Полупроводниковые измерительные реле

Наиболее распространенным способом выполнения полупровод­никовых измерительных реле, реагирующих на одну электрическую величину, к которым относятся реле тока и реле напряжения, явля­ется сравнение абсолютного значения подводимого к реле тока или напряжения с заданным значением напряжения постоянного тока. Для получения стабильного постоянного напряжения обычно ис­пользуют стабилитрон. У реле тока воздействующей величиной яв­ляется ток; его предварительно преобразовывают в напряжение. В остальном реле тока и реле напряжения мало чем отличаются [12]. Для выполнения реле с двумя электрическими величинами используют известные схемы сравнения электрических величин по их абсолютному значению и схемы сравнения электрических вели­чин по фазе.

Реле тока и напряжения. На рис. 3.15 показана схема измери­тельного реле тока на основе одновибратора, выполненного на транзисторах VT1 и VT2 разной проводимости. В цепь выхода ре­ле включен транзистор VT3. В нормальном режиме, пока ам­плитуда входного напряжения U_вх ниже напряжения пробоя стабилитрона VD, все транзисторы на­ходятся в закрытом состоянии, конденсатор С разряжен, напря­жение на выходе реле отсутству­ет. Срабатывание реле происхо­дит, если амплитуда входного напряжения превышает напряжение пробоя стабилитрона.

­ При этом на базу транзистора VT1 подается открывающий отрицательный потенциал. Одновременно с VT1 открываются транзисторы VT2 и VT3, на вы­ходе реле появляется сигнал, а через открытый VT1 создается цепь заряда кон­денсатора С. По мере его заряда потенциал базы VT2 повышается, что ведет к его закрытию. Если к этому моменту сигнал на входе реле исчезает, то за­крывается и VT1. При этом цепь заряда конденсатора размыкается и конденса­тор начинает разряжаться через эмиттерный переход транзистора VT3 и резисто­ры RI и R2. В связи с этим VT3 продолжает оставаться открытым до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не уменьшится почти до нуля.

Параметры схемы выбирают так, чтобы время от начала заряда конденсатора до момента закрытия транзистора VT3 было больше периода повторения входных импульсов. При этом на выходе реле получают дискретный потенциальный сигнал U_вых. Реле возвраща­ется в начальное состояние только при снижении амплитуды вход­ного напряжения ниже напряжения пробоя стабилитрона. Коэффи­циент возврата реле близок к единице.

Реле тока типа РТЗ-50 используют в схемах защиты от замы­кания на землю в сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями. Реле состоит из входного на­сыщающегося трансформатора тока TLAT, выпрямителя VS1, двух­каскадного усилителя релейного действия на транзисторах VT1 и VT2 и блока питания (рис. 3.16). Первичная обмотка TLAT имеет четыре вывода для дискретного изменения трех диапазонов уставок тока срабатывания. Непрерывное изменение тока срабатыва­ния в пределах выбранного диапазона осуществляется резисто­ром R7.

При больших кратностях тока на вторичной обмотке TLAT вследствие его насыщения появляются значительные пики напряжений. Для защиты схемы предусмотрен газовый разрядник F. Резистор R2 ограничивает ток при действии разрядника. Конденсатор С1 служит для сглаживания выпрямленного напряже­ния. Диод VD2 и резистор R5 предназначены для компенсации изменения чув­ствительности реле при изменении температуры. Для устранения помех со сто­роны входных цепей к переходу эмиттер — коллектор VT1 подключен конден­сатор С2.

Исполнительный элемент - электромагнитное реле К - вклю­чен в цепь коллектора транзистора VT2. При возврате реле, когда транзистор VT2 закрывается, разрывая цепь обмотки исполнитель­ного элемента, могут возникнуть перенапряжения, опасные для VT2. Для их исключения к обмотке реле К подключена цепь VD4, СЗ, R10. Блок питания состоит из выпрямителя VS2, конденсатора С4, сглаживающего выпрямленное напряжение, стабилитронов VD5, VD6, обеспечивающих стабильность напряжения питания ре­ле, и ограничивающих резисторов R12- R14.

Работа двухкаскадного усилителя рассмотрена выше (см. § 3.2). Реле РТЗ-50 имеет коэффициент возврата не менее r_в=0,9, время срабатывания при двукратном токе - не более t_{c. p} = 0,1 с [13].

