Защита электрических сетей и установок

В эксплуатации возможны различные повреждения электроустановок и электрических сетей. Чаще всего происходит разрушение изоляции, обрывы проводов, их замыкания между собой и на землю и т.д.. Кроме того, возможны короткие замыкания (к.з.) в результате прямых ударов молнии, перенапряжения при грозовых разрядах, а также аварийные ситуации могут возникнуть при ошибочных действиях обслуживающего персонала. Наиболее часто причинами к.з. являются повреждения воздушных линий (80%) и распределительных устройств (15%). Остальная часть приходится на повреждения в кабельных линиях, генераторах и трансформаторах.

Для предупреждения опасных последствий к.з. в электроустановках предусматриваются специальные защитные средства. Эти средства должны действовать автоматически и отвечать следующим основным требованиям:

- обладать быстродействием (что уменьшает последствия аварии);

-обладать селективностью, т.е. отключать только поврежденный участок;

- иметь достаточную чувствительность, чтобы реагировать в начальной стадии возникновения недопустимых изменений контролируемых величин (тока, напряжения и др.);

- отказы в защитах не должны приводить к отключению защищаемого оборудования.

Защита электротехнических установок выполняется с помощью плавких предохранителей, автоматических выключателей, либо специальных релейных устройств. Для защиты от перенапряжений при грозовых разрядах применяется специальная защита - разрядники.

Защита с помощью плавких предохранителей. Плавкие предохранители - наиболее простые устройства для токовой защиты от к.з. и перегрузок электрических сетей и электроустановок напряжением от 0,22 до 110 кВ. Предохранитель состоит из корпуса и плавкой вставки. Он имеет следующие основные характеристики по которым производят его выбор:

-номинальное напряжение U_п.ном;

-номинальный ток плавкой вставки I_{вс ном} - значение максимального тока, длительное протекание которого не вызывает разрушения и изменения свойств плавкой вставки;

-номинальный ток патрона предохранителя I_{пр ном} - значение максимального тока, длительное протекание которого не вызывает перегрева арматуры предохранителя;

-защитная (ампер-секундная) характеристика - зависимость времени перегорания плавкой вставки от величины протекающего тока.

К наиболее распространенным предохранителям, применяе­мым для защиты электроустановок напряжением до 1000 В, относятся: ПР-1, ПР-2 — предохранитель разборный, НПН — насыпной предохранитель неразборный, ПН-2 — предохранитель насыпной разборный.

На рис.1.25 показаны ампер-секундные характеристики предохранителей типа ПН-2 на номинальные токи от 30 до 600 А. Эти характеристики показывают зависимость времени перегорания предохранителя от величины протекающего тока. Ампер-секундная характеристика характеризуется двумя точками: критический ток предохранителя I_кр и номинальный ток I_н. Критический ток это минимальное значение тока при котором предохранитель начинает срабатывать (время срабатывания при этом стремится к бесконечности). Номинальный ток предохранителя это номинальный ток его плавкой вставки; I_кр =К_З I_н, где К_З – коэффициент запаса. Величина К_З зависит от типа предохранителя и находится в пределах 1,25 1,7.

Рис.1.25

В настоящее время выпускаются высоковольтные предохранители с заполнением кварцевым песком типа ПК (предохранитель кварцевый) - для силовых цепей и типа ПКТ - для защиты цепей трансформаторов напряжения на 3, 6, 10 и 35 кВ.

Предохранители ПК и ПКТ являются быстродействующими. Полное время отключения токов к.з. предохранителями составляет 0,005 - 0,007 с, благодаря чему ток короткого замыкания не успевает достичь своего максимального значения, т.е. предохранители обладают токоограничивающим эффектом.

Рис.1.26

Предохранитель типа ПК (рис.1.26) состоит из фарфорового корпуса 3, армированного цементным раствором, с латунными колпачками 2 и герметически закрытого с обеих сторон крышками 1. Для улучшения дугогашения корпус заполнен кварцевым песком 4. Медные плавкие вставки 5 предохранителей на токи до 7,5 А с напаянными оловянными шариками 6 и (константановые вставки в ПКТ) намотаны на ребристый стержень 7 из керамики, а в предохранителях ПК на токи свыше 7,5 А медные плавкие вставки выполнены в виде спиралей.

