Электрические аппараты защиты

Короткое замыкание — электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Короткое замыкание может возникать при нарушении изоляции токоведущих элементов или вследствие механического соприкосновения элементов, работающих без изоляции. Также коротким замыканием называют состояние, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания.

Виды коротких замыканий
В трёхфазных электрических сетях различают следующие виды коротких замыканий:

• Однофазное (замыкание фазы на землю);
• Двухфазное (замыкание двух фаз между собой);
• Двухфазное на землю (2 фазы между собой и одновременно на землю);
• Трёхфазное (3 фазы между собой).

В электрических машинах возможны короткие замыкания:

• Межвитковые — замыкание между собой витков обмоток ротора или статора;
• Замыкание обмотки на металлический корпус.

Методы защиты
Для защиты от короткого замыкания принимают специальные меры:

• Ограничивающие ток короткого замыкания:

устанавливают токоограничивающие электрические реакторы

применяют расспаралеливание электрических цепей т.е. отключение секционных и шиносоеденительных выключателей

используют понижающие трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения

используют отключающее оборудование — быстродействующее коммутационые аппараты с функцией ограничения тока короткого замыкания т.е. плавкие предохранители, автоматические выключатели

• Применяют устройства релейной защиты для отключения поврежденных участков цепи

Причины возникновения коротких замыканий
Основной причиной возникновения коротких замыканий является нарушения изоляции электрооборудования.

Нарушения изоляции вызываются:

1. Перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями),

2. Прямыми ударами молнии,

3. Старением изоляции,

4. Механическими повреждениями изоляции, проездом под линиями негабаритных механизмов,

5. Неудовлетворительным уходом за оборудованием.

Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок являются неквалифицированные действия обслуживающего персонала.

Преднамеренные короткие замыкания
При осуществлении упрощенных схем соединений понижающих подстанций используют специальные аппараты - короткозамыкатели, которые создают преднамеренные короткие замыкания с целью быстрых отключений возникших повреждений. Таким образом, наряду с короткими замыканиями случайного характера в системах электроснабжения имеют место также преднамеренные короткие замыкания, вызываемые действием короткозамыкателей.

Последствия коротких замыканий
При возникновении коротких замыканий в системе электроснабжения ее общее сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима, а это вызывает снижение напряжения отдельных точек системы электроснабжения, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания.

В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или отражаться на всей системе электроснабжения.

При большой удаленности короткого замыкания величина тока короткого замыкания может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов и возникновение такого короткого замыкания воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Сильное снижение напряжения получается только вблизи места короткого замыкания, в то время как в других точках системы электроснабжения это снижение менее заметно. Следовательно, при рассматриваемых условиях опасные последствия короткого замыкания проявляются лишь в ближайших к месту аварии частях системы электроснабжения.

Ток короткого замыкания, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, где произошло короткое замыкание. Поэтому и при кратковременном протекании тока короткого замыкания он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого.

Токи короткого замыкания вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса короткого замыкания, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут иметь место разрушения механического характера.

Внезапное глубокое снижение напряжения при коротком замыкании отражается на работе потребителей. В первую очередь это касается двигателей, так как даже при кратковременном понижении напряжения на 30-40% они могут остановиться (происходит опрокидывание двигателей). Опрокидывание двигателей тяжело отражается на работе промышленного предприятия, так как для восстановления нормального производственного процесса требуется длительное время и неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции предприятия.

При малой удаленности и достаточной длительности короткого замыкания возможно выпадение из синхронизма параллельно работающих станций, т.е. нарушение нормальной работы всей электрической системы, что является самым опасным последствием короткого замыкания.

Возникающие при замыканиях на землю неуравновешенные системы токов способны создать магнитные потоки, достаточные для наведения в соседних цепях (линиях связи, трубопроводах) значительных ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и аппаратуры этих цепей.

Таким образом, последствия коротких замыканий следующие:

1. Механические и термические повреждения электрооборудования.

2. Возгорания в электроустановках.

3. Снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их.

4. Выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы и возникновение аварий, включая системные аварии.

5. Электромагнитное влияние на линии связи, коммуникации и т.п.

Срабатывание средств защиты происходит из-за коротких замыканий в электропроводке и токоприемниках или к от перегрузки.

Рассмотрим, в каких случаях происходит экстренное отключение сети.

Короткое замыкание
Если в любой части электропроводки или электроприбора (лампочки, утюга и т. д.) нарушится изоляция и фазный провод коснется нулевого, произойдет короткое замыкание.

Для защиты от короткого замыкания и служат предохранители. Простой (в виде «пробки») предохранитель - это включенная в фазный провод легкоплавкая вставка, которая при росте тока сгорит и разомкнет цепь задолго до того, как произойдут более серьезные неприятности. Конструктивно предохранитель выполнен так, что эта микрокатастрофа не приводит к порче предохранительной колодки. Автоматические предохранители устроены так, что в случае короткого замыкания рост тока приводит к срабатыванию электромагнитного расцепителя мгновенного действия, который разъединяет электрическую цепь без ущерба для себя. Для того чтобы после устранения короткого замыкания снова включить электричество, необходимо просто нажать на белую кнопку (красная служит для выключения) или перекинуть вверх опустившийся при срабатывании предохранителя рычажок-выключатель.