Реле тока с ограниченно зависимой выдержкой времени уста­навливается на выключателях типа автомата «Электрон». Блок за­щиты содержит два полупроводниковых реле - с ограниченно за­висимой характеристикой (реле перегрузки) и с независимой ха­рактеристикой (реле отсечки). Он является полупроводниковым аналогом рассмотренного выше (см. § 2.6) индукционного реле РТ-80. Исполнительным элементом защиты является максимальный расцепитель, катушка которого подключена к источнику оператив­ного тока через тиристор, закрытый в нормальном режиме. В ре­жимах, требующих отключения автомата, на тиристор поступают отпирающие импульсы, вырабатываемые блокинг-генератором.

Упрощенная схема реле с ограниченно зависимой выдержкой времени по­казана на рис. 3.17. Реле выполнено на основе триггера, отличающегося от рас­смотренного выше симметричного триггера (см. рис. 3.8) тем, что на эмиттерный переход одного из транзисторов (VT1) подано закрывающее напряжение (с де­лителя R5 - R6). На вход триггера (базу VT1) подано напряжение U, выпрям­ленного тока, пропорциональное току первичной цепи автомата, а к выходу триг­гера (коллектору VT2} присоединена времязадающая цепь RIO, CI. Кроме того, имеется вторая времязадающая цепь R11, R12, С2, входное напряжение U₂ которой также пропорционально току автомата. Выходы указанных цепей под­ключены к диоду VD3 (выход второй цепи через R14 а обмотку обратной связи блокинг-генератора). Полярность напряжений на конденсаторах CI и С2 явля­ется открывающей для диода VD3, однако в нормальном режиме он закрыт, так как к его аноду через резистор R13 подан закрывающий потенциал. При ртом напряжение на конденсаторе С1 близко к нулю, так как он закорочен от­крытым транзистором VT2 и диодом VD1, а напряжение на конденсаторе С2 невелико. На закрытом диоде VD3 размыкается цепь положительной обратной связи блокинг-генератора и он затормаживается.

Когда напряжение U₁ соответствует току срабатывания, триггер переклю­чается и начинается заряд конденсатора С1. Через некоторое время напряжение на конденсаторе С1 оказывается достаточным для открывания диода VD3; при его открывании запускается блокинг-генератор, тиристор отпирается и автомат отключается. Большему току автомата соответствует большее зарядное напря­жение U₂, поэтому с возрастанием тока напряжение на конденсаторе С2 измеменяется быстрее, а время действия защиты сокращается.

В независимой части характеристики срабатывания зарядное напряжение конденсатора С2 не должно зависеть от тока первичной цепи. Для выполнения этого условия в схему включен стабилитрон VD2. Диод VD1 служит для быст­рого разряда конденсатора С1 после исчезновения кратковременной перегрузки.

Если из рассмотренной схемы исключить элементы, изображенные ниже ну­левой шинки, и соединить с ней нижний вывод резистора R.14, то получится схе­ма реле с независимой характеристикой. Такую схему имеет реле отсечки, ко­торая может быть мгновенной или иметь небольшую выдержку времени.

Реле направления мощности. Полупроводниковые элементы по­зволяют выполнить реле направления мощности на основе сравне­ния двух электрических величин как по их абсолютному значению, так и по фазе.

Сравнение двух векторов А и В по абсолютному значению мож­но произвести, например, с помощью схемы с циркуляцией выпрям­ленных токов (рис. 3.18, а). Схема состоит из двух выпрямитель­ных мостов, выпрямляющих сравниваемые величины А и Б, н реа­гирующего элемента - нуль-индикатора ЕА. В зависимости от соотношения А и В направление постоянной составляющей /о тока в реагирующем элементе может измениться на противоположное.

При |А| > |Б| ток имеет одно направление - положительное, по­казанное на рис. 3.18,а, а при |А| < |Б| - отрицательное. Изме­нение направления тока используется для действия реле направле­ния мощности. Для этого реагирующий элемент должен обладать направленностью действия, т. е. срабаты­вать только при одном определенном на­правлении тока. Таким свойством, как указывалось выше (см. § 2.7), обладают высокочувствительные магнитоэлектриче­ские или поляризованные реле. Для этой цели могут быть также использованы, например, электромагнитные реле с тран­зисторными усилителями постоянного тока.

