

Для питания электрической схемы УВТЗ-1 используется стабилизированный выпрямитель, состоящий из конденсатора C1, резисторов R6, R7, диодов V6–V9 и стабилитрона V3.

Рис. 4.9. Зависимость сопротивления позисторов от температуры при последовательном соединении трех позисторов

Ê аппаратам токовой защиты относятся все устройства защиты, контролирующие ток в цепи. Это предохранители, автоматические выключатели, максимальные и минимальные токовые реле. К аппаратам токовой защиты можно отнести и тепловые реле, которые из-за специфики их работы и широкого распространения могут быть выделены в отдельный класс тепловой защиты (см.п. 4.2.1).

Аппараты токовой защиты обычно защищают потребителей от перегрузок, неполнофазных режимов, а электрические цепи от коротких замыканий.

Среди аппаратов токовой защиты особое место занимают минимальные реле тока и максимальные реле тока.

Минимальные реле тока предназначены для защиты двигателей от неполнофазных режимов (об-

рыва фазы статорной обмотки двигателя). В простейшей схеме используются три реле минимального тока, включенные во все фазы питания электродвигателя, а замыкающие контакты этих реле соединены последовательно с цепью управления магнитного пускателя. При нормальной работе электродвигателя все три реле минимального тока включены. При обрыве любой фазы соответствующий ток прекращается и реле отключается, разрывая цепь управления магнитного пускателя. При этом электродвигатель отключается. Для защиты электродвигателей можно применять реле минимального тока ЭТ-521.

Большие функциональные возможности заложены в максимальном реле тока. Они могут выполнять функции защиты потребителей от больших

перегрузок по току (например, для защиты электродвигателей применяют реле РЭ-570Т, ЭТ-522 и др.) и защиту электрических цепей от короткого замыкания на зажимах потребителей и в самой цепи (например, реле РТ-40, РТ-80 и др.).

При нормальной работе потребителя максимальное реле тока не включается. При большой нагрузке или коротком замыкании одно или все реле, включенные в различные фазы питания, сработают и своими размыкающими контактами разорвут цепь управления магнитного пускателя. Основным недостатком максимальных реле тока является то, что они не реагируют на обрывы фаз и их нельзя отрегулировать на небольшие перегрузки по току в цепи.

Одним из самых распространенных максимальных реле тока является реле РТ-40. Принцип действия и конструктивные особенности реле даны в § 3.1. В нем предусмотрено два способа регулировки тока срабатывания Iñðàá: изменением предварительного натяжения противодействующей пружины (в 4 раза) и переключением обмоток (в 2 раза).

Известно девять типоисполнений реле тока [56], выпускаемых на номинальные токи от 0,2 до 200 А.

Время срабатывания реле не более 0,1 с при

токе, равном 1,2 Iñðàá и не более 0,03 с при токе

3 Iñðàá.

Коэффициент возврата таких реле не ниже 0,85 (в ряде типоисполнений не ниже 0,7). Контакты реле выдерживают мощность коммутируемой цепи около 60 Вт постоянного тока при напряжении

220 В и около 300 В.А переменного тока при напряжении до 250 В.

В реле тока РТ-40, снабженных промежуточным трансформатором и выпрямительным мостом, повышается термическая стойкость к длительному протеканию больших токов (реле РТ-40/1Д).

Реле РТ-40/Ф реагирует на отклонение формы кривой переменного тока от синусоидальной. Реле содержит специальный фильтр, не пропускающий в обмотку реле ток третьей и кратных ей гармоник.

Для цепей управления и защиты электродвигателей часто применяют токовые реле постоянного тока РЭВ-300 и реле переменного тока РЭВ, РЭ571Т и др.

Максимальные реле тока в цепи управления асинхронными двигателями выбираются по номинальному току катушки реле, который должен быть не меньше номинального тока двигателя, и по уставке на ток срабатывания Ióñò ðåëå.

Для работы в цепи асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором уставка на ток срабатывания реле отстраивается от пускового тока двигателя как:

а для асинхронного двигателя с фазным ротором – от номинального тока

Здесь Iíîì.äâ è Iï – соответственно номинальный и пусковой ток двигателя.

Контакты выбранного токового реле проверяются на коммутационную способность.

Контактор – это электрический аппарат, предназначенный для коммутации силовых электрических цепей как при номинальных токах, так и при токах перегрузки. Наибольшее распространение получили контакторы, в которых замыкание и размыкание контактов осуществляется под воздействием электромагнитного привода. Контакторы бывают постоянного и переменного тока.

Магнитный пускатель – это электрический аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверсирования и защиты электродвигателей. Его практически единственное отличие от контактора – наличие устройства защиты (обычно – тепловое реле) от токовых перегрузок.

Основными техническими параметрами контактора являются его механическая и коммутационная