Назначение и устройство предохранителей

Предварительный расчет

1. Расчет токов защищаемого двигателя производится по формулам (9) – (11):

– номинального тока

A;

– пускового тока

I_n = К _I I _ном.дв = 7·83, 05 А;

– ударного пускового тока

I _уд.п = (1, 2÷ 1, 4) I _п = 1, 2·581, 35· = 986, 58 А.

2. Выбор сечения кабеля низкого напряжения, соединяющего электродвигатель с питающим трансформатором, осуществляется исходя из номинального тока двигателя по формуле (12).

Длительно допустимый ток кабеля

I _каб.дл = 1, 2I _ном.дв = 1, 2·83, 05 = 99, 66 А.

Сечение кабеля выбирается из табл. 5 по токовой нагрузке (в воздухе) для алюминия: q _каб = 50 мм².

Марку кабеля выбираем по сечению и материалу: АВБ_бШв 3 50 [7].

3. Определение активного R _каб и реактивного Х_каб сопротивлений кабеля выполняется по формулам (13), (14). Предварительно выбираем из табл. 6 удельные сопротивления прямой последовательности кабеля R _уд.к и Х_уд.к.

Для сечения q _каб = 50 мм² четырехжильного кабеля из алюминия (см. табл. 6) R _уд.к = 0, 769 мОм/м; Х_уд.к = 0, 066 мОм/м.

Найдем полные сопротивления кабеля длиной l = 60 м:

R _каб = R _уд.к l _каб = 0, 769·60 = 46, 14 мОм;

Х_каб = Х_уд.к l _каб = 0, 066·60 = 3, 96 мОм.

4. Расчет токов КЗ делается по формулам (19), (23), (24), в которые входят сопротивления линии до точки КЗ.

Модуль полного сопротивления до точки КЗ найдем по выражению (20):

,

где Х_КЗ определяется по формуле (22), R _КЗ – по формуле (21):

X _КЗ = Х_С + Х_Т + Х_каб;

R _КЗ = R _каб + R _Т + R _ПК.

Активное и реактивное сопротивления прямой последовательности питающего трансформатора определяются из табл. 7 по известной мощности трансформатора S _ном = 100 кВ·А для соединения «треугольник/звезда» [4]:

Х_Т = 66, 0 мОм;               R _Т = 36, 3 мОм.

Из соотношения Х_С / Х_Т = 0, 2 (по условию) определяем приведенное индуктивное сопротивление энергосистемы:

Х_С = 0, 2Х_Т = 0, 2 0, 066 + 0, 0132 Ом.

Вычислим реактивное сопротивление КЗ

Х_КЗ = 0, 0132 + 0, 066 + 0, 0396 = 0, 1188 Ом;

и активное сопротивление КЗ

R _КЗ = 0, 363 + 0, 04614 + 0, 015 = 0, 09744 Ом,

где R _ПК – суммарное переходное сопротивление контактов в местах соединения, принимаемое равным 15 мОм [4].

Полное сопротивление линии до точки КЗ определим по соотношению (20):

Z _КЗ = 0, 15365 Ом.

Токи однофазного и двухфазного (межфазного) КЗ определяются по выражениям (23), (24):

= 679, 58 А;

А,

где R ₀ и X ₀ – соответственно активное и реактивное сопротивления петли «фаза-ноль», которые определяются из соотношений

R ₀ = R_OT + R _каб + 3R _НП;

Х₀ = Х_OT + Х_каб + 3Х_НП.

Активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности трансформатора определяются по табл. 7:

R _ОТ = 253, 9 мОм; Х_ОТ = 581, 8 мОм.

Активное R _НП и индуктивное Х_НП сопротивления нулевого провода кабеля определяются по табл. 6 для выбранного типа ка-

беля:

R _НП = 1, 54 60 мОм; Х_НП = 0, 062 60 мОм.

Тогда вычислим сопротивления:

R ₀ = 253, 9 + 46, 14 + 3·1, 54·60 = 577, 24 мОм;

X ₀ = 581, 8 + 3, 96 + 3·0, 062·60 = 596, 92 мОм.

Ток трехфазного КЗ в месте установки двигателя определяем из выражения (19):

A ≈ 1, 49 кА.

Ударный ток КЗ (амплитуда) определяется из выражения (27):

I _{уд. КЗ} = 1, 123 ·1, 49 = 2, 366 кА,

где

5. Выбор автоматического выключателя для защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором производится с учетом следующего алгоритма.

По напряжению должно выполняться условие (2): U _н.в ≥ U _н.с, т.е. номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть равно и больше 380 В:

U _н.в = 380 В.

По номинальному току расцепителя должно выполняться условие (3):

I _{ном.расц} ≥ I _ном.дв = 83, 05 А.

Из условия несрабатывания отсечки при пуске двигателя должно выполняться условие (5): ток отсечки I ₀ = (1, 1÷ 1, 2)I _уд.п.

Из предварительных расчетов следует, что ударнопусковой ток двигателя I _уд.п = 986, 58 А, следовательно, ток отсечки автоматического выключателя должен быть больше I _уд.п:

I ₀ ≥ 1, 2 I _уд.п = 1, 2·986, 58 = 1183, 9 А.

Выбираем автоматический выключатель с током отсечки I ₀ = 1200 А > 1183, 9 А.

По предельной коммутационной стойкости выключателя должно выполняться условие (17), т.е. ток предельной коммутационной стойкости I _ПКС должен быть больше предельных токов КЗ в месте установки выключателей – трехфазного тока КЗ , значение которого по расчету равно 1, 49 кА:

I _ПКС > 1, 49 кА.

Выбираем автоматический выключатель серии А3130 по табл. П1.1 и П1.2 приложения 1 с параметрами: I _ном.р = 170 А; I _ном.о = 1200 А; I _ПКС = 30 кА; t _отк = 0, 015 с.

Из табл. П2 следует, что защитная характеристика выбранного автомата имеет вид, приведенный на рис. 7, д.

1 2 1           2     3 tn

Совместим защитную характеристику (см. рис.7, д) автомата А3130 – кривая 1 и пусковую характеристику двигателя АИР-200L4 – кривая 2 (рис. 12) с рассчитанными параметрами (см. подразд. 1.1.3.5): I ном.дв = 83, 05 А; I п.дв = 581, 34 А; I уд.п = 986, 58 А. Для построения приведенной пусковой характеристики двигателя рассмотрим три точки: 1 – I ном.дв / I ном.расц; 2 – I п.дв / I ном.расц; 3 – I уд.п / I ном.расц, где I ном.расц – номинальный  ток  расцепителя  вы-

Рис. 12

бранного автомата. Следовательно, точке 1 соответствует значение I _ном.дв/ I _{ном.расц}= 83, 05/170 ≈ 0, 49; точке 2 – I _п.дв/ I _{ном.расц}= = 581, 34 / 170 ≈ 3, 42; точке 3 – I _уд.п / I _{ном.расц} = 986, 58 / 170 ≈ 5, 8. Начнем построение приведенной пусковой характеристики с точки 3, соответствующей первым моментам пуска, когда возникает ударный пусковой ток двигателя, который также резко уменьшается до значения пускового тока (точка 2), которое остается стабильным в течение времени пуска двигателя t_n = 5 c, а затем снижается до значения номинального тока двигателя (точка 3).