Нужно отметить, что автоматические предохранители, установленные в начале каждой домовой линии (рабочей группы), защищают от короткого замыкания не только квартирную сеть, но и наружную. Если бы их не было, то аварийное короткое замыкание привело бы к выходу из строя трансформаторной подстанции, а вернее, электрического силового щита более высокого уровня, так что электричества лишилось бы значительное количество пользователей, да и без вызова аварийной службы было бы не обойтись. А при наличии «автомата» достаточно включить его после срабатывания.

Становится понятна и необходимость нескольких линий в квартире: если одна линия вылетела, в запасе есть другие. Удобно, если от каждой рабочей группы питается лампочка аварийного освещения в районе счетчика или аварийная розетка, в которую можно включить переносную лампу.

Как определить место замыкания
Чтобы точно и быстро определить место замыкания, следует использовать метод последовательного включения нагрузок. Для этого отключают все электроприборы, которые есть в квартире. Затем заменяют сгоревшую пробку, включают ПАР или автоматический выключатель.

В том случае, если вновь сразу происходит короткое замыкание и срабатывает защита, то наиболее вероятным местом неисправности является электропроводка или штепсельная розетка.

Если срабатывание защиты сразу не происходит, то рекомендуется поочередно включать осветительные приборы, затем другую электроаппаратуру - до возникновения короткого замыкания. В светильниках повреждения бывают чаще всего в патронах.

В том случае, когда защита срабатывает через некоторое время после включения нагрузки, необходимо отключить часть электроприемников (уменьшить нагрузку), так как в этом случае нагрузка сети превышает ток срабатываемой защиты.

Что такое перегрузка
Если короткое замыкание - это авария, форсмажорная ситуация, то перегрузка, то есть работа сети и электроприборов, подключенных к ней, при значениях тока, существенно превышающих номинальное, причиняет вред не сразу и потому более коварна.

Перегрузка может вызываться и внешними причинами, и внутренними. Внешние причины - это повышенное напряжение в сети. Внутренние - включение в линию приборов, потребляющих недопустимо большую для этой линии мощность.

Для защиты от перегрузки применяются так называемые тепловые расцепители, которые обычно встраиваются в устройства защиты от короткого замыкания, образуя комбинированные автоматические выключатели.

В продаже кроме обычных предохранителей («пробки») имеются отечественные и импортные автоматические выключатели различных номиналов: стационарные (крепятся шурупами к панели щитка либо надеваются на монтажную групповую планку) и «пробочные» , предназначенные для ввинчивания в колодку для обычных «пробок».

Правильно выбранные номинальные токи срабатывания средств защиты как от короткого замыкания, так и от перегрузки таковы:

16 А - для линии (группы) с суммарным максимальным потреблением 10 А (2,2 кВт); это могут быть осветительные приборы или штепсельные розетки для приборов малой мощности;
25 А - для линии с общей мощностью до 4 кВт (около 18 А) - например, для сети штепсельных розеток при наличии отдельных приборов мощностью около 1 кВт.

Перед тем как приобрести и включить в сеть любой бытовой прибор, необходимо убедиться, что напряжение, на которое он рассчитан, соответствует напряжению электросети. Нельзя включать в сеть приборы, не соответствующие напряжению сети.

В современных квартирах используется большое количество новых электроприборов, поэтому следует обратить внимание на потребляемый ими ток или мощность и подсчитать, выдержат ли предохранители и электропроводка включение этих приборов.

Устройства защитного отключения (УЗО)
Автоматические выключатели, защищающие электросеть и электроприборы и от короткого замыкания, и от перегрузок, не помогают, когда человек касается оголенных проводов под напряжением или токоведущих частей приборов. В этих ситуациях применяются устройства защитного отключения (УЗО), реагирующие на токи утечки в землю.

Такие устройства срабатывают при протекании тока между фазным проводом и:
заземляющим проводом (не путать с нулевым);
заземленным корпусом приборов;
землей.

Эти токи называются токами утечки. Они могут возникнуть в двух случаях:
при замыкании фазного провода с одним из трех пер численных видов заземления;
при касании человеком оголенного фазного провода под напряжением.

Во втором случае ток утечки протекает через человеческий организм, создавая угрозу для его жизни.

Таким образом, устройства данного типа выполняют две функции: защиту от пожара при коротком замыкании «фаза - земля» и отключение сети при соприкосновении человека с оголенными токоведущими частями под напряжением.

Использование устройств защитного отключения (УЗО) в комплексе с автоматическими выключателями сводит к минимуму риск поражения человека током и практически исключает возможность возгорания электроприборов и электропроводки в случаях перегрузки или короткого замыкания в сети.

А также УЗО нередко называют устройствами дифференциальной защиты, дифференциальными реле, дифференциальными модулями и т.п.

В настоящее время существуют две основные категории УЗО: зависимые от напряжения питания - «электронные» и независимые от напряжения питания - «электромеханические».

При выборе УЗО необходимо учитывать следующие факторы:
место установки УЗО;
параметры УЗО: номинальный ток нагрузки, номинальный дифференциальный отключающий ток, термическая стойкость;
решения схем при различных системах заземления питающих сетей;
выбор типа УЗО.