На рис. 3.18, б дана векторная диаграмма, характеризующая работу реле, сравнивающая абсолютное значение величины Å = Ů_ре ^{j a} + kİ _p c абсолютным значением величины B = Ů_ре ^{j a} - kİ _p. Здесь коэффициенты k₁ = k₃ = е ^{j a}, а k₂ = - k₄ = k. Реле срабатывает если |А| > |Б|. При построении за исходный принят вектор напряжения Ů_ре ^{j a}, повернутый относительно вектора Ů_р на угол a.При этом вектор тока İ _p отсекает от вектора напряжения Ů_ре ^{j a} на некоторый угол, равный (j_р + a). При изменении угла j_р концы векторов Å и В перемещаются по окружности радиусом kİ _p с центром в конце вектора Ů_ре ^{j a}, а их модули изменяются так, что |А| оказывается равным, меньшим или большим |В|. Таким образом, рассматриваемая схема представляет орган направления мощности, так как действует в пределах узлов – (p/2 + a) £ j _p £ (p/2 - a).

 Сравнить две величины по фазе можно путем определения доли полупериода, в течение которой мгновенные значения сравнивае­мых величин совпадают по знаку. Так, если две величины совпа­дают по фазе, то знаки их мгновенных значений одинаковы в тече­ние всего полупериода. С увеличением расхождения по фазе доля полупериода, в течение которой знаки величин совпадают, умень­шается и при расхождении их по фазе на угол л равна нулю.

На рис. 3.19,а показано изменение во времени двух синусоидальных ве­личин А и В, причем В отстает от А на угол j, который определяет время совпадения 

t_c = (T/2)(1 - | j| / p).                                                      (3.1)

Устройство можно выполнить таким образом, что оно будет действовать в случае когда время совпадения t_c сравняется с временем несовпадения t_нс или будет больше него: t_c ³ t_нс. Время t_нс определяется выражением

t_нс = T/2 – t_c – (T/2p)|j|                                                (3.2)

На рис 3.19,6 приведены зависимости t_c = f | j| и kt_нс = f | j|, гае k - по­стоянный коэффициент. Точки пересечения этих характеристик определяют зону, в которой удовлетворяется условие срабатывания реле; отсюда

| j | < p / (k + 1) или - p / (k + 1) < j < p / (k + 1)       (3.3)

При k = 1 выражение (3.3) принимает вид - p / 2 £ j £ p / 2. Таким обра­зом, реле, действующее в зависимости от соотношения между t_c и t_нс, действует как реле направления мощности.

Так выполнено, в частности, реле для автомата обратной мощ­ности [14]. Можно так же выполнить реле, в котором время t_c сравнивается с некоторым заданным временем, или использовать импульсный способ сравнения фаз [8].

Дифференциальное реле тока с торможением. В некоторых за­щитах, например дифференциальных, для повышения чувствитель­ности используют реле, ток срабатывания которых автоматически изменяется с изменением тока управления, называемого тормозным током I_трм. Зависимость эта может иметь вид, указанный на рис. 3.20. Реле с такой характеристикой называют дифференциаль­ным реле тока с торможением (см. § 1.5). Степень торможения оп­ределяется наклоном характеристики, т. е. отношением I_с.р/I_трм, которое называют коэффициентом торможения k_трм.

На рис. 3.30 ток срабатывания

I_{c. p} = I` _{c. p} + I_{c. p min} + k_трм I_трм + I_{c. p min}

  Таким образом, реле с торможением срабатывает при условии

I_{c. p} - k_трм I_трм - I_{c. p min} = 0                                          (3.4)

где I_{c. p min} – минимальный ток срабатывания реле при отсутствии торможения.

Из (3.4) следует, что реле с торможением основано на сравнении двух электрических величин. Поэтому для ее выполнения можно использовать уже рассмотренную схему (см. рис. 3.18, а), сравнивающую электрические величины А и В по их абсолютному значению.