Для снижения пика перенапряжений, улучшения условий охлаждения и гашения дуги плавкие вставки выполняют из нескольких параллельных проволок разных сечений по длине. Помимо плавких вставок в корпусе предохранителя ПК размещается стальная контрольная проволока, соединенная с крючком якоря 10 указателя срабатывания. Якорь сжимает пружину 9, которая вставлена в металлическую втулку 8. Один конец пружины закреплен во втулке, другой в головке с крючком, за который закрепляется контрольная проволока.

При перегрузках или коротких замыканиях сначала перегорает вставка меньшего сечения, а затем большого сечения. Этим уменьшается длина пробивных промежутков, а следовательно, снижается перенапряжение при перегорании, которое не должно превышать 2,5 кратного значения номинального напряжения. Вслед за плавкими вставками перегорает контрольная проволока, которая освобождает пружину. Якорь указателя срабатывания вместе с пружиной выбрасывается из предохранителя, сигнализируя о его срабатывании. Предохранители ПКТ не имеют указателя срабатывания. Отключающая способность предохранителей ПК 300 МВА, ПКТ 1000 МВА.

Низковольтные предохранители применяются для защиты электроустановок с напряжением до 1 кВ. Они применяются для защиты от к.з. силовых трансформаторов, линий, электродвигателей, регуляторов яркости. В этих установках устанавливаются резьбовые предохранители типа ПРС и трубчатые предохранители серии ПН, НПН и ПР на токи до 1000 А. Буква "Н" в маркировке означает, что предохранитель имеет наполнение.

В предохранителях без наполнителя с закрытыми разборными патронами из фибры дуга гасится газами, образующимися при разложении фибры во время горения дуги. Электрическая дуга при перегорании плавкой вставки предохранителей с наполнителем из кварцевого песка разветвляется между его зернами и охлажда­ется вследствие интенсивной отдачи теплоты наполнителю, что значительно сокращает время ее горения.

На рис.1.27 показана конструкция предохранителя ПР-1, применяемого в цепях с напряжением 220 В.. При перегорании плавкой вставки 5, имеющей несколько суженных сечений, повышается давление и температура, вследствие чего фибра выделяет большое количество газов и происходит интенсивное гашение дуги.

Рис.1.27

Выбор предохранителей. В патрон предохранителя можно установить плавкую вставку на различный ток, но не более номинального тока предохранителя, т.е.

I_{пр ном} > I_{вс ном}.

Для защиты сетей, нагрузки которых не обладают большими пусковыми токами (лампы накаливания, двигатели с реостатным пуском и т.п.) номинальный ток вставки (I_{вс ном}) должен быть несколько больше расчетного тока нагрузки (I_Р):

I_{вс ном} > КI_Р,

где К- коэффициент отстройки (для осветительных нагрузок К= 1,1-1,2, для силовых К=2-2,5).

Для сетей с большими пусковыми токами (короткозамкнутые двигатели, конденсаторы и др.) плавкие вставки выбираются с учетом пусковых токов, чтобы вставка не перегорала во время пуска. Ток вставки в этих случаях определяется выражением:

I_{вс ном} >I_пуск/К_П,

где I_пуск - пусковой ток самого мощного из двигателей; К_П - коэффициент отстройки от тока перегрузки, который в зависимости от условий пуска лежит в пределах 1,6 - 2,5 (К_П =2,5 для двигателей, пускаемых без нагрузки, К_П =2,0 для двигателей пускаемых при наличии нагрузки на валу).

Номинальный ток плавкой вставки должен быть не больше трехкратного значения длительно допускаемого (номинального) тока I_доп.. Проводов защищаемой линии:

I_{вс ном} 3 I_доп.

Чтобы выполнить это условие, иногда приходится увеличивать площадь сечения проводов линии.

При защите смешанных линий, питающих двигательную нагрузку и другие потребители, ток плавкой ставки должен удовлетворять условию:

I_{вс ном} I_кр/2,5,

где I_кр - кратковременный максимальный ток линии.

Этот ток определяется по формуле

I_кр = I_пуск +

где - расчетный ток линии без учета электродвигателя с наибольшим пусковым током.

При выборе предохранителей важно обеспечить селективность (т.е.

избирательность), которая заключается в по­следовательном отключении участков сети с определенными временными интервалами в направлении от места повреждения к источнику питания. Избирательность в работе предохранителей будет обеспечена, если номинальный ток каждой последующей (по направлению тока) вставки будет отличаться от номинального тока предыдущей вставки не менее чем на две ступени.