По виду кривых 1 и 2 (см. рис. 12) можно сделать вывод, что выбранный автоматический выключатель полностью защитит двигатель в режиме КЗ, так как кривая 1 нигде не пересекает кривую 2.

Аналогично можно выбрать автоматический выключатель по каталогу TeSys [5], частично приводимому в данном пособии (табл. П1.10 приложения 1). В этом случае необходимо по заданной мощности защищаемого двигателя определить каталожный номер автомата, а затем найти защитную характеристику данного автомата в альбоме кривых (приложение 3). Наконец, используя предварительные расчеты по выбору автомата, необходимо построить приведенную пусковую характеристику заданного двигателя в координатах защитной характеристики. Критерий выбора: защитная характеристика должна во всех точках лежать выше пусковой и быть максимально приближенной к ней (с точки зрения чувствительности защиты).

Последнее, что необходимо сделать, – это проверить условие нормального пуска двигателя:

 при легком пуске двигателя (t_n ≤ 5 c);

 при тяжелом пуске двигателя (t_n > 5 c).

В нашем случае , следовательно, выполняется условие легкого пуска, так как t_n = 5 c.

После выбора автоматического выключателя рекомендуется проверить рассчитанный кабель на термическую стойкость.

Проверка термической стойкости кабелей проводится путем сравнения времени действия КЗ на кабель t _к и времени отключения автоматического выключателя t _откл. При этом время t _к должно быть больше времени t _откл , т.е. выбранный автомат должен отключить защищаемый объект быстрее, чем кабель нагреется до допустимо максимальных температур.

Для кабеля справедливо соотношение

(29)

где  q – сечение фазы кабеля, мм²;

t _к – время КЗ, с;

j ² t ( ν _к ) – квадратичный импульс плотности тока, определяемый по адиабатным кривым при максимально допустимой температуре кабеля;

j ² t ( ν _Н ) – квадратичный импульс плотности тока при протекании тока в продолжительном режиме.

Кривые адиабатического нагрева проводниковых материалов [7] приведены на рис. 13: 1 – железо; 2 – сталь; 3 – латунь; 4 – алюминий; 5 – серебро; 6 – медь.

Допустимые температуры нагрева кабелей для нормального режима принимаются равными 65º С для меди и алюминия. При КЗ максимально допустимая температура принимается равной 150º С для алюминиевого кабеля и 200º С для медного кабеля [6].

	В соответствии с принятыми значениями температур ν Н =65º С и ν к =150º С находим значения квадратичных импульсов плотности тока по кривым 4 и 6 (рис. 13):
Рис. 13

Из уравнения (3) определим время, в течение которого кабель может находиться под нагрузкой тока :

c.

Полученное значение t _к сравниваем со временем отключения t _откл выбранных автоматических выключателей при КЗ:

t _к = 6, 41 с > t _откл = 0, 015 с.

Следовательно, выбранный кабель работает с запасом по термической стойкости в режиме КЗ.

Если t _откл > t _к , то необходимо выбрать другой автоматический выключатель либо увеличить сечение кабеля.

В литературе [2] можно найти примеры выбора селективных автоматических выключателей для защиты силового трансформатора, а также автоматических выключателей с тепловым расцепителем для защиты от перегрузок асинхронного двигателя.

Предохранители

Пример

Определить полное время срабатывания предохранителя открытого типа, если предположить, что процесс нагрева имеет адиабатный характер.

Вставка выполнена из серебра, сечение вставки равно 1 мм², ток срабатывания предохранителя составляет 20 А.

Решение

По соотношению (32) можно определить время срабатывания t_cp. Постоянные A₁ и A₂ определяются из табл. 9: A₁ = 62 000 A²c/мм⁴; A₂ = 8000 A²c/мм⁴.

Ток срабатывания для серебряных вставок определяется из соотношения I_cp = (1, 1 ÷ 1, 6) I _ном, если задан номинальный ток предохранителя.

Следовательно, время срабатывания предохранителя открытого типа

с.

Серии ПН2

 

Номинальный ток, А		Отключающая способность
предохранителя	плавкой вставки	предохранителя, кА
40 100 250 400 600 1000	6, 10, 15, 20, 25, 30, 40 30, 40, 50, 60, 80, 100 80, 100, 120, 150, 200, 250 200, 250, 300, 350, 400 300, 400, 500, 600 500, 600, 800, 1000	100 50 40 25 25 10

 

Серия ПР2 – предохранители со сменными плавкими вставками переменного сечения, изготавливаются на номинальные токи от 6 до 1000 А и номинальное напряжение до 500 В переменного и постоянного токов (табл.11). Их отключающая способность в зависимости от габаритов и номинального тока составляет 1, 2 – 20 кА.

Предохранители серии ПР2 имеют фибровый корпус и ленточную цинковую плавкую вставку с двумя или четырьмя узкими перешейками. Возможна разработка предохранителя с целью замены плавкой вставки непосредственно на месте эксплуатации без применения специального инструмента.

Серия ПДС – резьбовые предохранители, плавкая вставка которых, помещенная в керамический цилиндр с кварцевым наполнителем, вставляется в керамическое основание и удерживается керамической головкой, навинчиваемой на резьбу основания. Эти предохранители имеют визуальный указатель о расплавлении плавкой вставки. Предохранители ПДС выпускаются на номинальные токи от 1 до 630 А и номинальные напряжения до 380 В переменного и до 350 В постоянного тока. Корпус предохранителя изготавливается из стеатита, имеющего повышенную механическую прочность. Отключающая способность предохранителей серии ПДС составляет величину до 15 кА.

Таблица 11

Серии ПР2

Номинальный ток, А		Отключающая способность предохранителя, кА
предохранителя	плавкой вставки	220 В	380 В	500 В
15 60 100 200 350 600 1000	6, 10, 15 15, 20, 25, 30, 60 60, 80, 100 100, 125, 160, 200 200, 225, 260, 300, 350 350, 430, 500, 600 600, 700, 850, 1000	1, 2 5, 5 11 11 11 15 15	8 4, 5 11 11 13 23 20	7, 0 3, 5 10 10 11 20 20

 

Конструкция предохранителя серии ПДС допускает замену плавкой вставки в процессе эксплуатации без снятия напряжения с защищаемого электрооборудования.

Серия ПП41, ПП51, ПП61 – предохранители быстродействующие. Они выпускаются на номинальные токи от 40 до 630 А и предназначаются для защиты электрооборудования с силовыми полупроводниковыми приборами (табл. 12). Внутренняя полость фарфорового корпуса предохранителя заполняется кварцевым песком. Плавкая вставка изготавливается из серебряной ленты без оловянной напайки и имеет сечение, рассчитанное в соответствии с требованиями защитной характеристики предохранителя.

 

 

Таблица 12

Предохранителей

 

Тип предохра- нителя	Номинальный ток, А		Напряжение, В		Интеграл квадрата тока, А2 с	Отключаю-щая способность, кА
	предохра- нителя	плавкой вставки	постоян-ное	перемен- ное
ПП41	250 400 630	100, 160, 250 320, 400 400, 630	440	750	1350 при I=630А	25
ПП 51	160 250 320 400	160 250 320 400	–	330	10	100
ПП61	40 63 100 160	40 63 100 160	–	380	100	100

 

Предохранители ПП41, ПП51, ПП61 могут использоваться при напряжении 440 В постоянного и при напряжении от 330 В до 750 В переменного тока.