Если принять A = k_p İ_раб, a B = k_т I_трм , то при I_{c. p min} = 0 реле срабатывает при |А| - |В| = 0, т.е. при условии

k_p İ_раб  - k_т I_трм = 0. Реагирующий элемент выполняется с конечной чувствительностью, некоторым напряжением действия, для преодоления которого при I_трм = 0, необходимо чтобы A = k_p I_{c. p min}. С учетом этого условие срабатывания принимает вид

k_p I_{c. p} - k_т I_трм - k_p I_{c. p min} = 0,

откуда

I_{c. p} - k_трм I_трм - I_{c. p min} = 0

  Реле сопротивления. На рис. 3.21 показана упрощенная схема реле со смещенной характеристикой (см. рис. 2.17, в). Реле выпол­нено на основе сравнения двух величин А и Б по абсолютному зна­чению. При этом коэффициенты k₁ и k₃, приняты вещественными, k₄ = 0, а k₂ должен быть комплексным. Соответственно величина В подводится к схеме сравнения непосредственно через трансфор­матор напряжения TLV, а величина A получается путем суммиро­вания слагаемого k₁ U_p с двумя составляющими: вещественной частью слагаемого k₂ I_p, получаемой от трансформатора тока TLA, нагруженного резистором, и мнимой частью, получаемой от трансреакто­ра TAV. Схема сравнения содержит два двухполупериодных выпрямите­ля VS1 и VS2 и реагирующий эле­мент ЕА. Для сглаживания пульса­ции выпрямленных токов предусмот­рен конденсатор С. Время действия такого реле сопротивления состав­ляет t_с.р = 0,04 - 0,06 с  и не зави­сит от Z_p.

 В сельских сетях напряжением 6 - 20 кВ для защиты секциониро­ванных линий с двусторонним пита­нием и многократно секционирован­ных радиальных линий с односто­ронним питанием применяется ди­станционная защита типа ДЗ -10.

Защита содержит пусковой орган - трехфазное реле полного со­противления (или реле тока) мгновенного срабатывания и изме­рительный орган - трехфазное реле полного сопротивления, имею­щее непрерывно зависимую от удаленности места повреждения (от Z_p) выдержку времени. Реле выполнено на основе схемы сравнения величин A и В по их абсолютному значению. Причем сравниваются минимальное значение одной величины с максималь­ным значением другой. Этим достигается независимость Z_p от видa многофазного короткого замыкания Выделение минимального; и максимального значений сравниваемых величин производят с помощью миниселектора и максиселектора.

У измерительного органа защиты ДЗ-10 (рис. 3.22, а) миниселектор состоит из диодов VD1 - VD3 и представляет собой устройство, на вход которого пода­ются выпрямленные напряжения (U₀₁, U₀₂, U₀₃) пропорциональные линейным на­пряжениям U_ab, U_bc, U_ca, а на выходе всегда выделяется наименьшее из напря­жений U₀₁ - U₀₃. Таким образом, выходное напряжение миниселектора всегда пропорционально напряжению поврежденных фаз k_uU_k - максиселектор состоит из диодов VD10 - VD15 и представляет собой устрой­ство, на вход которого подаются с трансреакторов TAVI - TAV3 напряжения,

пропорциональные разности фазных токов (1_а - 1_б), (1_б - 1_с) и (1_с - 1_а), а на вы­ходе выделяется наибольшее из указанных напряжений. Оно пропорционально токам поврежденных фаз k₁ I_k. Выходы селекторов соединены с рассмотренной выше схемой сравнения. Реагирующим элементом схемы является магнитоэлек­трическое реле К. Напряжение на его обмотке ограничивает диод VD7, конден­сатор С4 сглаживает пульсации сравниваемых величин, а резистор К7 создает режим критического успокоения рамки реле.

Для получения зависимой от Z_р выдержки времени срабатывания реле сравниваемая величина k₁ I_k подводится к реагирующему элементу через цепь К8 - С5. При этом напряжение на конденсаторе С5 возрастает по закону u_c = k₁ I_k (1 - е^t/(RC)) (при разомкнутом контакте КА.1). Сравниваются между собой u_c и k_uU_k. Граничным условием срабатывания реле сопротивления яв­ляется равенство

 

k_uU_k = k₁I_k (1 - e ^{–tср /(RC)}),

или

Z_cp = Z_у (1 - e ^{–tср /(RC)}).

Отсюда

t_{c. p} = RC ln [ Z_у(Z_у - Z_cp)],

где Z_у = k₁ R_u - сопротивление уставки реле.