Автоматические выключатели (автоматы). Предназначены для включения и выключения электрических цепей напряжением до 660 В в нормальных режимах работы и для автоматического отключения цепей при перегрузках, к.з., понижения или исчезновения напряжения. Несмотря на относительную сложность конструкции, автоматы имеют ряд существенных достоинств: готовность к немедленному включению после срабатывания, одновременность отключения трех фаз, многократность действия, надежность и безопасность в работе, большее, чем у предохранителей, соответствие времятоковых характеристик защищаемому оборудованию.

В аэропортах широкое распространение получили установочные автоматы. У этих автоматов пластмассовый корпус, они служат в качестве вводных, секционных аппаратов, а также для присоединения отдельных приемников электроэнергии (регуляторы яркости, электродвигатели). Применяются автоматы серий: АЗ 700 на токи 160, 250, 400 и 600 А; АЗ110 на токи 15-100 А, АК 63; АЕ 1000; АЕ 2000.

Рис.1.28

Автоматы снабжаются электромагнитными, тепловыми, электронными или комбинированными расцепителями. Расцепитель - это устройство, реагирующее на превышение тока автомата номинального значения (тока уставки автомата) и отключающее контакты.

Рис.1.29

На рис.1.28 показана упрощенная схема автомата, имеющего комбинированный расцепитель: тепловой и электромагнитный (токовая отсечка). Ток автомата протекает по цепи: контакты 8, биметаллическая пластина 1, катушка электромагнитного расцепителя 6. При длительном протекании тока перегрузки через биметаллическую пластину она нагревается, деформируется и воздействует на упор 4, связанный с защелкой 3. Защелка освобождает опорный рычаг 2, который через кинематические связи (на схеме не показанные) размыкает контакты 8. При возникновении больших токов перегрузки или к.з. магнитодвижущая сила электромагнита 6 создает силу, превышающую силу пружины 7, и якорь 5 электромагнита, ударяя по биметаллической пластине, освобождает опорный рычаг запирающего механизма автомата и контакты размыкаются.

Наличие теплового расцепителя определяет зависимую ампер-секундную характеристику срабатывания автомата (подобную характеристике предохранителя). Однако при больших токах, когда практически мгновенно срабатывает электромагнитный расцепитель, характеристика имеет независимый участок (токовую отсечку).

На рис.1.29 приведено семейство ампер-секундных характеристик автоматов серии АЗ110 на токи 15-100 А. Защитная характеристика теплового автомата характеризуется: номинальным током (I_Н), при котором автомат может длительное время работать, током тепловой уставки (I_НР), током электромагнитного расцепителя (I_РЦ). Ток тепловой уставки составляет I_НР =(1,05 1,2)I_Н, ток уставки электромагнитного расцепителя зависит от типа характеристики: для типа B - I_РЦ =(3 5)I_Н; для типа C - I_РЦ =(5 10)I_Н; для типа D - I_РЦ =(10 14)I_Н.

Рис.1.30

Конструкция однополюсного автоматического выключателя для монтажа на DIN-рейку приведена на рис.1.30. Включение-выключение производится рычажком (1), провода подсоединяются к винтовым клеммам (2). Защелка (9) фиксирует корпус выключателя на DIN-рейке и позволяет при необходимости легко его снять (для этого нужно оттянуть защелку, вставив отвертку в петлю защелки). Коммутацию цепи осуществляют подвижный (3) и неподвижный (4) контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие для быстрого расцепления контактов. Механизм расцепления приводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или магнитным.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину (5), нагреваемую протекающим током. Минимальный ток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,45 от номинального тока автомата. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом (6). В отличие от плавкого предохранителя, автоматический предохранитель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Магнитный расцепитель представляет собой соленоид (7), подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Для гашения дуги автомат оснащен дугогасительной камерой (8). При выборе автомата необходимо соблюдать условия:

I_Н I_Р, I_РЦ 1,25I_пуск

Контрольные вопросы

1. Поясните маркировку кабелей.

2. Как выбрать сечение кабеля по заданной потере напряжения?

3. Какими свойствами должна обладать аппаратура защиты?

4. Как выбрать предохранитель?

5. Укажите назначение теплового и электромагнитного расцепителей.