Лекция 5. Виды защиты сетей напряжением до 1кВ от токов перегрузки и токов короткого замыкания. Назначение, принцип действия и устройство плавких предохранителей, автоматических выключателей
 Скачать 183.1 Kb.
|
|
Виды защиты сетей напряжением до 1кВ от токов перегрузки и токов короткого замыкания. Назначение, принцип действия и устройство плавких предохранителей, автоматических выключателей Основными видами защит электрических сетей и электроприемников напряжением до 1 кВ являются защиты от перегрузки и токов короткого замыкания (КЗ). В качестве аппаратов защиты применяются автоматические выключатели и предохранители. Для защиты электродвигателей от перегрузки и от токов, возникающих при обрыве одной из фаз, применяются также тепловые реле магнитных пускателей. Выбор аппаратов защиты (предохранителей, автоматов) выполняется с учетом следующих основных требований: 1.Номинальный ток и напряжение аппарата защиты должны соответствовать расчетному длительному току и напряжению электрической цепи. 2.Номинальные токи расцепителей автоматических выключателей и плавких вставок предохранителей необходимо выбирать по возможности меньшими по длительным расчетным токам с округлением до ближайшего большего стандартного значения. 3.Аппараты защиты не должны отключать установку при кратковременных перегрузках, возникающих в условиях нормальной работы, например, при пусках электродвигателей. 4.Время действия аппаратов защиты должно быть по возможности меньшим, и должна быть обеспечена селективность (избирательность) действия защиты при последовательном расположении аппаратов защит в электрической цепи. 5.Ток защитного аппарата (номинальный ток плавкой вставки, номинальный ток или ток срабатывания расцепителя автомата) должен быть согласован с допустимым током защищаемого проводника. 6.Аппараты защиты должны обеспечивать надежное отключение в конце защищаемого участка двух- и трехфазных КЗ при всех видах режима работы нейтрали сетей, а также однофазных КЗ в сетях с глухозаземленной нейтралью. Надежное отключение токов КЗ в сети напряжением до 1 кВ обеспечивается в том случае, если отношение наименьшего однофазного расчетного тока КЗ (I‘кз ) к номинальному току плавкой вставки предохранителя (Iн.вст) или расцепителя автоматического выключателя (Iн.р), имеющего обратнозависимую от тока характеристику, будет не менее 3, а во взрывоопасных зонах соответственно:
При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (отсечку), для автоматов с номинальным током до 100 А кратность тока КЗ относительно уставки тока мгновенного срабатывания (Iср.э) должна быть не менее 1,4, а для автоматов с номинальным током более 100 А - не менее 1,25. Однако в сетях, защищаемых только от токов КЗ (не требующих защиты от перегрузки), за исключением протяженных сетей, допускается не выполнять расчетной проверки кратности токов КЗ к токам защитных аппаратов, если обеспечено согласование защитного аппарата с допустимым током защищаемого проводника. 4.1 Выбор плавких вставок предохранителей Номинальный ток плавкой вставки предохранителя определяется по величине длительного расчетного тока (Iр): Iн.вст ≥ I р,
где Iп - пиковый (максимальный кратковременный) ток; а - коэффициент кратковременной тепловой перегрузки; а =2,5 - для легких пусков с длительностью пуска до 5 с, а также при редких пусках (насосы, вентиляторы, станки и т. п.) и при защите магистрали; а =2 - для тяжелых условий пуска, а также при частых (более 15 раз в час) пусках (краны, дробилки, центрифуги и т. п.); а = 1,6 - для ответственных электроприемников. При выборе предохранителя для одиночного электроприемника в качестве Iр принимается его номинальный ток iн, а в качестве Iп - пусковой ток iпуск. Для линий, питающих группу электроприемников, максимальный пиковый ток определяется:
где I'пуск- пусковой ток электроприемника или группы одновременно включаемых электроприемников, при пуске которых кратковременный ток линии достигает наибольшей величины; I'р - длительный расчетный ток, определяемый без учета рабочего тока пускаемых электроприемников. При отсутствии данных о количестве одновременно пускаемых электроприемников пиковый ток линии может быть определен по формуле: Iп=iп.max +(IP′ −kиiип) где in.max - наибольший пусковой ток электроприемника группы; Iр - расчетный по нагреву ток группы электроприемников; iнп- номинальный ток электроприемника с наибольшим пусковым током; ки- коэффициент использования электроприемника с наибольшим пусковым током. Номинальный ток плавкой вставки предохранителя, защищающего ответвление к сварочному аппарату, выбирается из соотношения: Iн.