 Характеристика t_с.р= f(Z_р) показана на рис. 3.22, в. Выражение (3.5) для t_с.р справедливо, если перед зарядом конденсатора С5 напряжение u_c = 0. Это условие обеспечивается тем, что конденсатор С5 закорочен размыкающим контактом КА.1 пускового органа защиты, содержащего реле тока. Работу ми-ниселектора поясняет эквивалентная схема цепи сравнения (рис. 3.22,6), на ко­торой К - сопротивление реагирующего элемента, U₀₁, U₀₂, U₀₃  - напряжения на входах миниселектора, u_c - напряжение, подаваемое к цепи сравнения от конденсатора С5. Пусть выполняется условие U₀₁ < U₀₂ < U₀₃  . Если при этом u_c < U₀₁, то все диоды VD1 - VDЗ оказываются закрытыми (такое состояние схема имеет до срабатывания пускового органа). После срабатывания пускового органа (КА.1 размыкается) напряжение и_с начинает нарастать. С момента вре­мени, когда оно достигает значения и_с > U₀₁, диод VD1 открывается и под дей­ствием напряжения и_с - U₀₁ начинает проходить ток i в направлении, показан­ном на рис. 3.22, б стрелкой. Диоды VD2 и VDЗ продолжают оставаться закрытыми, так как к первому из них прикладывается запирающее напряжение U₀₂ - u_c, а ко второму - напряжение U₀₃ - u_c. Таким образом, ток в реаги­рующем элементе определяется разностью напряжения u_c и наименьшего из на­пряжений U₀₁ - U₀₁.

Так как до срабатывания пускового органа защиты диоды миниселектора VD 1 - VDЗ закрыты, то контактом КА.2 пускового органа к схеме сравнения подключаются цепи VD4 - К4, VD5 - К5, VD6 - К6, создающие тормозной ток. Этот ток необходим для надежного возврата реле К.

Диоды VD10 - VD15 в режиме максиселектора работают по обычной схеме выпрямления. Выходное напряжение U`₀ этой схемы при двухфазных замыканиях оказывается меньшим, чем при трехфазных. Чтобы сравниваемая величина не за­висела от вида повреждения, при двухфазных замыканиях к напряжению V прибавляется выпрямленное напряжение U"₀ второй гармонической, выпрямитель которой собран на диодах VD8 и VD9.

Реле частоты. Рассмотренное выше индукционное реле частоты имеет два существенных недостатка: оно чувствительно к измене­нию напряжения и может ложно срабатывать при его резких изме­нениях. Более совершенными являются реле понижения частоты типа РЧ-1 и реле повышения частоты типа РЧ-2, выполненные на основе полупроводниковых элементов. Схемы этих реле аналогич­ны. Реле РЧ-1 содержит частотно-зависимый элемент, рассмотрен­ный выше (см. § 1.6). Изменение частоты напряжения U_р на входе, схемы сопровождается изменением угла j между напряжением U₁ и U₂ на выходе схемы.

Структурная схема реле показана на рис. 3.23, а, а временные диаграм­мы, поясняющие его работу, - на на рис.3.23,б,в. Напряжение U_p через разделительный трансформатор Т L и частотный фильтр ZР, устраняющий влияние высших гармонических на работу реле, подается на фазоповоротную схему, состоящую из делите­ля напряжения АV и двух частотно-зависимых элементов А F1 и А F2. Пер­вый из них служит для изменения частоты срабатывания, а второй - для изменения частоты возврата реле. В случае необходимости элемент А F2 можно подключить к схеме через внешний контакт К.

Напряжения U₁ и U₂ подаются на входы идентичных формирователей импульсов, соответственно F1 и F2, которые преобразуют синусоидальные напряжения u ₁ и и₂ в импульсы и_и1 и и_и2 прямоугольной формы длитель­ностью до половины периода каждый. Дифференцирующий элемент А D фор­мирует из переднего фронта импуль­са и_и2 короткий импульс и_и2, который вместе с прямоугольным импульсом и_и1 подается на логический элемент D, выполняющий логическую операцию запрет. Способность предохранителя характеризуется номинальным током отключения I _{пр.откл}, являющимся наибольшим током, при котором предохранитель разрывает цепь без каких-либо повреждений, пре­пятствующих его дальнейшей работе после смены плавкой вставки.

Таким образом, предохранитель является устройством защиты и коммутации. Его защитные свойства, определяемые защитной ха­рактеристикой, не удовлетворяют ряду указанных требований. От­метим, что при перегрузках и коротких замыканиях возможно пе­регорание предохранителя только в одной фазе. При этом создает­ся опасный неполнофазный режим. Отключающая способность у существующих предохранителей достаточно высокая, и возможнос­ти ее дальнейшего повышения еще не исчерпаны. Поэтому для усо­вершенствования предохранителей следует вести работы в направ­лении повышения их номинального тока отключения.