Маркировка предохранителей осуществляется следующим образом. После буквенного обозначения серии первое число показывает номинальное напряжение в киловольтах, второе – номинальный ток патрона, т.е. плавкой вставки, в амперах, третье – предельный ток, т.е. ток отключения, в килоамперах.

Например, предохранитель ПКЭ106-10-5-20-У2 имеет номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток вставки – 5 А, отключающая способность – 20 кА; предназначен для работы в климатических условиях с умеренным климатом – У2.

Выбор предохранителей

Предохранители в сетях низкого напряжения, как правило, выбираются по трем параметрам и одной характеристике: номинальному напряжению, номинальному току, номинальному току отключения, т.е. отключающей способности предохранителя, и защитной характеристике предохранителя.

Предохранители применяются для защиты от больших токов перегрузки или токов КЗ электропривода, а также электропроводки, например в осветительных сетях.

Номинальное напряжение предохранителя должно быть равно напряжению сети, в которой находится защищаемое электрооборудование:

U ном.пр = U ном.сети.

(34)

Не рекомендуется использовать предохранители и плавкие вставки на большее номинальное напряжение, так как при этом ухудшаются защитные свойства предохранителя.

Номинальный ток плавкой вставки предохранителя должен быть равен или больше номинального тока линии, в которой он включен:

I ном.пр ≥ I ном. линии.

(35)

Номинальный ток отключения (отключающая способность предохранителя) должен быть равен или больше максимального тока КЗ в цепи, где стоит предохранитель:

I откл ≥ I КЗ max.

(36)

Прежде чем выбирать предохранитель, необходимо определить параметры цепи, в которой он будет включен: U _{ном.сети}, I _{ном. линии}, I _{КЗ max}.

В зависимости от того, где будет использоваться предохранитель (для защиты электропроводки или электропривода), существуют различные методики расчета I _{ном. линии} и I _{КЗ max} [4].

Так, при защите электропривода необходимо учитывать пусковые токи двигателя, т.е. предохранитель не должен срабатывать при токах меньше пусковых:

I _{ном. пр} ≥ I _п.

Ток КЗ трехфазных сетей освещения определяется из соотношения

(38)

где Z _{каб.осв}, R _{каб.осв}, X _{каб.осв} – соответственно полное, активное, реактивное сопротивления кабеля освещения, которые определяются предварительным расчетом линии освещения аналогично расчету, приведенному в подразд. 1.1.3.4 по формулам (12) – (14) и табл. 5 и 6.

Ток отключения предохранителя должен быть больше или равен току КЗ в линии освещения:

I _откл ≥ I _{КЗ о}.

1.2.4. Пример выбора предохранителя

Для защиты линии уличного освещения необходимо выбрать предохранители низкого напряжения FU1, FU2, FU3, входящие в распределительное устройство низкого напряжения комплектной трансформаторной подстанции (см. рис. 2).

Исходные данные:

– длина кабеля линии освещения l = 50 м;

– материал кабеля – алюминий;

– осветительная нагрузка Р_ном.о = 17 кВт;

– номинальное линейное напряжение U _ном.л = 380 В;

– соотношение сопротивлений питающей системы и силового трансформатора Х_с / Х_м = 0, 2;

– полная мощность питающего трансформатора S _ном = 100 кВ А.

Предварительные расчеты

· Номинальный ток линии освещения определяется из соотношения

А.

· Выбор сечения и марки кабеля линии освещения производится аналогично выбору кабеля линии двигательной нагрузки.

Длительно допустимый ток кабеля определяется из соотношения

I _каб.о = I _ном.о 1, 2 = 25, 13 1, 2 = 30, 996 А.

Сечение кабеля q _каб.о выбираем по табл. 4, исходя из значения тока I _каб.о и заданного материала кабеля – алюминия:

q _каб.о = 6 мм².

Марка кабеля: АВВГ-0, 63х10.

Удельные (активное и реактивное) сопротивления кабеля определим по табл. 6:

r уд.о = 6, 410 мОм/м;

худ.о = 0, 094 мОм/м.

Активное и реактивное сопротивления кабеля длиной l₀ определяются из соотношений:

R _каб.о = r _уд.о l₀ = 6, 410 50 = 320, 5 мОм;

X _каб.о = x _уд.о l₀ = 0, 094 50 = 4, 4 мОм.

· Расчет полного сопротивления до точки КЗ осуществляем по формуле

где Х_КЗ = Х_С + Х_Т + Х_каб.о; R _КЗ = R _Т + R _каб.о + R_пк.

Активное R_T и реактивное X_T сопротивления прямой последовательности питающего трансформатора определяются из табл. 8 по мощности трансформатора S _ном = 100 кВ А для соединения обмоток «треугольник/звезда» [3]:

ХТ = 66, 0 мОм;

R Т = 36, 3 мОм.

Из соотношения Х_С/Х_Т = 0, 2 (по условию) определяем приведенное индуктивное сопротивление энергосистемы

Х_С = 0, 2 Х_Т = 0, 2 0, 066 = 0, 0132 Ом.

Реактивное сопротивление КЗ равно:

Х_КЗ = Х_С + Х_Т + Х_каб.о = 0, 0132 + 0, 066 + 0, 0047 = 0, 0839 Ом.

Активное сопротивление КЗ составляет:

R _КЗ = R _Т + R _каб.о + R_пк = 0, 0363 + 0, 3205 + 0, 015 = 0, 3718 Ом,

где R_пк – суммарное переходное сопротивление контактов в местах соединения, принимаемое равным 15 мОм [3].

Полное сопротивление линии освещения КЗ составляет:

Ом.

· Расчет трехфазного тока КЗ осуществляется по соотношению (19):

А.

Таким образом, выбираем предохранитель, который удовлетворяет трем условиям:

– U _ном.пр = U _ном.л = 380 В;

– номинальный ток предохранителя должен быть не меньше номинального тока осветительных сетей, т.е.

I _ном.пр ≥ I _ном.о = 25, 83 А;

I _ном.пр = 60 А > I _ном.о = 25, 83 А;

– предельный ток отключения предохранителя должен быть больше тока КЗ в линии освещения при заданном напряжении 380 В, т.е.

I _откл ≥ = 577, 42 А.

Выбираем предохранитель типа ПР-2-60 со следующими параметрами: U _ном = 380 В; I _ном.пр = 60 А; I _откл = 4, 5 кА.

 

Рубильники и переключатели

Переключателей

Рубильник предназначен для ручного включения и отключения тока в цепях с напряжением до 220 В при постоянном токе и до 380 В при переменном токе. Если значения напряжений больше указанных, то рубильник коммутирует только обесточенную цепь.

На рис. 16 представлен общий вид рубильника. Подвижный контакт – нож 1 вращается в шарнирной стойке 2. При вращении рукоятки между ножом и неподвижной частью стойки 3 загорается дуга.