Монтаж устройства защитного отключения должен делать только квалифицированный специалист, имеющий лицензию на выполнение электромонтажных работ.

Практически каждый в своей жизни сталкивался с коротким замыканием. Но чаще всего оно происходило так: вспышка, хлопок и всё. Так происходило лишь потому, что была защита от короткого замыкания.

Устройство защиты от короткого замыкания

Устройство может быть электронным, электромеханическим или простым предохранителем. Электронные устройства в основном применяются в сложных электронных приборах, и мы рассматривать в рамках этой статьи их не будем. Остановимся на предохранителях и электромеханических устройствах. Для защиты бытовой электросети сначала применялись предохранители. Мы привыкли их видеть в виде «пробок» в электрощите.

Их было несколько типов, но вся защита сводилась к тому, что внутри этой «пробки» находился тонкий медный проводок, который перегорал, когда происходило короткое замыкание. Нужно было бежать в магазин, покупать предохранитель или хранить дома, возможно, не скоро потребующийся запас предохранителей. Это было неудобно. И на свет появились автоматические выключатели, которые сначала выглядели тоже как «пробки».

Это был простейший электромеханический автоматический выключатель. Выпускались они на разные токи, но максимальным значением было 16 ампер. Вскоре потребовались более высокие значения, да и технический прогресс позволил выпускать автоматы такими, какими мы сейчас их видим в большинстве электрических щитков наших домов.

Как же нас защищает автомат?

В нем стоит два типа защиты. Один тип основан на индукции, второй на нагреве. Короткое замыкание характеризуется большим током, который протекает по короткозамкнутой цепи. Автомат устроен таким образом, что ток протекает через биметаллическую пластину и катушку индуктивности. Так вот, когда большой ток протекает через автомат, в катушке возникает сильный магнитный поток, который приводит в движение механизм расцепителя автомата. Ну а биметаллическая пластина предназначена для протекания номинального тока. Когда ток протекает по проводам, он всегда вызывает нагрев. Но мы часто этого не замечаем, потому что тепло успевает рассеяться и нам кажется, что провода не нагреваются. Биметаллическая пластина состоит из двух металлов с разными свойствами. При нагреве эти оба металла деформируются (расширяются), но поскольку один металл расширяется сильнее, чем другой, пластина начинает изгибаться. Пластина подбирается таким образом, чтобы при превышении номинального значения автомата, за счет изгиба, она приводила в действие механизм расцепителя. Таким образом, получается, что одна защита (индуктивная) работает на токи короткого замыкания, а вторая на токи, длительно протекающие по кабелю. Поскольку токи короткого замыкания носят стремительный характер и протекают в сети короткий промежуток времени, биметаллическая пластина не успевает нагреться до такой степени, чтобы деформироваться и отключить автомат.

Схема защиты от короткого замыкания

По сути, ничего сложного в этой схеме нет. В цепь устанавливается , который отключает либо фазный провод, либо сразу всю цепь. Но есть нюансы. Остановимся на них подробнее.

1. Нельзя ставить отдельные автоматы в цепь фазы и цепь нуля. По одной простой причине. Если вдруг при коротком замыкании отключится нулевой автомат, то вся электросеть будет под напряжением, потому что фазный автомат останется включенным.
   
   
2. Нельзя устанавливать провод меньшего сечения, чем позволяет автомат. Очень часто в квартирах со старой проводкой, чтобы увеличить мощность, ставят более мощные автоматы… Увы, это и является самой частой причиной коротких замыканий. Вот что происходит в таких случаях. Предположим, для наглядности, имеется провод, медный, сечением 1,5 кв.мм, который способен выдерживать ток до 16 А. На него ставится автомат 25А. К этой сети мы включаем нагрузку, скажем 4,5 кВт, по проводу потечет ток 20,5 ампер. Провод начнет сильно разогреваться, но автомат не отключит сеть. Как вы помните, у автомата два типа защиты. Защита от короткого замыкания еще не работает, потому что короткого замыкания нет, а защита по номинальному току сработает при значении, превышающем 25 ампер. Вот и получается, что провод сильно разогревается, начинает плавиться изоляция, но автомат не срабатывает. В конце концов, происходит пробой изоляции и появляется короткое замыкание и срабатывает, наконец-то автомат. Но что бы получаете? Линией больше пользоваться нельзя, ее необходимо заменить. Это несложно, если провода проложены открытым способом. Но если они скрыты в стене? Новый ремонт вам обеспечен.
3. Если алюминиевой проводке более 15, а медной более 25 лет, а вы собираетесь делать ремонт – однозначно меняйте на новую проводку. Несмотря на вложения это сэкономит вам деньги. Представьте, что вы уже сделали ремонт, а в какой-нибудь распаечной коробке оказался плохой контакт? Это если говорить о медном проводе (у которого, как правило, стареет только изоляция или места соединений со временем окисляются или ослабевают, затем начинают греться, что еще быстрее приводит к разрушению скрутки). Если же говорить об алюминиевом проводе, то все еще хуже. Алюминий очень пластичный металл. При колебаниях температур сжатие и расширение провода довольно значительны. И если в проводе была микротрещинка (заводской брак, технологический брак), то со временем она увеличивается, а когда она становится довольно большой, а значит провод в этом месте тоньше, то при протекании тока этот участок начинает разогреваться и остывать, что только ускоряет процесс. Поэтому, даже если вам кажется, что с проводкой все нормально: «Ведь работала же до этого!», — лучше, все таки поменять.
4. Распаечные коробки. Об этом есть статьи, но вкратце я здесь по ним пройдусь. НИКОГДА НЕ ДЕЛАЙТЕ СКРУТОК!!! Даже при условии, что вы хорошо их сделаете, это скрутка. Металл имеет свойство сжиматься и расширяться под воздействием температуры, и скрутка ослабевает. Старайтесь не использовать винтовые зажимы по той же причине. Винтовые зажимы можно использовать в открытой проводке. Тогда, по крайней мере, вы сможете периодически смотреть в коробки и проверять состояние проводки. Лучше всего подойдут для этой цели винтовые зажимы типа «СИЗ», или клеммные соединения типа «WAGO», для силовой проводки лучше всего подойдут винтовые зажимы типа «Орех» (у таких зажимов две пластины, которые стягиваются четырьмя винтами, посередине еще одна пластина, т.е. с помощью таких зажимов можно соединять медные и алюминиевые провода). Оставляйте запас зачищенного провода минимум 15 см. Это преследует две цели: если плохой контакт скрутки, провод успевает рассеивать тепло, ну и у вас есть возможность в случае чего переделать скрутку. Провода старайтесь располагать таким образом, чтобы между фазным и нулевым с заземляющим не было перехлестов. Провода могут перекрещиваться, но не лежать друг на друге. Старайтесь скрутки располагать таким образом, чтобы фазный провод был в одной стороне, а нулевой и заземляющий в другой.