Как защитное устройство предохранитель принципиально несо­вершенен. Поэтому защитные функции предохранителя, особенно на напряжения 35 - 110 кВ, следует возложить на более совершен­ные устройства, например релейную защиту. Эта идея реализована в управляемом предохранителе [17 - 19].

В релейной защите и автоматике находят применение электро­тепловые реле, работа которых основана на явлениях выделения теплоты при прохождении электрического тока. В них, в частности, используют биметаллические элементы, которые в зависимости от конструкции реле могут иметь непосредственный, косвенный или комбинированный нагрев.

Защитная характеристика электротеплового реле должна удов­летворять требованиям, которые предъявляются к защитным характеристикам предохранителей. Необходимо отметить, что у элек­тротепловых реле она более удовлетворительна при малых кратностях тока, чем у предохранителей. Однако в связи с недостаточ­ным быстродействием электротепловое реле нельзя использовать для защиты от короткого замыкания, так как нагревательные эле­менты и биметаллический элемент могут сгореть раньше, чем сра­ботает реле. Необходимо или защищать реле, включая последова­тельно с ним плавкий предохранитель, или, как это выполнено у автоматических выключателей, предусматривать максимальный электромагнитный расцепитель мгновенного действия. Недостат­ком реле является также зависимость его защитной характеристи­ки от окружающей среды.

Аналитическое выражение защитной характеристики электро­теплового реле получить весьма сложно. Поэтому в каждом от­дельном случае защитную характеристику находят опытным путем.

 

 4.2. Конструкции плавких предохранителей и электротепловых реле

Предохранители для установок напряжением до 1000 В. В настоящее время широко применяются предохранители серии ПР-2 с плавкими вставками на но­минальный ток /_{вс. ном} = 6 - 1000 А (рис. 4.1). Патрон предохранителя ПР-2 состоит из толстостенной фибровой трубки 1, на концах которой плотно укреплены латунные втулки 2. На втулках имеются колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 3, привинченную к контактным ножам 5. Такая конструкция позволяет легко производить смену плавкой вставки в условиях эксплуатации. Плавкая вставка предохранителя выполнена из листового цинка. Она имеет перешейки, которые облегчают гашение дуги при токах короткого замыкания. Гашению дуги способствует выделение газов фибровой трубкой, которые, посту­пая в ствол дуги, деионизируют его и создают повышенное давление в патроне. При токах короткого замыкания развивается значительное давление. Отключаю­щая способность предохранителей серии ПР-2 сравнительно невелика. Их допус­кается применять в небольших, преимущественно передвижных установках.

Более совершенными являются плавкие предохранители с наполнителем, рас­пространенной серией которых являются предохранители ПН-2 на номинальные токи /_{пр. ном} = 100 - 1000 А и напряжение U_пр. _ном = 380 - 500 В. Номинальный ток от­ключения достигает I_{пр. отоп} = 50 кА (дейст­вующее значение). Предохранитель (рис. 4.2, а) состоит из фарфорового патрона 3, заполнен­ного кварцевым песком (наполнителем), и плавкой вставки 2. Контактные стойки 1 кре­пятся на изолированном основании 4. Плавкая вставка представляет собой узкие ленты с выштампованными отверсти­ями (рис. 4.2,6). В середи­не каждой ленты на широ­кой части находится оловяный растворитель, ускоряющий процесс плавления чугунной вставки. Это делает защит­ную характеристику более приемлемой при малых кратностях тока. Наполнитель охлаждает газы, снижает давление внутри патрона, деионизирует ствол дуги при срабатывании предохрани­теля.