Рис. 16

 

Для увеличения отключающей способности рубильник снабжается дугогасительной камерой в виде дугогасительной решетки.

Переключатель в отличие от рубильника имеет две системы неподвижных контактов и три коммутационных положения. В среднем положении ножей цепи разомкнутся. Специальное устройство фиксирует ножи в этом положении.

Рубильники выпускаются в одно-, двух- и трехполюсных исполнениях.

Конструктивно рубильники и переключатели различаются типом привода.

Пакетные выключатели и переключатели являются многоступенчатыми многоцепными аппаратами, предназначенными для нечастых коммутаций токов до 400 А.

Пример

Необходимо выбрать пакетный выключатель в цепи с напряжением U _ном = 380 В, который коммутирует ток в трехфазной линии освещения (см. подразд. 1.2.4). Таким образом, ток отключения выключателя I _откл.п должен быть равен номинальному току в линии освещения I _ном.о:

I _откл.п = I _ном.о = 25, 83 А,

а номинальный ток выключателя должен быть больше тока отключения:

I _ном.п > 25, 83 А.

По табл. 13 выбираем пакетный выключатель ПВМЗ-60, у которого:

– номинальное напряжение U _ном = 380 В;

– номинальный ток переменный I _ном.п = 40 А > 25, 83 А;

– число полюсов – 3.

 

 

Автоматики

К электромеханическим аппаратам автоматики относятся электромеханические реле, датчики и исполнительные устройства.

Электромеханические реле

Основные понятия

Реле – это электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющей (входной) величины происходит скачкообразное изменение управляемой (выходной) величины. Из двух величин хотя бы одна должна быть электрической.

По области применения реле делятся: на реле для схем автоматики, управления и защиты.

Реле автоматики предназначены для коммутации цепей управления более мощных аппаратов, например электромагнитного контактора, цепей сигнализации и связи, а также для суммирования и размножения сигналов.

Реле управления предназначены для управления и защиты электроприводов. Например, тяговые электромагнитные реле стартера в автомобилях обеспечивают ввод шестерни в зацеплении с венцом маховика и подключают стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее.

Реле защиты предназначены для защиты электроэнергетических систем: электростанций, электрических сетей.

По принципу действия реле делятся на электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные и др.

В зависимости от входного параметра реле делятся на реле тока, напряжения, мощности и др.

По способу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные. Первые воздействуют на выходной параметр путем размыкания и замыкания контактов в управляемой цепи, в реле второго типа при срабатывании резко меняется сопротивление, включенное в управляемую цепь.

По типу управляющего тока реле делятся на реле постоянного и переменного тока. Реле называются универсальными, если их можно использовать и на постоянном, и на переменном токе, при этом заменяя только катушку.

В зависимости от выполняемых функций электромеханические реле делятся на логические и измерительные.

Логические реле срабатывают при изменении входной воздействующей величины, не нормированной по точности. В свою очередь логические реле делятся на промежуточные, указательные и реле времени.

Измерительные реле срабатывают с определенной точностью при заданном значении входной величины. Например, максимальное электромеханическое реле – это измерительное реле, которое срабатывает при значениях входной величины, больших заданного значения (тока или напряжения). Минимальное электромеханическое реле – это измерительное реле, которое срабатывает при значениях входной величины, меньших заданного значения.

Рассмотрим зависимость выходного параметра от входного для случая реле с замыкающим контактом. Когда входного сигнала нет, контакты исполнительного органа разомкнуты и в управляемой цепи сигнал равен нулю.

Параметром срабатывания x _ср называется значение входного параметра, при котором происходит срабатывание реле. До тех пор, пока х < x _ср, выходной параметр Y либо равен нулю, либо равен своему минимальному значению. Так, в бесконтактных реле сопротивление в управляемой цепи не бесконечно, следовательно, ток не равен нулю.

При х = x _ср выходной параметр скачкообразно меняется от нуля или Y _мин до Y _макс, происходит срабатывание реле (участок характеристики 1-2 на рис. 17). Если после срабатывания входной параметр уменьшается, то при х = х_отп происходит отпускание реле. Значение выходного параметра уменьшается от Y _макс до Y _мин. Значение входного параметра х = х_отп называется параметром отпускания или возврата. Время срабатывания реле – это время с момента подачи входного параметра до момента скачкообразного изменения выходного.

Коэффициент запаса – это отношение рабочего значения входного параметра х_раб к значению параметра срабатывания х_ср. Чем больше х_раб, тем быстрее и надежнее работает реле.

Рис. 17

Коэффициент возврата – это отношение входного параметра отпускания хотп к входному параметру срабатывания хср. Время с момента исчезновения входного параметра (или достижения им значения хотп) до момента достижения выходным параметром его минимального значения  называется вре-

менем отключения.

Реле тока серии РТ-40

Рассмотрим устройство максимальных реле тока серии РТ‑ 40, которые применяются в устройствах защиты и противоаварийной автоматики (рис. 21).

Магнитный поток Ф создается обмотками 7, которые находятся на шихтованном магнитопроводе 6 П-образной формы. Поток замыкается по Г-образному якорю 3, который поворачивается от упора 2 к упору 1 под действием электромагнитного момента. Пружина 14 создает противодействующий механический момент,

 

который должен быть меньше электромагнитного при токе срабатывания и больше при токе отпускания (возврата). Величину тока срабатывания реле можно грубо регулировать (в 2 раза), соединяя последовательно или параллельно обмотки 7. Для плавного регулирования тока срабатывания реле необходимо указатель уставки 11 переместить по шкале 12, что приведет к закручиванию или раскручиванию пружины 14 и, следовательно, к подъему или спаду механической характеристики реле.

Рис. 21

Цифры на шкале указателя соответствуют последовательному соединению катушек. При параллельном соединении катушек ток срабатывания увеличится в два раза. Параметры реле серии РТ-40 приведены в табл. 14 [3].

Время замыкания замыкающего контакта не более 0, 1 с при токе 1, 2 I _сраб и не более 0, 03 с при токе 3 I _сраб.

Масса реле не более 3, 5 кг.

Потребляемая мощность зависит от типа исполнения реле.

Реле тока РТ-40 может работать на постоянном и переменном токах.

В реле тока на переменном токе без короткозамкнутого витка применяется механический гаситель колебаний 5, который устраняет вибрацию якоря.

Гаситель колебаний, или демпфер, – это полый барабанчик, заполненный сухим кварцевым песком. При вибрации подвижной системы часть энергии расходуется на преодоление сил трения между песчинками.

 

Таблица 14

Реле напряжения серии РН-50

Реле напряжения серии РТ-50 имеют ту же электромагнитную систему, что и реле тока РТ-40 (см. подразд. 2.1.3).

Основное отличие устройства реле напряжения от реле тока заключается том, что обмотки 7 включаются в цепь устройства не последовательно, а параллельно на фазное напряжение (см. рис. 21). Обмотки реле напряжения выполняют с бó льшим числом витков из провода малого диаметра. Чтобы уменьшить влияние индуктивного сопротивления обмотки, последовательно с обмоткой реле включают добавочные активные сопротивления: R_д1 соответствует первому диапазону уставок, R_д2 – второму диапазону уставок.