   
   

5. Не соединяйте непосредственно медный и алюминиевый провода. Либо используйте клеммники «WAGO», либо сжимы «Орех». Это особенно актуально касается проводов, предназначенных для подключения электрических плит. Обычно, когда делают ремонт и переносят розетку для плит, наращивают кабель. Очень часто это алюминиевые провода, которые наращивают медным.
6. Немного особенный. Не экономьте на выключателях, розетках (особенно для электрических плит). Дело в том, что в нынешнее время найти хорошие розетки для электрических плит найти довольно сложно (я говорю о маленьких городах), поэтому лучше всего либо пользоваться сжимами «Орех» У739М, либо найти хорошую розетку.
7. При затягивании клемм на розетках, делайте это покрепче, но не сорвите резьбу, если же это произошло, лучше поменяйте розетку сразу, не надейтесь на «авось».
8. При укладке новой электрической трассы пользуйтесь нормативами: 10-15 см от углов, потолка, стен (по полу), косяков, оконных рам, пола (по стене). Этим вы себя обезопасите при установке, к примеру, подвесных потолков или плинтусов, которые крепят с помощью дюбелей, для которых надо пробить отверстие. Если же провод находится в углу между полом и стеной, очень легко попасть в провод. Все провода должны располагаться строго горизонтально или вертикально. Так вам будет проще понять, где можно продолбить новую дырку, если вдруг потребуется повесить полку или картину или телевизор.
9. Не соединяйте шлейфом (от одной к другой) более 4 розеток. На кухне вообще не рекомендую соединять больше двух, особенно там, где планируется в одном месте пользование духовым шкафом, чайником, посудомоечной машиной и микроволновкой.
10. На духовой шкаф лучше всего прокладывать отдельную линию или подключать его к линии, от которой питается варочная поверхность (ибо очень часто они потребляют около 3 кВт.) Не каждая розетка способна выдержать такую нагрузку, да если еще к ней будет подключен еще один мощный потребитель (например, чайник), вы рискуете получить короткое замыкание из-за сильного нагрева соединения в розетке шлейфом.
11. Старайтесь не использовать удлинители для включения мощных электроприборов, как например масляные обогреватели, или используйте удлинители известных производителей, а не китайских «no name». Внимательно читайте, какую мощность способен запитать данный удлинитель, и не используйте его, если на нем стоит меньшая мощность, чем вам нужно запитать. При использовании удлинителя, старайтесь избегать скрученного в моток провода. Если провод просто лежит, то успевает рассеять тепло. Если же провод скрутить, то тепло не успевает рассеяться и провод начинает ощутимо нагреваться, что тоже может привести к короткому замыканию.
12. Не включайте в одну розетку (через тройник или удлинитель с несколькими розетками) сразу несколько сильных потребителей. На хорошую розетку допускается включить нагрузку 3,5 кВт, на не очень хорошую до 2 кВт. В домах с алюминиевой проводкой в любую розетку не более 2 кВт, а еще лучше на группу розеток, питающихся от одного автомата не включать более 2 кВт.
13. Прежде, чем ставить в каждую комнату по обогревателю, убедитесь, что комнаты запитаны от разных автоматов. Как говорится: «И палка иногда может выстрелить», — так же и с автоматами: «И автомат иногда может не сработать», — и последствия этого довольно жестоки. Поэтому обезопасьте себя и близких.
14. Внимательно обращайтесь с нагревательными приборами, следите, чтобы провод не попал на нагревательные элементы.