Более совершенными яв­ляются насыпные предохра­нители серии ПП-31 с нераз­борным патроном на ток I_{пр. ном} = 32 - 1000 А, напряжение U_{пр. ном} = 660 В переменного и U_пр.ном = 440 В постоянного тока. Все токоведущие части предохранителей, в том числе плавкая вставка, выполнены из алюминия. Номинальный ток отключения не ме­нее I_{пр.откл} = 100 кА. Замена предохранителей общепромышленного исполнения серии ПН-2 на предохранители ПП-31 позволит сэкономить большое количество медного проката. Защитные характеристики - зависимости времени перегорания t_пр от тока предохранителей с наполнителем - представлены на рис. 4.3. Предохранители для установок напряжением выше 1000 В. Отечественная промышленность выпускает кварцевые предохранители типа ПК для внутренней и наружной установки (рис. 4.4, а). Патрон предохранителя состоит ил фарфо­ровой трубки 1, плотно закрытой металлическими колпачками 2. Для улучшения условий гашения дуги патрон заполнен мелким кварцевым песком (наполните­лем). Плавкая вставка 3 состоит из одной или нескольких параллельно вклю­ченных медных проволок. Для улучшения защитной характеристики (рис. 4.4, б) используют оловянный растворитель плавкой вставки. Перегорание предохрани­теля сопровождается срабатыванием указателя 4. Предохранители типа ПК ис­пользуются в установках напряжением 6, 10 и 35 кВ.

Выпускается также стреляющий (газогенерирующий) предохранитель типа ПС-35МУ1 для защиты сетей и электрооборудования наружных установок на­пряжением 35кВ. Предохранитель создан на основе разработок Ульяновского политехнического института [20, 21]. Конструкция и защитные характеристики предохранителя показаны на рис. 4.5, а, б. Плавкая вставка расположена внутри патрона 1. При перегорании плавкой вставки контактный нож 4 под действием пружины тянет за собой гибкую связь 3. Электрическая дуга, возникающая на месте перегоревшей плавкой вставки, вызывает выделение газа из стенок винипластового патрона 1. Давление в трубке повышает­ся и создается продольно-поперечное дутье, гасящее дугу.

Для повышения давления в патроне при гаше­нии дуги с малыми токами в металлическом патрубке 2 предохранителя предусмотрен медный клапан, закрывающий поперечное ду­тьевое отверстие патрубка. При гашении больших токов короткого замыкания дуга развивается интенсивно, давление в патроне быстро возрастает и выбрасывает клапан, открывающий отверстие патрубка. Предохранитель способен отключить то­ки I_{пр. откл} = 0,015 - 3,2 кА.

Выпускается также предохранитель ПС-110У1 [22] для защиты установок 110 кВ на номинальный ток I_пр.ном = 50 А. В отличие от предохранителя ПС-35МУ1 используется патрон без бокового патрубка и отсутствует контактный нож. Сравнительно высокая отключающая способность предохранителя достиг­нута за счет специальной конструкции дугогасительной камеры. Предохрани­тель отключает токи I_{пр.откл} = 0,01 - 2,5 кА.

Электротепловое реле. Разновидностью электротеплового реле является термобиметаллический расцепитель автомата типа А-3100 (рис. 4.6, а). Биметаллический элемент реле 1 имеет форму полукольца с выступом, на котором расположен установочный винт 2. Элемент соединен заклепками с токоведущими шинами 5 и 6. Параллельно биметаллу подключен нагреватель 4. Наличие на­гревателя позволяет увеличить выдержки времени реле I_с.р при пе­регрузках (рис. 4,6, б). Расцепитель действует следующим образом. При перегрузке термобиметаллический элемент прогибается под действием теплоты, выделяемой непосредственно в нем и в нагре­вателе. Установочный винт 2 воздействует на рейку 3, которая, по­ворачиваясь, освобождает удерживающие рычаги механизма сво­бодного расцепления и под действием пружин автомат отклю­чается.

В настоящее время для защиты асинхронных электродвигате­лей, работающих в условиях сельскохозяйственного производства, применяется температурная защита, основным элементом которой являются терморезисторы, встраиваемые в лобовые части обмотки статора [23]. При определенной температуре сопротивление тер­морезисторов скачкообразно изменяется в 100 раз и более. Это их свойство и положено в основу температурной защиты. Различают терморезисторы с отрицательным и положительным температурны­ми коэффициентами сопротивления. У первых при повышении тем­пературы сопротивление уменьшается, а у вторых, называемых позисторами, - увеличивается. Существуют различные схемы темпе­ратурной защиты на основе терморезисторов.

§ 4.3. Управляемые предохранители

Предохранитель выполняет две функции - коммутационного аппарата, заменяя выключатель, и защитного устройства, заменяя устройство простейшей (токовой) релейной защиты. Во всех слу­чаях, когда предохранитель может успешно выполнить указанные функции, его рекомендуется применять, так как он значительно дешевле выключателя и релейной защиты, вместе взятых.