вст≥1, 2 iНС  где iнс- номинальный ток сварочного аппарата при паспортной продолжительности включения (ПВ). Выбранные плавкие вставки должны обеспечивать также селективность (избирательность) срабатывания. Это значит, что при КЗ на каком-либо участке сети должна перегореть плавкая вставка предохранителя только этого поврежденного участка. В общем случае защита считается селективной, когда характеристики срабатывания аппаратов защиты, последовательно расположенных в цепи с учетом зон разброса характеристик, не пересекаются. Учитывая, что разница во времени срабатывания плавких вставок с ростом тока КЗ и в области больших токов КЗ уменьшается, а также тот фактор, что с многократным повторением циклов нагрева время срабатывания предохранителя высшей ступени может уменьшаться, для обеспечения селективности срабатывания каждый предохранитель на схеме сети по мере приближения к ИП должен иметь плавкую вставку не менее чем на две ступени выше, чем предыдущий. Выбор расцепителей автоматических выключателей Номинальные токи расцепителей выбирают по длительному расчетному току линии: Iн. р≥ I р. Ток срабатывания (отсечки) электромагнитного или комбинированного расцепителя (Iср.э) проверяется по пиковому току линии Iкр: Iср.э≥ КнIкр, где Кн - коэффициент надежности отстройки отсечки от пикового тока, учитывающий: наличие апериодической составляющей в пиковом токе; возможный разброс тока срабатывания отсечки относительно уставки; некоторый запас по току. Значения Кн принимаются в зависимости от типа автомата. При отсутствии таких данных можно принять Кн = 1,25...1,5. Селективность срабатывания последовательно включенных автоматических выключателей обеспечивается в тех случаях, когда их защитные характеристики не пересекаются. При отсутствии защитных характеристик каждый автомат на схеме сети по мере приближения к источнику питания должен иметь номинальный ток расцепителя не менее чем на ступень выше, чем предыдущий. Автомати́ческий выключа́тель — контактный коммутационный аппарат (механический или электронный), способный включать токи, проводить их и отключать при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного (заданного) времени и автоматически отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи, таких как токи короткого замыкания Автоматический выключатель предназначен для защиты электрической цепи от перегрузки и токов короткого замыкания. Главным отличием от плавкой вставки является возможность многократного использования и стабильность уставки срабатывания. Автоматический выключатель устанавливают для того, чтобы защитить кабели, провода, а также электроприборы от короткого замыкания (к.з.) и перегрузки. Устройство автоматического выключателя Модульный автоматический выключатель внешне представлен в виде корпуса и рычага управления, которые выполнены из ПВХ-пластиката пониженной горючести. Также невооруженным взглядом можно определить клеммы (нижняя и верхняя) для подключения кабеля или провода. Внутри же корпуса защитного аппарата размещаются следующие элементы:  • силовые контакты (подвижный и неподвижный), обеспечивающие коммутацию; • механизм взвода и расцепления, который взаимосвязан с рычагом управления; • катушка (электромагнит) и подвижный сердечник (якорь), выполняющий функцию толкателя. Эти элементы являются электромагнитным расцепителем и обеспечивают защиту от токов к.з.; • дугогасительная камера. Данное устройство выполняет быстрое гашение дугового разряда, который образуется при размыкании контактов; • биметаллическая пластина. Данный элемент является тепловым расцепителем и обеспечивает защиту от повышенной нагрузки. Также имеется регулировочный винт, при помощи которого обеспечивается регулировка значения тока, при котором данный расцепитель должен сработать. Принцип работы автоматического выключателя Работа автоматического выключателя в различных режимах происходит по такому принципу: 1. Нормальный режим. Во время взвода рычага управления выключателем приводится в движение механизма взвода и расцепления, тем самым осуществляя коммутацию силовых контактов. После коммутации ток протекает от питающего провода или кабеля, подключенного к винтовому зажиму, через этот зажим по контактам, сначала по неподвижному, а затем и по подвижному. Далее ток проходит через гибкую связь, катушку электромагнита, снова через гибкую связь и биметаллическую пластину, и в конце через нижний винтовой зажим к отходящей линии, "питающей" электроприбор. 