Автомат защиты от короткого замыкания

Почему я вынес это отдельным пунктом? Все просто. Именно автомат обеспечивает защиту от короткого замыкания. Если вы установите , то обязательно, следом нужно поставить автомат, или поставить сразу (это устройство два в одном: УЗО и автомат). Такое устройство отключает сеть и при коротком замыкании, и при превышении номинального значения тока, и при токе утечки, когда, к примеру, вы оказались под напряжением, и через вас стал протекать электрический ток. Напомню еще раз: УЗО НЕ ЗАЩИЩАЕТ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, УЗО защищает вас от поражения электрическим током. Конечно, может быть и такое, что УЗО отключит сеть при коротком замыкании, но оно для этого не предназначено. Срабатывание УЗО при коротком замыкании носит абсолютно случайный характер. И может сгореть вся проводка, может быть все в пламени, а УЗО не отключит сеть.

Похожие материалы.

> Плавкие предохранители.

> Электротепловые реле.

При эксплуатации электрооборудования и электрических сетей длительные перегрузки проводов и кабелей, а также короткие замы­кания вызывают повышение температуры токопроводящих жил свы­ше допустимых значений. Это приводит к преждевременному изна­шиванию их изоляции, вследствие чего может произойти пожар или взрыв во взрывоопасных помещениях, а также поражение людей электрическим током.

Для предохранения от чрезмерного нагрева проводов, кабелей и токопроводящих частей электрооборудования каждый участок элек­трической сети должен быть снабжен защитным аппаратом, обеспе­чивающим отключение аварийного участка при непредвиденном уве­личении токовой нагрузки сверхдлительно допустимой.

Аппаратом защиты называется аппарат, автоматически отклю­чающий защищаемую электрическую цепь при ненормальных режи­мах.

К аппаратам защиты относятся: плавкие предохранители, авто­матические выключатели, тепловые и токовые реле.

Защита электродвигателей и электрической сети осуществляется от коротких замыканий (КЗ): однофазных, междуфаз­ных и перегрузки.

Защита от коротких замыканий выполняется обязательно для всех электродвигателей (электроприемников) и электрических сетей.

Защита от перегрузки выполняется для электродвигателей продол­жительного режима работы, за исключением случаев, когда такая пере­грузка маловероятна (электродвигатели вентиляторов, насосов и т. д.).

Для электродвигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, например, грузоподъемные механизмы, защита от перегрузки не выполняется.

Плавкие предохранители

Предохранитель - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под дей­ствием тока, превышающего определенное значение.

В плавких предохранителях отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекаю­щим через нее током защищаемой цепи. После отключения цепи не­обходимо заменить плавкую вставку исправной.

Предохранитель включается последовательно в защищаемую цепь, а для создания видимого разрыва электрической цепи и безо­пасного обслуживания совместно с предохранителями применяются неавтоматические выключатели или рубильники.

Предохранители изготавливаются на напряжение переменного тока 42, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.

Основными элементами предохранителя являются корпус, плав­кая вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.

Предохранители характеризуются номинальным током плавкой вставки, т. е. током, на который рассчитана плавкая вставка для дли­тельной работы. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены сменные плавкие элементы на различные номинальные то­ки, поэтому сам предохранитель характеризуется номинальным током

предохранителя (основания), который равен наибольшему из номи­нальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конст­рукции предохранителя. Например, предохранители серии ПН2 и ПР2 имеют сменные плавкие вставки. Так предохранитель серии ПН2-100 имеет корпус, рассчитанный на ток до 100 А и сменные плавкие вставки на токи 30, 40, 50, 60, 80, 100 А.

Предохранители до 1 кВ изготавливаются на номинальные токи до 1000 А.

В нормальном режиме тепло, выделяемое током нагрузки в плавкой вставке, передается в окружающую среду, и температура всех частей предохранителя не превышает допустимую. При пере­грузке или КЗ температура вставки увеличивается и она расплавляет­ся. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. За­висимость времени плавления плавкой вставки от величины тока (кратности тока срабатывания по отношению к номинальному току плавкой вставки) называется защитной (время - токовой) характери­стикой предохранителя (рис. 3.1.). При одном и том же токе время плавления плавкой вставки зависит от многих причин (материала вставки, состояния ее поверхности, условий охлаждения и т. д.). Что­бы уменьшить время срабатывания предохранителя, применяются плавкие вставки из разного материала, специальной формы, а также используется металлургический эффект.

Наиболее распространенными материалами плавких вставок яв­ляются медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.

Медные вставки подвержены окислению, их сечение со време­нем уменьшается и защитная характеристика предохранителя изменя­ется. Для уменьшения окисления обычно применяют луженые мед­ные вставки. Температура плавления меди 1080 °С, поэтому при токах, близких к минимальному току плавления, температура всех элементов предохранителя значительно возрастает.

Цинк и свинец имеют низкую температуру плавления (419 °С и 327 °С), что обеспечивает небольшой нагрев предохранителей в продолжительном режиме.