Второе отличие устройства электромагнитного реле напряжения от реле тока заключается в том, что для снижения вибрации подвижной части системы вместо механического демпфера применяют выпрямительную схему (рис. 22).

Максимальные реле напряжения РН-53 применяют в схемах релейной защиты и автоматики для контроля повышения напряжения в цепи переменного тока. Масса реле не более 0, 85 кг. Диапазоны уставок напряжения реле приведены в табл. 15 [3], а обмоточные данные и сопротивления добавочных резисторов – в табл. 16 [3].

Рис. 22

 

Ta блица 15

 

Реле	Диапазон уставок
	I		II
	Uсраб, В	Uном, В	Uсраб, В	Uном, В
PH-53/60 PH-53/200 PH-53/400	15 – 30 50 – 100 100 – 200	30 100 200	30 – 60 100 – 200 200 – 400	60 200 400

 

Ta блица 16

 

Реле	Число витков	Диаметр провода, мм	Добавочное сопротивление
			Rд1, Ом	Rд2, Ом
PH-53/60 PH-53/200 PH-53/400	2 000 7 000 14 000	0, 25 0, 13 0, 09	560  6 000 24 000	1 380 14 400 57 000

 

Длительно допустимые напряжения составляют 1, 1U _ном.

Коэффициент возврата реле не менее 0, 8.

Максимальное реле напряжения РН-53/60Д применяют в тех случаях, когда необходима малая уставка срабатывания (до 60 В), но реле может длительно оставаться под напряжением 110–220 В.

Минимальные реле напряжения РН-54 применяют в схемах защиты и автоматики для контроля уменьшения напряжения в цепи переменного тока. В таких реле коэффициент К_в, равный отношению напряжения возврата к напряжению срабатывания, будет больше единицы, но не более 1, 25.

Сопротивления добавочных резисторов и обмоточные данные у реле РН-54/48, РН-54/160 и РН-54/320 такие же, как у реле РН-53/60, РН-53/200 и РН-53/400 соответственно.

Реле серии РЭ-571 Т

Электромагнитные реле РЭ-571 Т применяют в схемах автоматического управления электроприводами переменного тока напряжением до 660 В. Например, реле РЭ-571 Т используют для защиты асинхронных двигателей в случае аварийных режимов работы. Масса реле не более 2, 5 кг. Номинальные токи обмотки реле: 0, 6; 1; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 320; 400; 630 А.

Реле тока серии РТ-80

Индукционные максимальные реле тока серии РТ-80 применяют для защиты от перегрузок и коротких замыканий. Реле имеет комбинированную систему: электромагнитную и индукционную.

Принцип   действия   индукционной   системы   представлен на

рис. 23. При подаче переменного напряжения на обмотку в сердечнике, разделенном на два полюса, возникают переменные магнитные потоки Ф1 и Ф2, сдвинутые по фазе (времени) за счет коротко-замкнутого витка на одном из полюсов. При этом в электропроводящем диске возникает вра-

Рис. 23

щающий момент, который можно вычислить по формуле [2]

(40)

где Δ g – толщина диска; ρ – удельное электрическое сопротивление материала диска; χ – геометрическая постоянная индукционной системы, зависящая от размеров полюсов и взаимного расположения полюсов и диска; ф_{1 m} и ф_{2 m} – амплитуды магнитных потоков на полюсах; ψ – угол сдвига фаз ф₁ и ф₂.

При вращении диска под действием М_вр1 в нем генерируются э.д.с. резания, которые вызывают в диске токи резания, взаимодействующие с потоками ф₁ и ф₂, в результате чего возникает тормозной момент М_торм.

С помощью индукционной системы в реле РТ-80 регулируется время его выдержки в зависимости от тока уставки.

Электромагнитная  система  используется в  расцепителе, ко-

 

Рис. 24

торый мгновенно срабатывает при токах короткого замыкания, обеспечивая отсечку. На рис. 24 представлены временные характеристики реле РТ-80, а в табл. 17 [3] приведены номинальные токи I ном и другие параметры данной серии реле. Масса реле не более 3, 4 кг. Коэффициент возврата реле не менее 0, 8.

Таблица 17

Реле промежуточные

Промежуточные реле предназначены для схем защиты и автоматики на постоянном и переменном токах и относятся к логическим электромеханическим реле.

Реле серии РПЛ-1 имеют электромагнитную систему и применяются для коммутации цепей переменного тока частотой 50 и 60 Гц и с напряжением 660 В, реле серии РПЛ-2 используются для коммутации цепей постоянного тока с напряжением до 440 В [2].

Промежуточные реле серии РП-25 осуществляют размножение сигналов и увеличение их мощности; они имеют электромагнитную систему с короткозамкнутым витком. Номинальные напряжения при частоте 50 Гц составляют 100, 127 и 220 В [2].

Напряжение срабатывания реле РП-25 не превышает 0, 85 U _ном, напряжение возврата – не менее 0, 03 U _ном. Время срабатывания при U _ном не более 0, 06 с. Реле длительно выдерживает напряжение 110% U _ном. Масса реле не более 0, 825 кг.

Реле времени

Реле времени применяются в схемах защиты и автоматики, когда требуется создать выдержку времени между срабатыванием двух или нескольких аппаратов, а также при необходимости создания определенной временной последовательности коммутаций в цепи.

Для схем автоматического управления приводом при большой частоте включений в час требуются реле с высокой механической износоустойчивостью до (5 ÷ 10)·10⁶ срабатываний. Требуемые выдержки времени находятся в пределах 0, 25–10 с. В зависимости от принципа действия устройства регулирования времени работы реле (заменяющего устройства) существуют электромагнитные, моторные пневматические, электронные реле, а также реле времени с анкерным механизмом.

Так, работа реле времени с замедлителем в виде анкерного механизма происходит следующим образом. При подаче напряжения на электромагнит якорь заводит пружину, под действием которой приводится в движение механизм реле. Контакты реле связаны с анкерным механизмом и приходят в движение лишь после того, как анкерный механизм отсчитает определенное время.

Реле времени серии ЭВ-200 [7] с анкерным механизмом работает на переменном токе. Номинальные напряжения питания реле: 127 и 220 В. Диапазон выдержки времени – от 0, 1 до 20 с.

Пневматические реле времени серии РВП-72 включают в себя пневматическую приставку, имеющую контакты с временной задержкой и электромагнитный механизм [3]. Номинальные напряжения питания реле: 36, 110, 127, 220, 380, 440 В. Выдержка времени – от 0, 4 до 180 с.

Электродвигателей

Защита асинхронных электродвигателей происходит в нескольких случаях: при коротком замыкании, при перегрузке, при понижении или исчезновении напряжения питания.

Защита с помощью максимальных реле тока по сравнению с защитой с помощью плавких предохранителей имеет главное преимущество – многократность использования.

Рис. 25

Рассмотрим схему защиты [3] от коротких замыканий в главных цепях асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (рис. 25). Максимальные реле тока КА1, КА2, КА3 используются как чувствительные органы и включены во все три фазы статора двигателя М. Исполнитель-

ным органом служит контактор КМ.

Последовательно с катушкой контактора КМ включены размыкающие контакты реле. При срабатывании хотя бы одного реле двигатель М будет отключен от сети.

