3. Использование предохранителей для предотвращения короткого замыкания и перегрузки сети

Мы сказали, что нужно избегать перегрузок сети, т.е. чтобы полный ток цепи не превысил допустимый. Там же мы отметили, что если все же такое превышение произойдет, то возможен пробой изоляции и короткое замыкание. Мы также указали, что существуют устройства, предназначенные для размыкания цепи в случае такой опасности.

Рассмотрим теперь эти вопросы подробнее.

Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединение через элементы с малым сопротивлением между проводами или другими токоведущими частями цепи. Причиной короткого замыкания может стать случайное соединение неизолированных токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старения, износа, пробоя и т.п. При коротком замыкании резко увеличивается ток, тепловое действие которого может вызвать разрушение изоляции и пожар. Вместе с тем часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами и сильное уменьшение напряжения в сети. Следствием последнего являются снижение частоты вращения и даже остановка электродвигателей и т.д.

В нашем случае квартирной сети причиной короткого замыкания как раз и может стать перегрузка, о которой мы говорили, поскольку при параллельном подключении большого числа электроприборов (или же малого числа, но с большим потребляемым током) суммарный ток очень велик.

В этом случае, если предохранитель не сработает вовремя, то по истечении некоторого времени (зависящего от тока и параметров провода) тепловое действие тока приведет к сильному нагреву проводов а затем - к повреждению изоляции (ее плавлению) и последующему ее пробою. Если два провода с оголенной изоляцией соприкоснутся, то и возникнет короткое замыкание.

Поэтому делаем вывод, что наша цепь должна быть надежно защищена от превышений температуры как при коротких замыканиях, так и при перегрузках, связанных с чрезмерным тепловым действием токов, превышающих допустимый.

Возникает вопрос: каким требованиям должен удовлетворять предохранитель, который в нужный момент отключит нашу квартирную сеть?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим более подробно принцип действия предохранителя. Тот предохранитель, который используется в нашей квартирной сети, называется пробочным. Его конструкция показана на рис.17. Вообще пробочные предохранители используются в сетях с напряжениями до 250 В и токами примерно до 60 А.

В пробочном предохранителе отключающим элементом служит плавкая вставка. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую сниженную термическую стойкость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего ее изготовляют из материала с высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (серебра, меди), но с малой площадью поперечного сечения.

Пробочный предохранитель состоит из основания 1, в которое ввертывается сменяемая при перегорании вставка 2 – так называемая пробка с резьбой, опирающаяся на неподвижный контакт 4. Пробка изготавливается из керамического материала и снабжается двумя металлическими контактами, между которыми припаивается плавкая проволока 3.

Пробочные предохранители обычно устанавливаются на групповых щитках. От этих щитков линии расходятся в отдельные квартиры или комнаты, части здания и т.п. На щитке все провода каждой линии должны быть защищены отдельными предохранителями (рис.18). Такое сосредоточение предохранителей облегчает надзор за ними и замену пробок при их перегорании.

Старые отечественные пробочные предохранители срабатывают при предельном токе 6А, а современные отечественные – в большинстве случаев при токе 12А.

Плавкая вставка выбирается с таким расчетом, чтобы она плавилась раньше, чем температура проводов линии достигнет опасного уровня или перегруженный потребитель выйдет из строя.

Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка. Следовательно, длина плавкой вставки должна быть выбрана с учетом напряжения питания. По этой причине на предохранителях кроме номинального тока, т.е. наибольшего тока, который он может выдержать сколь угодно долгое время, не разрушаясь, указывается также и номинальное напряжение.

Зададимся вопросом, как определяется номинальный ток предохранителя?

Для определения этого тока берется партия одинаковых предохранителей, которые последовательно пережигаются при разных токах. Замеряется время, по истечении которого вставка перегорает, и ток, проходящий через вставку. Каждому току соответствует определенное время перегорания вставки. По этим данным и строится временная характеристика предохранителя (рис.19).

На этой кривой особо выделяются следующие точки, которые используются для выбора плавких вставок: - наименьший из токов, расплавляющих вставку (при этом токе вставка еще плавится, но в течение неопределенно продолжительного времени (1-2 ч), при меньших токах вставка уже не расплавляется); - ток, при котором плавление вставки и отключение сети происходят через 10 с после установления тока; - номинальный ток вставки, т.е. ток, при котором вставка длительно работает, не нагреваясь выше допустимой температуры. Токи и связаны простым соотношением:

. (18)

Кроме того, если известен диаметр проволоки и материал плавкой вставки, то номинальный ток можно определить по такой эмпиричеcкой формуле:

, (19)

где - коэффициент, зависящий от материала плавкой вставки (для меди ).

Минимальный ток определяют из приближенного соотношения:

. (20)

Номинальные токи предохранителей следует выбирать наименьшими по расчетным токам нагрузки соответствующих участков сети. При этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках – пусковых токах электродвигателей и т.п.

При выборе вставки для защиты электродвигателя необходимо учитывать пусковой ток – т.е. ток, который существует в обмотке ротора при запуске двигателя. Этот ток может быть значительно больше номинального рабочего тока двигателя.

В этом случае номинальный ток вставки выбирают из условия:

, (21)

где коэффициент зависит от длительности пуска , т.е. от времени, по истечении которого двигатель войдет в установившийся режим с постоянной частотой вращения (когда вращающий момент и момент нагрузки на валу уравновесят друг друга). При длительности пуска ; при .

Пример 1. Требуется определить номинальный ток плавкой вставки, которую следует выбрать для защиты двигателя, рабочий ток которого 6А, пусковой ток – 30 А. Длительность пуска . В наличии имеются 4 предохранителя с номинальными токами 6А, 10А, 15А и 35А соответственно.

По заданной длительности пуска двигателя выбираем значение : так как выполняется условие , то . По формуле (21) определяем нижнюю границу для номинального тока плавкой вставки: . Выбираем плавкую вставку с большим ближайшим значением номинального тока: .

Анализируя работу двигателя при выбранной защите, видим, что в рабочем режиме, когда ток вторичной обмотки равен , предохранитель не сработает, и двигатель будет продолжать работать в нормальном режиме.

Пример 2. Из набора предохранителей с номинальными токами (60А, 80А, 100А, 200А) выбрать тот, который можно использовать для защиты двигателя, у которого рабочий ток , пусковой ток - . Длительность пуска составляет .

Так как , то . . Следовательно, нужно выбрать предохранитель с номинальным током 100А.

Отметим, что установка предохранителей в трехфазных четырехпроводных сетях допускается только в трех линейных проводах, поскольку отключение нулевого провода приведет к аварийному режиму работы четырехпроводной сети: нарушится нормальная работа всех потребителей, включенных между линейным и нулевым проводом.