2. Короткое замыкание. В данном режиме электромагнитный расцепитель автоматического выключателя должен произвести мгновенное отключение нагрузки. Принцип действия заключается в следующем: при значительном превышении номинального тока, протекающего через обмотку электромагнита, возникает мощное магнитное поле, которое тянет вниз якорь с подвижным контактом. Якорь в свою очередь надавливает на рычажок спускового механизма, в результате чего происходит отключение нагрузки. Необходимо отметить, что в результате мгновенного возникновения магнитного поля автоматический выключатель успевает отключиться до появления нежелательных последствий. Однако во время размыкания возможно возникновение дугового разряда между подвижным и неподвижным контактами. Дуга движется в сторону дугогасительной камеры. Попадая на пластины, дуга расщепляется, завлекается внутрь камеры и тухнет. Образовавшиеся продукты горения вместе с избыточным давлением выходят наружу через специальное отверстие в корпусе автомата. 3. Перегрузка. За защиту от перегрузки отвечает тепловой расцепитель. Принцип работы данного расцепителя заключается в следующем: когда ток, протекающий через биметаллическую пластину, становится равным или больше установленного значения, пластина нагревается и постепенно изгибается. Достигнув определенного угла изгиба, она надавливает своим кончиком на рычажок спускового механизма. Таким образом автомат отключается. Стоит отметить, что терморасцепитель, в отличие от магнитного, является более медлительным. Для его срабатывания требуется больше времени, но зато он более точный и легче поддается настройке. Плавкий предохранитель – это коммутационный электрический аппарат, который используется для отключения защищенной цепи. Его назначение – это защита электрической сети и электрооборудования от короткого замыкания и значительной перегрузки. Плавкие предохранители, наряду с автоматическими выключателями, применяются для защиты элементов и устройств электрических установок от повреждений, которые могут возникнуть при ненормальных режимах, угрожающих целостности отдельных элементов или всей установки. Обычно плавкие предохранители применяются для защиты кабелей, проводов и электрических устройств сильного и слабого тока от коротких замыканий и более или менее значительных перегрузок.  Сравнительная дешевизна и простота устройства предохранителей обусловили широкое применение во всех тех случаях, когда они пригодны для защиты электрических установок. Однако, будучи простыми по конструкции, предохранители имеют ряд недостатков, обусловливающих их применение в электрических установках с несложными коммутационными схемами и для защиты элементов установок, не предъявляющих высоких требований в отношении защиты от перегрузок. Основными недостатками предохранителей являются: трудность, а в ряде случаев невозможность получения избирательного действия их как при коротких замыканиях в сети, так и при перегрузках; малая пригодность большинства предохранителей для защиты от небольших перегрузок; необходимость в специальном коммутационном аппарате (рубильнике, разъединителе), поскольку предохранитель, в отличие от автоматических выключателей, может осуществлять только автоматическое отключение при аварийных режимах, являясь в нормальных режимах неуправляемым аппаратом; необходимость в замене одной из частей предохранителя (плавкой вставки) после его срабатывания. В настоящее время ведется разработка более совершенных по своим характеристикам предохранителей, позволяющих осуществлять надежную защиту от перегрузок и обладающих более высоким избирательным действием.  Плавкие предохранители обычно классифицируются по следующим признакам: конструктивному исполнению; номинальному напряжению; номинальному току. Характеристики Зависимость общего времени сгорания плавкой вставки и гашения возникающей при этом дуги от кратности тока, плавящего вставку, по отношению к номинальному току вставки предохранителя называется характеристикой предохранителя, или, иначе, амперсекундной (защитной) характеристикой.  Защитная характеристика Характеристикой предохранителя определяется: способность защищать элемент установки от перегрузок; избирательность действия предохранителя в совокупности с действием других предохранителей и релейной защиты схемы, в которой установлен предохранитель. Подбирая соответствующие ампер-секундные характеристики плавких вставок последовательно включенных предохранителей смежных участков сети, добиваются избирательности их действия, т. е. такого действия, при котором вставка нижестоящего по направлению питания предохранителя перегорает раньше, чем успеет перегореть вставка вышестоящего предохранителя. При подборе плавких вставок предохранителей по условиям избирательности защиты должно соблюдаться также условие, при котором номинальный ток плавкой вставки не превосходил бы величины, определяемой правилами для защищаемого элемента установки. Важной характеристикой предохранителя является разрывная способность, определяющая максимальную величину отключаемого предохранителем тока короткого замыкания. Разрывная способность предохранителя зависит от быстроты гашения дуги при перегорании плавкой вставки, и при прочих равных условиях она тем больше, чем ниже лежит ампер-секундная характеристика плавкой вставки. Устройство предохранителей Основным назначением предохранителя является защита элементов электрических установок от перегрузок и коротких замыканий. Предохранитель, включенный с защищаемым элементом последовательно, перегорает, когда ток защищаемой цепи превысит на определенную величину номинальный ток плавкой вставки. При этом предохранитель автоматически отключает поврежденный участок сети. На любые другие отклонения от нормального режима работы сети предохранитель не реагирует. Для восстановления питания участка сети при перегорании плавкой вставки необходимо заменить перегоревшую плавкую вставку новой. Основными частями любого предохранителя являются: плавкая вставка; элемент, используемый для размещения (крепления) плавкой вставки и создания условий для гашения дуги при перегорании плавкой вставки; основание предохранителя в виде стойки или патрона в зависимости от типа предохранителя, с зажимом для подключения к цепи электрического тока. Основание предохранителя и элемент, используемый для размещения плавкой вставки, снабжаются соответственными контактными устройствами. При помощи контактных устройств элемент закрепляется ив основании предохранителя, а также обеспечивается надежное включение плавкой вставки в защищающую цепь тока. Некоторые предохранители снабжаются дополнительными устройствами: зажимами для предотвращения выпадания предохранителей при вибрации, ручками для удобного и безопасного извлечения съемного элемента предохранителя из распределительного устройства и т. д. Режимы работы предохранителя Работа предохранителя протекает в двух резко различающихся режимах: в нормальных условиях; в условиях перегрузок и коротких замыканий. Первый этап — работа в штатном режиме сети. В нормальных условиях нагрев плавкого элемента имеет характер установившегося процесса, при котором все выделяемое в нем количество теплоты отдается в окружающую среду. При этом, кроме элемента, нагреваются до установившейся темпера туры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Силу тока, на которую рассчитан плавкий элемент для длительной рабо ты, называют номинальной силой тока плавкого элемента (1Ном)- Она может быть отлична от номинальной силы тока самого предохранителя. Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие элементы на раз личные номинальные значения силы тока. Номинальная сила тока предохранителя, указанная на нем, равна наибольшему значению тока плавкого элемента, предназначенного для данной конструкции предохранителя. При номинальной силе тока избыточное количество теплоты вследствие теплопроводности материала элемента успева ет распространиться к более широким частям, и весь элемент практически нагревается до одной температуры. Второй этап — возрастание силы тока в сети. Чтобы значительно сократить время плавления вставки при возрастании силы тока, элемент выполняют в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженных участках выделяется большее количество теплоты, чем на широких. При коротком замыкании нагревание суженных участков происходит настолько интенсивно, что отводом количества теплоты практически можно пренебречь Плавкий элемент расплавляется («перегорает») одновременно во всех или в нескольких суженных местах, причем сила тока в цепи при коротком замыкании не успевает достичь установившегося значения. В момент расплавления элемента в месте разрыва цепи возникает электрическая дуга. Гашение дуги в современных предохранителях происходит в ограниченном объеме патрона предохранителя. При этом плавкие предохранители делают такими, чтобы жидкий металл не мог повредить окружающие предметы. Принцип действия: Плавкая вставка при протекании по ней тока нагревается. Во время протекания через нее большого тока за счет перегрузки или короткого замыкания она перегорает. Время перегораний пре дохранителей зависит от силы тока, проходящего через нить. Так, при коротком замыкании, пре дохранители перегорают достаточно быстро, и в этом наиболее опасном случае служат простой, дешевой и надежной защитой. Чтобы при перегорании плавкой вставки в предохранителе не проявилось опасное явление электрической дуги, вставка помещается в фарфоровую трубку. | |||||||||||||||||||||||||||