Выбор тока уставки I _уст максимальных токовых реле осуществляется с учетом пускового тока I _п двигателя с короткозамкнутым ротором из соотношения [3]

I уст ≥ (1, 3 ÷ 1, 5)I п.

(41)

Номинальный ток катушки реле I _ном.р должен удовлетворять условию

I ном.р ≥ I ном.дв,

(42)

где I _ном.дв – номинальный ток двигателя.

При защите короткозамкнутых двигателей от перегрузки применяют защитные устройства с выдержкой времени не менее 3 с и напряжением до 500 В [3], для чего включают реле тока с реле времени.

Пример

Выбрать реле защиты от коротких замыканий асинхронного двигателя c короткозамкнутым ротором, номинальный ток которого I _ном = 19, 3 А или 10*N, а пусковой ток двигателя I _п = 85 А  20*N.

Решение

Исходя из соотношения (42), определим ток уставки реле:

I _уст = (1, 3÷ 1, 5)I _п = 1, 3 85÷ 1, 5 85 = (110, 5÷ 127, 5) А.

Номинальный ток реле выберем, исходя из соотношения (42):

I _ном.р ≥ I _ном = 19, 3 А.

Выберем реле типа РЭ-571Т, для которого во избежание перегрева рекомендуют следующие соотношения для номинальных токов катушки и двигателя:

I _ном.р ≥ 2I _ном;

I _ном.р ≥ 2I _ном = 2·19, 3 = 38, 6 А.

Ближайшим к рассчитанному значению номинального тока катушки реле РЭ-571Т (см. подраз. 2.1.5) будет значение 40 А.

Следовательно, выбранное реле РЭ-571Т должно быть отрегулировано на ток срабатывания, равный максимальному току уставки I _уст = 127 А, который больше номинального тока в 3, 175 раза, т.е. I _ср = 3, 175 I _ном.р.

Электромагнитные датчики

Датчик – это элемент измерительного канала, который выдает информацию о параметрах системы и протекающих в ней процессах [2]. Датчик является источником электрического сигнала, который затем преобразуется и используется для регулирования процесса (интерактивный режим работы датчика). Электрический сигнал возникает за счет изменения состояния электрической или магнитной цепи.

Датчики классифицируются по физическим явлениям, лежащим в основе их работы (закон электромагнитной индукции, эффект Холла, магнитострикция и т.д.).

Все датчики делятся на пассивные, или параметрические, и активные, или генераторные. Пассивные датчики: резисторные, индуктивные, емкостные. Активные датчики: индукционные, фотоэлектромагнитные, магнитострикционные.

Магниторезистивные датчики

Датчик состоит из резистивного элемента в форме меандра сопротивлением от 30 Ом до 1 кОм [2]. Обычно используются меандровые структуры А и В (рис. 29) различной ориентации.

При вращении вала 3 (рис. 30) магнит 1, установленный на нем, периодически проходит мимо датчика, вызывая изменение его сопротивления и тока в цепи (рис. 31). Выходным параметром измерительной схемы является импульс Е_с (рис. 32).

В магнитных датчиках используются ферромагнитные материалы (например, пермаллой), которые при воздействии магнитного поля изменяют свое электрическое сопротивление.

Рис. 29	Рис. 30

 

Рис. 31	Рис. 32

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики основаны на использовании изменения индуктивности под влиянием контролируемой величины. В индуктивных датчиках выходной сигнал и его фаза зависят от положения подвижного элемента, поэтому они используются для измерения перемещения и усилия.

Индуктивные датчики могут работать только на переменном токе, поэтому сердечник выполняется шихтованным из кремнистых сталей.

По сравнению с резистивными эти датчики менее чувствительны к колебаниям температур, но очень чувствительны к перепадам напряжения и частоты.

Рассмотрим датчик линейных перемещений [2] (рис. 33).

Якорь 2 механически связан с контролируемым узлом; при его перемещении происходит изменение зазора δ между якорем и магнитопроводом.

Рис. 33

Изменение зазора δ приводит к изменению тока в цепи. Если не учитывать сопротивление обмотки и потери в стали, то зависимость тока I от величины зазора δ – линейная (рис. 34).

Рис. 33

Рис. 34

Выходной сигнал в виде напряжения снимается с линейного балластного сопротивления Z (резистор, катушка индуктивности, конденсаторы).

Иногда на одном магнитопроводе располагают две обмотки – W₁ и W₂, что позволяет электрически развязать цепь питания датчика с цепью его нагрузки.

Магнитострикционные датчики

Работа магнитострикционных датчиков основана на использовании эффекта магнитострикции [2]. Магнитное поле, воздействуя на ферромагнитные материалы, вызывает в них изменения:

 

 

Предварительный расчет

1. Расчет токов защищаемого двигателя производится по формулам (9) – (11):

– номинального тока

A;

– пускового тока

I_n = К _I I _ном.дв = 7·83, 05 А;

– ударного пускового тока

I _уд.п = (1, 2÷ 1, 4) I _п = 1, 2·581, 35· = 986, 58 А.

2. Выбор сечения кабеля низкого напряжения, соединяющего электродвигатель с питающим трансформатором, осуществляется исходя из номинального тока двигателя по формуле (12).

Длительно допустимый ток кабеля

I _каб.дл = 1, 2I _ном.дв = 1, 2·83, 05 = 99, 66 А.

Сечение кабеля выбирается из табл. 5 по токовой нагрузке (в воздухе) для алюминия: q _каб = 50 мм².

Марку кабеля выбираем по сечению и материалу: АВБ_бШв 3 50 [7].

3. Определение активного R _каб и реактивного Х_каб сопротивлений кабеля выполняется по формулам (13), (14). Предварительно выбираем из табл. 6 удельные сопротивления прямой последовательности кабеля R _уд.к и Х_уд.к.

Для сечения q _каб = 50 мм² четырехжильного кабеля из алюминия (см. табл. 6) R _уд.к = 0, 769 мОм/м; Х_уд.к = 0, 066 мОм/м.

Найдем полные сопротивления кабеля длиной l = 60 м:

R _каб = R _уд.к l _каб = 0, 769·60 = 46, 14 мОм;

Х_каб = Х_уд.к l _каб = 0, 066·60 = 3, 96 мОм.

4. Расчет токов КЗ делается по формулам (19), (23), (24), в которые входят сопротивления линии до точки КЗ.

Модуль полного сопротивления до точки КЗ найдем по выражению (20):

,

где Х_КЗ определяется по формуле (22), R _КЗ – по формуле (21):

X _КЗ = Х_С + Х_Т + Х_каб;

R _КЗ = R _каб + R _Т + R _ПК.

Активное и реактивное сопротивления прямой последовательности питающего трансформатора определяются из табл. 7 по известной мощности трансформатора S _ном = 100 кВ·А для соединения «треугольник/звезда» [4]:

Х_Т = 66, 0 мОм;               R _Т = 36, 3 мОм.

Из соотношения Х_С / Х_Т = 0, 2 (по условию) определяем приведенное индуктивное сопротивление энергосистемы:

Х_С = 0, 2Х_Т = 0, 2 0, 066 + 0, 0132 Ом.

