Принцип действия и область применения предохранителей.

С помощью плавких предохранителей защита электроустановок осуществляется наиболее просто и дёшево. При их использовании не требуется устанавливать трансформаторы тока и напряжения, реле и автоматические выключатели, необходимые при осуществлении релейной защиты.

В сетях до 1000В плавкие предохранители являются основным видом защиты. Применяются предохранители и в сетях более высоких напряжений – до110кВ, когда они удовлетворяют требуемым параметрам и условиям эксплуатации.

Принцип работы плавких предохранителей основан на тепловом действии электрического тока, проходящего по проводнику. В нормальных условиях всё тепло, выделяемое проводником, рассеивается в окружающей среде. При увеличении же тока количество выделяемого тепла увеличится, возникнет избыток тепла, который не будет успевать отводиться в окружающую среду; температура проводника при этом будет повышаться. При значительном увеличении тока температура проводника достигает значения температуры плавления металла, из которого он выполнен. Таким образом, если в определённом месте сети сделать вставку из проводника меньшего сечения или другого материала, имеющего большее сопротивление, то при увеличении тока этот проводник, называемый плавкой вставкой , будет нагреваться сильнее, чем другие участки сети, и при достижении опасных значений тока расплавится (перегорит) и прервёт цепь тока. Очевидно, что чем больше ток, проходящий по плавкой вставке, тем быстрее она перегорит. На этом явлении и основано действие плавких предохранителей. Плавкий предохранитель состоит из плавкой вставки, патрона или конструкции, в которой закрепляется плавкая вставка, и иногда устройства, облегчающего гашение дуги.

Предохранители и плавкие вставки характеризуются следующими параметрами:

Номинальным напряжением (U_ном) предохранителя, для длительной работы при котором он предназначен;

Номинальным током плавкой вставки (I_ВС.ном.), который вставка выдерживает неограниченно долгое время;

Номинальным током предохранителя (I_П.ном), равным наибольшему номинальному току плавкой вставки, которая может быть установлена в данный предохранитель;

Минимальным испытательным током плавкой вставки (I_ИСП.min.), при котором вставка перегорает за время более 1ч;

Максимальным испытательным током плавкой вставки (I_{ИСП.тах.}), при котором вставка перегорает за время менее 1ч;

Кратностью минимального испытательного тока:

Кратностью максимального испытательного тока:

Предельным отключаемым током или разрывной мощностью называется ток или мощность КЗ, которые способен разорвать (отключить) предохранитель.

Защитной характеристикой плавкой вставки называется зависимость времени с момента возникновения тока до его отключения плавкой вставкой от значения тока, проходящего через вставку, или от кратности этого тока по отношению к номинальному току вставки.

Предохранители применяются для защиты от КЗ и от перегрузки линий электропередачи, трансформаторов, электродвигателей и др. при условии, что их номинальные напряжение и ток, а так же предельный отключаемый ток соответствуют параметрам сети, если при этом обеспечиваются необходимые чувствительность и селективность их действия и использование предохранителей не препятствует применению автоматики (АПВ, АВР и др.).

Выбор предохранителей.

Выбор предохранителей осуществляется по: номинальному напряжению, предельно отключаемому току плавкой вставки, номинальному току плавкой вставки.

Номинальное напряжение предохранителей и их вставок должно выбираться равным номинальному напряжению сети:

U_ВС.ном=U_C. Где U_С – номинальное напряжение сети.

Предельно отключаемый ток плавкой вставки( I_ВС.Пр) должен быть равен или больше максимального расчётного тока КЗ (I_К.MAX.), проходящего по цепи, защищаемой предохранителем:

Номинальный ток плавкой вставки во всех случаях следует выбирать минимальным. При этом плавкая вставка не должна перегорать при прохождении по ней максимального длительного тока нагрузки, что обеспечивается при соблюдении следующего условия:

I_ВС.НОМ.=к_НI_Н. Коэффициент к_н зависит от характера нагрузки. При постоянной нагрузке он равен 1,1 – 1,2. При переменной нагрузке плавкая вставка не должна перегорать при кратковременных перегрузках, когда в защищаемой сети проходит ток, превышающий максимальный ток длительной нагрузки, вызванный пуском или самозапуском электродвигателей, технологическими перегрузками и т.д. Для выполнения этого условия номинальный ток плавкой вставки выбирают таким, чтобы при прохождении по ней тока перегрузки (I_П) время её перегорания было больше времени перегрузки, т.е.:

I_ВС.НОМ.=I_П/к_п. Коэффициент к_п – коэффициент отстройки от тока перегрузки.

Значение этого коэффициента принимается:

При t_пер. 2 – 3 сек. (лёгкие условия) к_п = 2,5;

При t_пер. 10сек. (тяжёлые условия) к_п=1,5 – 2.

В жилых домах, бытовых и общественных помещениях, там, где сети не находятся постоянно под наблюдением электротехнического персонала, к_п принимается равным 0,8.

Селективность.

Одно из условий выбора предохранителей – обеспечение селективности их действия между собой и с релейной защитой.

Рис.1. Размещение предохранителей и релейной защиты в сети:

F1 – F3 – предохранители; РЗ – релейная защита.

Это означает, что в случае повреждения одного из двигателей (как показано на рис.1) должен сгореть предохранитель F3 и не должны перегорать предохранители F1,F2, а так же не должна срабатывать РЗ, установленная на выключателе. Для правильной ликвидации повреждений все последовательно установленные предохранители и РЗ должны быть селективны. Для проверки селективности необходимо сопоставить характеристики плавких вставок во всём диапазоне токов, возможных как при перегрузках, так и при КЗ.