Область применения предохранителя ограничена главным об­разом его недостатками как защитного устройства. Поэтому целе­сообразно использовать предохранитель как коммутационный ап­парат, управляемый устройствами релейной защиты.

Принципы управления предохранителями рассмотрены в [17]. В настоящее время имеются разработки, позволяющие создать управляемые предохранители на напряжения до 110 кВ. Отечест­венная промышленность выпускает аппарат УПС-35У1, предназна­ченный для защиты понижающих трансформаторов 35/6 - 10 кВ мощностью до 6,3 MB-А [24, 25].

Разработанные конструкции управляемых предохранителей выполнены на основе принципа механического разрыва цепи плавкой вставки по сигналу ре­лейной защиты.

Управляемый предохранитель напряжением до 1000 В. Он выполнен на ос­нове предохранителя ПН-2 [26]. Устройство (рис. 4.7) состоит из ленточной плавкой вставки 1, концы которой зажимаются между контактным ножом 2 и стальной пластинкой (режущим ножом) 3. Плавкая вставка проходит через прорезь во втулке из диэлектрического материала, соединенной с механическим приводом (привод не показан). Для обеспечения герметизации и предотвращения попадания частиц кварцевого песка 5 в зазор между втулкой и патроном предо­хранителя 6 предусмотрены уплотнения 7.

При перегрузке защищаемого элемента срабатывает максимальная токовая защита и приходит в действие привод; связанная с ним втулка 4 поворачива­ется и натягивает плавкую вставку 1. Режущие ножи 5 врезаются в плавкую вставку и разрывают ее. Возникшая дуга гаснет и происходит отключение в соот­ветствии с характеристикой релейной защиты. При коротком замыкании управ­ляемый предохранитель работает как обычный, так как его плавкая вставка сгорает раньше, чем сработает релейная защита и подействует привод.

Управляемый предохранитель на основе кварцевого предохранителя типа ПК [27]. В этом устройстве объединены плавкая вставка и биметаллический элемент. При перегрузках защитная характеристика определяется биметаллическим элементом, а при коротких замыканиях - плавкой вставкой. В контактный колпак (рис. 4.8, а), состоящий из контактного кольца 1 и крышки 4, помещается изоляционный диск 13, имеющий отверстия 2 для прохождения плавких вставок 19. На изоляционный диск 13 крепится с помощью токопроводящей шпильки 8 и гаек 3 биметаллическая мембрана 7. В изоляционном кольце 10 имеются отвер­стия для неподвижных контактов 5 и пружины 6, количество которых соответ­ствует количеству элементов плавкой вставки 19. Пружины 6 обеспечивают малое переходное сопротивление между неподвижными контактами 5 и мембраной 7. Контакты 5 соединяются с элементами плавкой вставки 19 проводниками 9. Контактная шайба 11 образует искровой промежуток 14 с элементами плавкой вставки 19. Стальной проводник 15, удерживающий указатель срабатывания, присоединяется к токоведущей шпильке 8. Крышка 4 крепится к контактному кольцу 1 болтами 12. Предохранитель содержит патрон 16, указатель срабаты­вания 18 и крышку 17, закрывающую отверстие для засыпки патрона предо­хранителя песком.

В нормальном режиме ток проходит через контактную шайбу 11, шпильку 8, мембрану 7, неподвижные контакты 5, проводники 9, соединенные параллельно плавкие вставки 19 и стальной проводник 15 (рис. 4.8,6). При токах перегрузки мембрана 7 нагревается до критической температуры и мгновенно переходит из положения 1 в положение 2 (рис. 4.8, а), размыкая (контактами 5) цепи плав­ких вставок (рис. 4.8,6). Ток перегрузки проходит только по стальному проводнику 15, после выгорания которого поочередно пробиваются искровые про­межутки 14 и поочередно выгорают плавкие вставки 19. Таким образом, в каж­дой из плавких вставок проходит весь ток перегрузки, способствуя быстрому ее выгоранию.

В связи с этим защитная характеристика предохранителя при токах пере­грузки располагается более полого, чем предохранителя типа ПК. При корот­ком замыкании управляемый предохранитель действует обычным способом. Раз­работана также конструкция управляемого предохранителя с приводом. При перегрузках предохранитель отключается релейной защитой [28].

Управляемый предохранитель УПС-35У1. Он содержит контактное устройст­во, которое разрывает цепь и отключает защища