Вычислим реактивное сопротивление КЗ

Х_КЗ = 0, 0132 + 0, 066 + 0, 0396 = 0, 1188 Ом;

и активное сопротивление КЗ

R _КЗ = 0, 363 + 0, 04614 + 0, 015 = 0, 09744 Ом,

где R _ПК – суммарное переходное сопротивление контактов в местах соединения, принимаемое равным 15 мОм [4].

Полное сопротивление линии до точки КЗ определим по соотношению (20):

Z _КЗ = 0, 15365 Ом.

Токи однофазного и двухфазного (межфазного) КЗ определяются по выражениям (23), (24):

= 679, 58 А;

А,

где R ₀ и X ₀ – соответственно активное и реактивное сопротивления петли «фаза-ноль», которые определяются из соотношений

R ₀ = R_OT + R _каб + 3R _НП;

Х₀ = Х_OT + Х_каб + 3Х_НП.

Активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности трансформатора определяются по табл. 7:

R _ОТ = 253, 9 мОм; Х_ОТ = 581, 8 мОм.

Активное R _НП и индуктивное Х_НП сопротивления нулевого провода кабеля определяются по табл. 6 для выбранного типа ка-

беля:

R _НП = 1, 54 60 мОм; Х_НП = 0, 062 60 мОм.

Тогда вычислим сопротивления:

R ₀ = 253, 9 + 46, 14 + 3·1, 54·60 = 577, 24 мОм;

X ₀ = 581, 8 + 3, 96 + 3·0, 062·60 = 596, 92 мОм.

Ток трехфазного КЗ в месте установки двигателя определяем из выражения (19):

A ≈ 1, 49 кА.

Ударный ток КЗ (амплитуда) определяется из выражения (27):

I _{уд. КЗ} = 1, 123 ·1, 49 = 2, 366 кА,

где

5. Выбор автоматического выключателя для защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором производится с учетом следующего алгоритма.

По напряжению должно выполняться условие (2): U _н.в ≥ U _н.с, т.е. номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть равно и больше 380 В:

U _н.в = 380 В.

По номинальному току расцепителя должно выполняться условие (3):

I _{ном.расц} ≥ I _ном.дв = 83, 05 А.

Из условия несрабатывания отсечки при пуске двигателя должно выполняться условие (5): ток отсечки I ₀ = (1, 1÷ 1, 2)I _уд.п.

Из предварительных расчетов следует, что ударнопусковой ток двигателя I _уд.п = 986, 58 А, следовательно, ток отсечки автоматического выключателя должен быть больше I _уд.п:

I ₀ ≥ 1, 2 I _уд.п = 1, 2·986, 58 = 1183, 9 А.

Выбираем автоматический выключатель с током отсечки I ₀ = 1200 А > 1183, 9 А.

По предельной коммутационной стойкости выключателя должно выполняться условие (17), т.е. ток предельной коммутационной стойкости I _ПКС должен быть больше предельных токов КЗ в месте установки выключателей – трехфазного тока КЗ , значение которого по расчету равно 1, 49 кА:

I _ПКС > 1, 49 кА.

Выбираем автоматический выключатель серии А3130 по табл. П1.1 и П1.2 приложения 1 с параметрами: I _ном.р = 170 А; I _ном.о = 1200 А; I _ПКС = 30 кА; t _отк = 0, 015 с.

Из табл. П2 следует, что защитная характеристика выбранного автомата имеет вид, приведенный на рис. 7, д.

1 2 1           2     3 tn

Совместим защитную характеристику (см. рис.7, д) автомата А3130 – кривая 1 и пусковую характеристику двигателя АИР-200L4 – кривая 2 (рис. 12) с рассчитанными параметрами (см. подразд. 1.1.3.5): I ном.дв = 83, 05 А; I п.дв = 581, 34 А; I уд.п = 986, 58 А. Для построения приведенной пусковой характеристики двигателя рассмотрим три точки: 1 – I ном.дв / I ном.расц; 2 – I п.дв / I ном.расц; 3 – I уд.п / I ном.расц, где I ном.расц – номинальный  ток  расцепителя  вы-

Рис. 12

бранного автомата. Следовательно, точке 1 соответствует значение I _ном.дв/ I _{ном.расц}= 83, 05/170 ≈ 0, 49; точке 2 – I _п.дв/ I _{ном.расц}= = 581, 34 / 170 ≈ 3, 42; точке 3 – I _уд.п / I _{ном.расц} = 986, 58 / 170 ≈ 5, 8. Начнем построение приведенной пусковой характеристики с точки 3, соответствующей первым моментам пуска, когда возникает ударный пусковой ток двигателя, который также резко уменьшается до значения пускового тока (точка 2), которое остается стабильным в течение времени пуска двигателя t_n = 5 c, а затем снижается до значения номинального тока двигателя (точка 3).

По виду кривых 1 и 2 (см. рис. 12) можно сделать вывод, что выбранный автоматический выключатель полностью защитит двигатель в режиме КЗ, так как кривая 1 нигде не пересекает кривую 2.

Аналогично можно выбрать автоматический выключатель по каталогу TeSys [5], частично приводимому в данном пособии (табл. П1.10 приложения 1). В этом случае необходимо по заданной мощности защищаемого двигателя определить каталожный номер автомата, а затем найти защитную характеристику данного автомата в альбоме кривых (приложение 3). Наконец, используя предварительные расчеты по выбору автомата, необходимо построить приведенную пусковую характеристику заданного двигателя в координатах защитной характеристики. Критерий выбора: защитная характеристика должна во всех точках лежать выше пусковой и быть максимально приближенной к ней (с точки зрения чувствительности защиты).

Последнее, что необходимо сделать, – это проверить условие нормального пуска двигателя:

 при легком пуске двигателя (t_n ≤ 5 c);

 при тяжелом пуске двигателя (t_n > 5 c).

В нашем случае , следовательно, выполняется условие легкого пуска, так как t_n = 5 c.

После выбора автоматического выключателя рекомендуется проверить рассчитанный кабель на термическую стойкость.

Проверка термической стойкости кабелей проводится путем сравнения времени действия КЗ на кабель t _к и времени отключения автоматического выключателя t _откл. При этом время t _к должно быть больше времени t _откл , т.е. выбранный автомат должен отключить защищаемый объект быстрее, чем кабель нагреется до допустимо максимальных температур.

Для кабеля справедливо соотношение

(29)

где  q – сечение фазы кабеля, мм²;

t _к – время КЗ, с;

j ² t ( ν _к ) – квадратичный импульс плотности тока, определяемый по адиабатным кривым при максимально допустимой температуре кабеля;

j ² t ( ν _Н ) – квадратичный импульс плотности тока при протекании тока в продолжительном режиме.

Кривые адиабатического нагрева проводниковых материалов [7] приведены на рис. 13: 1 – железо; 2 – сталь; 3 – латунь; 4 – алюминий; 5 – серебро; 6 – медь.

Допустимые температуры нагрева кабелей для нормального режима принимаются равными 65º С для меди и алюминия. При КЗ максимально допустимая температура принимается равной 150º С для алюминиевого кабеля и 200º С для медного кабеля [6].