Защитная характеристика предохранителя может быть задана заводом – изготовителем в двух видах: либо как полное время отключения, равное сумме времён плавления вставки и горения дуги, либо отдельно как время плавления и время горения дуги. При проверке селективности двух последовательно установленных предохранителей следовало бы сравнивать время плавления вставки, установленной ближе к источнику питания. На практике обычно используют одинаковые характеристики полного времени отключения, поскольку время горения дуги не велико, а разбросы времени плавления и отключения перекрывают неточность расчётов.

При анализе характеристик однотипных предохранителей селективность следует проверять при максимальном токе трёхфазного КЗ. Если селективность при этом токе обеспечена, она будет обеспечена и при всех меньших значениях токов. У разнотипных предохранителей селективность следует проверять во всём диапазоне токов – от тока трёхфазного КЗ в месте установки дальнего предохранителя до номинального тока вставок.

Для оценки селективности действия двух последовательно установленных предохранителей можно руководствоваться правилом: для двух однотипных предохранителей, установленных в сети напряжением до 1000В, селективность будет обеспечена, если их вставки отличаются не менее чем на две ступени шкалы номинальных токов.

Селективное действие последовательно установленных вставок высокого напряжения типа ПК обеспечивается, если их номинальные токи отличаются не менее чем на одну ступень шкалы номинальных токов. При проверке селективности вставок по их защитным характеристикам в сети выше 1000В следует иметь в виду, что разброс характеристик регламентируется следующим образом: для любого времени отключения отклонения в значении тока не должны превосходить 20%.

Автоматические воздушные выключатели.

Автоматические выключатели (АВ) представляют собой аппараты, которые состоят из выключателя с мощной контактной системой для отключения тока КЗ и реле защиты, действующих на его отключение при возникновении повреждения или перегрузки. Из – за подгорания контактов автоматические выключатели допускают отключение не более чем 2 – 3 раза в час, вследствие чего они не могут применяться для частых операций в цепях управления.

АВ имеют ряд преимуществ по сравнению с предохранителями:

*большая оперативность АВ, которые всегда готовы к быстрому включению немедленно после отключения защищаемой цепи. Поэтому с помощью АВ могут быть выполнены схемы АПВ и АВР;

*АВ одновременно отключают все три фазы защищаемого присоединения.

В зависимости от типа АВ в нём устанавливаются различные реле защиты прямого действия – расцепители.

Электромагнитный расцепитель для защиты от КЗ представляет собой электромагнит, который при определённом токе мгновенно притягивает якорь, вследствие чего происходит отключение АВ.

Тепловой расцепитель представляет собой тепловое реле, которое реагирует на количество тепла, выделяемое в его нагревательном элементе при прохождении тока. Под действием тепла нагревается биметаллическая пластина, которая, поворачиваясь под действием пружины вокруг оси, производит отключение АВ. Время срабатывания тепловых расцепителей тем больше, чем меньше перегрузка.

Комбинированный расцепитель, осуществляющий защиту от перегрузки и от КЗ, представляет собой комбинацию из двух расцепителей: теплового и электромагнитного. В АВ могут устанавливаться расцепители минимального напряжения, срабатывающие при исчезновении напряжения или при его снижении до уставки срабатывания расцепителя.

АВ характеризуются следующими параметрами:

Номинальным током, номинальным напряжением, предельным отключаемым током.

Расцепители характеризуются:

Номинальное напряжение АВ должно быть выше или равно напряжению сети:

U_а,номU_c

------------------------------------------------------------------------------------------------

Предельный допустимый ток АВ должен быть больше максимального тока КЗ, который может проходить по защищаемому участку сети:

I_а,пред. I_К,мах.

-------------------------------------------------------------------------------------------------

Номинальный ток расцепителя должен быть не меньше расчётного тока, равного максимальному току, который может длительно проходить по защищаемому участку цепи с учётом возможной перегрузки:

I_{расц,ном} I_расч.

АВ с таким расцепителем способен, не перегреваясь, как угодно долго пропускать расчётный ток нагрузки.

---------------------------------------------------------------------------------------------------

Ток уставки электромагнитного расцепителя:

I_уст. = К_рК_нI_п

К_р – коэффициент разброса срабатывания электромагнитных расцепителей, который равен 1,15 – 1,2;

К_н – коэффициент надёжности: для защиты электродвигателей = 1,8-2,

для зашиты цепей напряжения = 2,

для остальных цепей = 1,5.

I_п – максимально возможный кратковременный расчётный ток перегрузки.

Для цепей постоянного тока расчётный ток уставки принимается на 30% больше, рассчитанного выше.

------------------------------------------------------------------------------------------------

Уставка тока мгновенного срабатывания (отсечка), кратная номинальному току АВ (расчётная кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя):

К_уст =

I_ном – номинальный ток АВ.

За действительную уставку отсечки К_уст.Д принимается ближайшее большее значение по паспортным данным соответствующего АВ. При этом действительный ток срабатывания электромагнитного расцепителя будет:

I_уст,Д = К_уст,ДI_ном.

---------------------------------------------------------------------------------------------------

Ток уставки теплового расцепителя:

I_уст,Т = К_рК_нI_ном.

К_р = 1,1;

К_н принимается: для не перегруженных цепей = 1 – 1,1 (нагревательные элементы, оперативные цепи постоянного тока и т.д.); для цепей, в которых возможны кратковременные перегрузки = 1,1 – 1,3 (пуск электродвигателей); для цепей, в которых ток проходит кратковременно = 0,15 – 0,25 (цепи электромагнитов включения выключателей).