Цинк стоек к коррозии, поэтому сечение плавкой вставки не ме­няется во время эксплуатации, защитная характеристика остается по­стоянной. Цинк и свинец имеют большие удельные сопротивления, поэтому плавкие вставки оказываются большого сечения. Такие плав­кие вставки обычно применяются в предохранителях без наполните­лей. Предохранители со вставками из цинка и свинца имеют большие выдержки времени при перегрузках.

Рис. 3.1. Время-токовая характеристика плавкого предохранителя

Серебряные вставки не окисляются, и их характеристики наибо­лее стабильны.

Алюминиевые вставки применяются в предохранителях в связи с дефицитом цветных металлов. Высокое сопротивление окисных пленок на алюминии затрудняет осуществление надежного разъемно­го контакта. Алюминиевые вставки находят применение в новых кон­струкциях предохранителей серии ПП31.

При больших токах плавкие вставки предохранителей выпол­няются из параллельных проволок или тонких медных полос.

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зави­симость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 1.1) во всех точках шла немного ниже характеристики защищае­мой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 3.1). Однако ре­альная характеристика предохранителя (кривая 3) пересе­кает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предо­хранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. По­этому ток плавления вставки выбирается больше номи­нального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересека­ются. В области больших перегрузок (область Б) предо­хранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (l,5–2) I H 0 M нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отда­ется окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки.

Ток, при котором плавкая встав­ка сгорает при достижении ею уста­новившейся температуры, называет­ся пограничным током I ПОГР.

Для ускорения плавления вставок из меди и серебра используется металлургический эффект - явление растворения тугоплавких металлов в расплавленных, менее тугоплавких. Если, например, на медную про­волоку диаметром 0,25 мм напаять шарик из оловянно-свинцового сплава с температурой плавления 182 °С, то при температуре проволоки 650 °С она расплавится в течение 4 мин, а при 350 °С - в течение 40 минут. Та же проволока без растворителя плавится при температуре не менее 1000 °С . Для создания металлургического эффекта на мед­ных и серебряных вставках применяют чистое олово, обладающее более стабильными свойствами. В нормальном режиме работы шарик практи­чески не влияет на температуру вставки.

Рис 3.2. Плавкий предохранитель серии ПР2: а - патрон; б - формы плавких вставок

Ускорение плавления вставки достигается также применением плавкой вставки специальной формы (рис. 3.2, б). При токах КЗ узкие участки нагреваются настолько быстро, что отвод тепла почти не происходит. Вставка перегорает одновременно в нескольких сужен­ных местах (сечение А - А и В - В, рис. 3.2, б) прежде, чем ток КЗ достигнет своего установившегося значения в цепи постоянного тока или ударного тока в цепи переменного тока (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Токоограничивающий эффект плавких вставок

предохранителей: а - при постоянном токе;

б - при переменном токе

Ток КЗ при этом ограничивается до значения i огр (в 2-5 раз). Та­кое явление называется токоограничивающим действием и улучшает условия дугогашения в предохранителях.

Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно осуществляться в возможно короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя.

Наибольший ток, который плавкий предохранитель может от­ключать без каких-либо повреждений или деформаций, называется предельным током отключения.

Предохранители получили широкое применение для защиты электродвигателей, электрооборудования, электрических сетей в про­мышленных, бытовых электроустановках и имеют различную конст­рукцию.

Плавкие предохранители наряду с простотой их устройства и малой стоимостью имеют ряд существенных недостатков:

Не могут защитить линию от перегрузки, так как допускают
длительную перегрузку до момента плавления;

Не всегда обеспечивают избирательную защиту в сети вслед­
ствие разброса их характеристик;

При коротком замыкании в трехфазной сети возможно сраба­
тывание одного из трех предохранителей и линия остается работать
на двух фазах.

В этом случае трехфазные электродвигатели, подключенные к сети, оказываются включенными на две фазы, а это приводит к пе­регреву обмоток электродвигателей и их выходу из строя.

Предохранители с закрытыми разборными корпусами (патрона­ми) без наполнителя серии ПР2 (рис. 3.2) изготавливаются на напря­жение 220 и 500 В и номинальные токи 100-1000 А. Патрон предо­хранителя ПР2 (рис. 3.2, а) на токи 100 А и выше состоит из толстостенной фибровой трубки 1, на которую плотно насажены ла­тунные втулки 3, имеющие мелкую резьбу. На трубки навинчиваются латунные колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 2, при­винченную к ножам 6, до установки ее в патрон. В предохранителях этой серии предусмотрена шайба 5, имеющая паз для ножа и предот­вращающая поворот ножей.

Патрон вставляется в неподвижные контактные стойки, укреп­ленные на изоляционной плите. Необходимое контактное нажатие обеспечивается пружинами.

Плавкие вставки изготавливаются из цинка в виде пластины с вырезами. На суженных участках выделяется больше тепла, чем на широких. При номинальном токе избыточное тепло благодаря тепло­проводности цинка передается широким частям, поэтому вся вставка имеет примерно одинаковую температуру. При перегрузках нагрев узких участков происходит быстрее, и вставка плавится в самом горя­чем месте (сечение А - А, рис. 3.2, б).

При КЗ вставка плавится в узких сечениях А - А и В - В. Воз­никающая дуга вызывает образование газов (50 % СО 2 , 40 % Н 2 , 10 % паров Н 2 О), так как стенки патрона выполнены из газогенери-рующего материала - фибры. Давление в зависимости от отключае­мого тока может достигать 10 МПа и более, что обеспечивает быстрое гашение дуги и токоограничивающее действие предохранителя. Для уменьшения возникающего при отключении тока КЗ перенапряжения плавкая вставка имеет несколько суженных мест. При их поочеред­ном плавлении полная длина дугового промежутка вводится в цепь не сразу, а ступенями.

Предохранители насыпные серии ПН2 (рис. 3.4) широко приме­няются для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В по­стоянного тока и выпускаются на номинальные токи 100-1000 А.

1 2

Рис. 3.4. Плавкий предохранитель серии ПН2

Фарфоровая, квадратная снаружи и круглая внутри, трубка 1 имеет четыре резьбовых отверстия для винтов, с помощью которых крепится крышка 4 с уплотняющей прокладкой 5. Плавкая вставка 2 приварена электроконтактной точечной сваркой к шайбам контакт­ных ножей 3. Крышки с асбестовыми прокладками герметически за­крывают трубку. Трубка заполнена сухим кварцевым песком 6. Плав­кая вставка выполнена из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15-0,35 мм и шириной до 4 мм. На вставке сделаны про­рези 7, уменьшающие сечение вставки в 2 раза. Для снижения темпе­ратуры плавления вставки используется металлургический эффект -на полоски меди напаяны шарики олова 8, температура плавления в этом случае не превышает 475 °С, дуга возникает в нескольких па­раллельных каналах (в соответствии с числом вставок); это обеспечи­вает наименьшее количество паров металла в канале между зернами кварца и наилучшие условия гашения дуги в узкой щели. Насыпные

предохранители, так же как предохранители серии ПР2, обладают то-коограничивающим свойством.

Для уменьшения возникающих перенапряжений плавкая вставка имеет по длине прорези, причем их количество зависит от номиналь­ного напряжения предохранителя (из расчета 100-150 В на участок между прорезями). Так как вставка сгорает в узких местах, то длинная дуга оказывается разделенной на ряд коротких дуг, суммарное на­пряжение, которых не превышает суммы катодных и анодных паде­ний напряжения .

Наполнителем в предохранителях серии ПН является чистый кварцевый песок (99 % SiO2). Вместо кварца может быть применен мел (СаСО3), иногда его смешивают с асбестовым волокном. При возникновении дуги мел разлагается с выделением углекислого газа СО 2 и СаО - тугоплавкого материала. Реакция происходит с погла-щением энергии, что способствует гашению дуги.

Предельный отключаемый ток предохранителей серии ПН2 дос­тигает 50 кА.

Насыпные предохранители серии НПН имеют неразборный стеклянный патрон без контактных ножей и рассчитаны на токи до 60 А.

Взамен предохранителей ПН2 разработаны предохранители серии ПП-31 с алюминиевыми вставками на номинальные токи 63-1000 А и имеющие предельный ток отключения до 100 кА при напряжении 660 В.

Предохранители серии ПП-17 изготавливаются на токи 500-1000 А, напряжение переменного тока 380 В и постоянного тока 220 В. Предель­ная отключающая способность предохранителей ПП-17 100-120 кА. Предохранитель состоит из плавкого элемента, помещенного в кера­мический корпус, заполненный кварцевым песком, указателя сраба­тывания и свободного контакта. При расплавлении плавкого элемента предохранителя перегорает плавкий элемент указателя срабатывания, освобождая введенный при сборке указателя боек, который переклю­чает свободный контакт, и замыкается цепь сигнализации срабатыва­ния предохранителя.

Для защиты полупроводниковых приборов разработаны быст­родействующие предохранители серии ПП-41, ПП-57, ПП-59, ПП-71. Эти предохранители выполняются с плавкими вставками из серебря­ной фольги в закрытых патронах с засыпкой кварцевым песком. Они рассчитаны на установку в цепях переменного тока напряжением

380-1250 В и постоянного тока 230-1050 В. Электротехническая промышленность изготавливает предохранители на номинальные то­ки 100-2000 А, предельные токи отключения до 200 кА. Эти предо­хранители обладают эффективным токоограничивающим действием.

В схемах управления станков, механизмов, машин, а также в системах электроснабжения жилых и общественных зданий широко применяются пробочные плавкие предохранители серии ПРС. Номи­нальный ток корпуса 6; 25; 63; 100 А.

Электротепловые реле

Для защиты электрических двигателей и другого электрообору­дования от длительных перегрузок широко распространены тепловые реле с биметаллическими элементами. Биметаллический элемент со­стоит из двух пластин с различным коэффициентом линейного рас­ширения (а) при нагревании. Пластины жестко скреплены друг с другом за счет проката в горячем состоянии, либо контактной свар­кой. В качестве материалов для термобиметаллических элементов применяются такие материалы, как инвар, имеющий малое значение а, и хромоникилевая (нержавеющая) сталь, имеющая большое значе­ние а.

Если биметаллический элемент закрепить с одной стороны не­подвижно и нагреть, то произойдет изгибание пластины в сторону ма­териала с меньшим коэффициентом линейного расширения а. Изги­баясь, биметаллическая пластина действует на защелку и при этом происходит переключение контактов реле. Тепловые реле могут иметь размыкающий или размыкающий и замыкающий контакты. В схемах управления и защиты электродвигателей используются за­мыкающие контакты реле, действующие на срабатывание сигнально­го устройства, или размыкающие контакты реле - на отключение электродвигателя от сети.

Нагрев биметаллического элемента может производиться за счет тепла, выделяемого прохождением тока нагрузки в самой пластине или в специальном нагревательном элементе. Из-за инерционности теплового процесса тепловые реле, имеющие биметаллический эле­мент, непригодны для защиты цепей от токов коротких замыканий (КЗ). Нагревательные элементы в данном случае могут перегореть до срабатывания реле. Поэтому защита с помощью тепловых реле долж­на быть дополнена плавкими предохранителями или автоматически­ми выключателями.

Выпускаются тепловые реле однополюсные серии ТРП, двухпо­люсные - ТРН и трехполюсные серии РТЛ. В схемах электротехниче­ских устройств тепловые реле устанавливаются индивидуально или в комплекте с магнитными пускателями.

Электротепловые реле серии РТЛ (рис. 3.5) имеют трехполюс-ную конструкцию, т. е. тепловые биметаллические элементы установ­лены в трех фазах. Реле имеет следующие основные детали: термоби-металличесие элементы 1, установленные в каждой фазе, пружина-защелка 2 контактной системы 6 и 7, устройство самовозврата кон­тактов 3, кнопка ручного возврата подвижных контактов 4, регулятор уставок тока, неподвижные контакты 6 и подвижные контакты 7. Включение реле в исходное положение осуществляется кнопкой руч­ного возврата контактов 4.

Рис. 3.5. Электротепловое реле серии РТЛ

При перегрузке, когда ток электродвигателя увеличивается в 1,2-1,3 раза тока номинального уставки реле I ном. уст, термобиметал­лические элементы 1 нагреваются и, изгибаясь, воздействуют на пру­жину - защелку 2, которая освобождает устройство самовозврата кон­тактов 3. Происходит переключение контактов 6 и 7.

Электротепловые реле серии РТЛ выпускаются на различные токи уставки срабатывания в диапазоне от 0,1 до 200 А.

Устанавливаются в комплекте с магнитными пускателями серии ПМЛ и имеют выводы для присоединения к пускателю, обозначен­ные - 1Л1, 3Л2, 5Л3 и клеммные зажимы - 2С1, 4С2, 6С3 для под­ключения асинхронных электродвигателей.

Как вы относитесь к замечаниям экспертизы? Для меня каждое замечание – толчок к новым знаниям, поскольку у меня образование не совсем связанное с моей работой и всему приходится учиться в процессе проектирования. Сегодня первая статья посвященная токам короткого замыкания.

На примере своего объекта хочу показать проблемы, которые могут возникнуть при защите кабельной линии от токов короткого замыкания.

Был у меня один объект с расчетной мощностью около 35 кВт, расстояние до ТП около 450 м, был проложен алюминиевый кабель сечением 95 мм 2 . В трансформаторной подстанции нужно было установить предохранители с номинальным током 100 А для защиты КЛ от токов короткого замыкания.

Токи короткого замыкания я всегда считал при помощи программы ЭЛЕКТРИК, т.к. у меня еще пока нет своей программы, =). Программа мне выдала ток к.з. около 800 А, я выбрал предохранитель типа ПН2.

Как выбрать предохранитель для защиты КЛ от токов короткого замыкания?

Для начала нужно прояснить для себя, через какое время он должен перегореть. Обратимся требованиям нормативных документов.

Согласно ТКП 339-2011 (РБ):

4.3.5.4 В системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать значений, указанных в таблице 4.3.1.

Таблица 4.3.1 − Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

В ПУЭ Таблица 1.7.1, такое же содержание.

Получается время отключения должно быть не более 0,4 с.

Зная время отключения и ток однофазного короткого замыкания можно подобрать предохранитель.

Эксперт усомнился в правильности моих расчетов. Мне пришлось разбираться, от каких параметров зависит ток короткого замыкания. Доступных методик в интернете я не нашел, где было бы все разложено по полочкам, как рассчитать ток короткого замыкания. Кое как я рассчитал и у меня ток получился еще меньше – 580 А, а чем меньше ток короткого замыкания, тем сложнее выполнить защиту.

Пришлось найти паспорта на самые распространенные предохранители и смотреть времятоковые характеристики.

Следует понимать, что предохранитель, как и автоматический выключатель имеет диапазон срабатывания, а по многим графикам не понятно, толи это минимальное время отключения толи – максимальное. Нас же интересует максимальное время отключения. Я даже консультировался с производителями, но однозначного ответа не получил, казалось бы на такой простой вопрос.

К счастью, заглянул я в каталог КЭАЗ и наткнулся на быстродействующие предохранители типа ПНБ5М-380/400. Самое главное, что производитель представил в каталоге две характеристики:

• характеристики минимального времени плавления;
• характеристики максимального времени полного отключения.

Все четко, без всяких двояких пониманий.

← Вернуться