	В соответствии с принятыми значениями температур ν Н =65º С и ν к =150º С находим значения квадратичных импульсов плотности тока по кривым 4 и 6 (рис. 13):
Рис. 13

Из уравнения (3) определим время, в течение которого кабель может находиться под нагрузкой тока :

c.

Полученное значение t _к сравниваем со временем отключения t _откл выбранных автоматических выключателей при КЗ:

t _к = 6, 41 с > t _откл = 0, 015 с.

Следовательно, выбранный кабель работает с запасом по термической стойкости в режиме КЗ.

Если t _откл > t _к , то необходимо выбрать другой автоматический выключатель либо увеличить сечение кабеля.

В литературе [2] можно найти примеры выбора селективных автоматических выключателей для защиты силового трансформатора, а также автоматических выключателей с тепловым расцепителем для защиты от перегрузок асинхронного двигателя.

Предохранители

Назначение и устройство предохранителей

Все аппараты защиты можно разделить на три группы в зависимости от контролируемого параметра:

– аппараты токовой защиты;

– аппараты тепловой защиты;

– аппараты температурной защиты.

Предохранители относятся к первой группе аппаратов.

Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей, в основном, от токов короткого замыкания. Главный элемент предохранителя – плавкая вставка постоянного или переменного сечения, которая при токах срабатывания сгорает (плавится), отключая электрическую цепь.

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

Материалы, применяемые для плавких вставок: медь, цинк, алюминий, свинец и серебро. Вставки из меди окисляются, поэтому их подвергают лужению, т.е. покрывают слоем олова.

В засыпных предохранителях чаще применяют кварцевый песок, но лучшими гасящими свойствами обладает мел, который дороже песка, что ограничивает его применение.

На токи до 10 А плавкие вставки выполняются из проволоки круглого сечения, на токи свыше 10 А – из листового материала.

Особую группу составляют жидкометаллические предохранители, в которых применяются, например, галлий или сплав галлий-индий-олово. При срабатывании такого предохранителя, металл из жидкого состояния переходит в газообразное. Возникающее при этом давление в патроне через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического включателя, отключая тем самым электрическую цепь. Сразу после этого пары металла вновь переходят в жидкое состояние (через 0, 5–2 мс), и предохранитель готов к повторному срабатыванию.

Инерционные предохранители отличаются от обычных тем, что в них есть две вставки разного сечения и исполнения. Эти предохранители обеспечивают защиту потребителя (наиболее часто – асинхронные двигатели) при токах короткого замыкания и при небольших токах перегрузки.

t0        2 1 3                   Iном Iпогр                                     I   Рис. 14

На рис. 14 представлена рабочая (защитная) характеристика (кривая 1) предохранителя в координатах время-ток t 0 ( I ), где I ном – номинальный ток предохранителя, являющийся наибольшим допустимый по условиям нагрева составных частей предохранителя то-ком нагрузки в продолжительном ре-жиме (указывается на плавкой вставке); I погр – пограничный ток, при котором

плавкая вставка перегорает за время не менее одного часа; t ₀ – время отключения предохранителя. Обычно I _погр принимается за исходный при расчетах. Реальная защитная характеристика предохранителя имеет отклонения (кривые 2 и 3 на рис. 14) за счет влияния ряда факторов: состояние поверхности плавкой вставки, погрешности конструктивных размеров и др.

В зависимости от материала вставки пограничный ток может превышать номинальный на 10 – 70%. Его меньшие значения относятся к материалам с более стабильной защитной характеристикой, т.е. эти материалы менее подвержены воздействию внешних атмосферных условий и режимов эксплуатации электрооборудования. Например, таким материалом является серебро. А такой материал, как алюминий, относится к нестабильным.

Рекомендуется [3] принимать следующие соотношения для пограничного тока:

–  для медных плавких вставок (1, 6÷ 2, 0) I _ном;

– для серебряных (1, 1÷ 1, 6) I _ном;

– для цинковых и свинцовых (1, 25÷ 1, 5) I _ном;

– для медных с оловянной напайкой (1, 4÷ 1, 5) I _ном.

На рис. 15 представлены два варианта исполнения плавких вставок: а – постоянного сечения, б – переменного.

а)

б)

Рис. 15

 

Фигурные плавкие вставки имеют ряд преимуществ по сравнению со вставками постоянного сечения. Например, меньше засоряется внутренняя полость патрона парами металла, уменьшаются тепловые потери.

Для увеличения отключающей способности предохранителя, т.е. наибольшего действующего значения тока, его патрон делают из специального газогенерирующего материала, например из фибры. При перегорании вставки происходит обильное и интенсивное выделение газа, который увеличивает давление внутри патрона, чем в свою очередь ускоряется процесс дугогашения.

Высоковольтные предохранители, предназначенные для отключения значительных токов КЗ (до 100 кА), выполняются с фарфоровым корпусом.

Пограничный ток предохранителя открытого типа рассчитывается на основе баланса подводимой и отводимой мощностей:

(30)

где К_т – коэффициент теплопередачи; S _охл – площадь поверхности охлаждения; ν _пл – температура плавления материала вставки; ν ₀ – температура окружающей среды; ρ ₀ – удельное электрическое сопротивление материала вставки; α – температурный коэффициент сопротивления.

Пограничный ток засыпного предохранителя определяется из соотношения

(31)

где D _вн и D _н – внутренний и наружный диаметры трубки; λ _н и λ _т – теплопроводности наполнителя и материала трубки; d – диаметр плавкой  вставки.

Полное время срабатывания предохранителя складывается из трех составляющих:

t_ср = t₁ + t₂ + t₃,

где 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 нагревания до температуры плавления); t₃ – время гашения дуги.

При расчете предохранителя полагаем, что процесс нагрева имеет адиабатный характер. Это предположение допустимо при токах, которые превышают номинальный ток в три и более раза.

Составляющие времени срабатывания предохранителя определяются из соотношений

t1 = A1S2 / I2;

t2 = A2S2 / I2,

где S – сечение вставки; I – ток срабатывания предохранителя; A₁ и A₂ – постоянные интегрирования, которые определяются электрофизическими характеристиками материала вставки. Значения A₁ и A₂ сведены в табл. 9.

Таблица 9

 

Материал вставки	A1, А2 с/мм4	A2, А2 с/мм4
Серебро	62 000	8 000
Медь	80 000	11 000
Цинк	9 000	3 000
Свинец	1 200	400

 

Расчет времени срабатывания предохранителя можно выполнить по эмпирическим формулам, учитывающим время гашения дуги:

– для предохранителя открытого типа

(32)

– для засыпного предохранителя

(33)

Пример

Определить полное время срабатывания предохранителя открытого типа, если предположить, что процесс нагрева имеет адиабатный характер.

Вставка выполнена из серебра, сечение вставки равно 1 мм², ток срабатывания предохранителя составляет 20 А.

Решение

По соотношению (32) можно определить время срабатывания t_cp. Постоянные A₁ и A₂ определяются из табл. 9: A₁ = 62 000 A²c/мм⁴; A₂ = 8000 A²c/мм⁴.

Ток срабатывания для серебряных вставок определяется из соотношения I_cp = (1, 1 ÷ 1, 6) I _ном, если задан номинальный ток предохранителя.

Следовательно, время срабатывания предохранителя открытого типа

с.

1234567Следующая ⇒

Поделиться: