Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Глава 6
ЗАЩИТНАЯ АППАРАТУРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
6.1 Защитная аппаратура для цеховых сетей
В системах электроснабжения возможны нарушения нормального режима работы, связанные с увеличением тока (сверхтока), к которому приводят перегрузки, самозапуск электродвигателей, короткое замыкание (к.з.).
Эти ненормальные режимы представляют опасность для элементов системы электроснабжения (электрических сетей и оборудования), создают ситуации, опасные для персонала. Поэтому сети и установки должны быть защищены от перегрузок и токов короткого замыкания. Обычно электроприемники присоединяют к цеховым подстанциям и распределительным устройствам при помощи защитных и пусковых аппаратов.
Токи короткого замыкания могут достигать значений, в десятки раз превышающих номинальные токи присоединенных электроприемников и допустимые токи проводников (Iдоп). Для предотвращения чрезмерного нагрева проводников и электрооборудования каждый участок сети должен быть снабжен защитным аппаратом, отключающим поврежденный элемент сети с наименьшим временем действия. Защита электрических сетей от токов короткого замыкания должна быть предусмотрена во всех случаях.
Другим распространенным видом анормального режима электроустановок являются перегрузки, сопровождающиеся прохождением по проводникам, обмоткам электродвигателей и трансформаторов повышенных токов, вызывающих их нагревание сверх допустимого значения.
Согласно ПУЭ сети разделяют на сети, требующие защиты только от токов короткого замыкания, и на сети, требующие защиты от перегрузок и токов короткого замыкания.
Защите от перегрузок подлежат:
Все остальные сети не требуют защиты от перегрузок и должны быть защищены только от токов короткого замыкания.
Электрические аппараты, провода, кабели и шины должны выдерживать кратковременные импульсы электродинамических сил и тепловые импульсы, возникающие в момент короткого замыкания. Поэтому при выборе аппаратов и проводников необходимо рассчитывать их не только по условиям длительной работы в нормальном нагрузочном режиме, но и проверять динамическую и термическую устойчивость при коротком замыкании.
Для защиты сетей напряжением до 1000 В применяют предохранители с плавкими вставками, автоматические воздушные выключатели, тепловые реле магнитных пускателей.
Независимо от принципа работы и назначения защиту характеризуют следующими показателями: избирательностью (селективностью) действия, временем срабатывания, зоной действия, чувствительностью, надежностью.
Под избирательностью (селективностью) понимают свойство защиты отключать только поврежденный элемент и сохранять в работе остальные, неповрежденные элементы системы электроснабжения. Избирательность достигается выбором типа защиты, параметров срабатывания и временем срабатывания.
Под временем срабатывания защиты понимают время, измеряемое с момента возникновения повреждения до совершения следующих процессов: плавления плавкой вставки предохранителя, размыкания контактов автоматического выключателя.
Под зоной действия защиты понимают элемент или совокупность элементов системы электроснабжения, на повреждения или на нарушения режима которых защита должна реагировать.
Защиту считают чувствительной, если она обеспечивает надежное срабатывание защитного аппарата.
Надежность действия защитного аппарата определяет как ее срабатывание во всех необходимых случаях, так и несрабатывание в случаях, когда защита не должна срабатывать, т.е. отсутствие отказов и ложных срабатываний.
Номинальные токи плавких вставок и автоматических воздушных выключателей должны быть минимально возможными, но не приводящими к отключению цепи при пуске электродвигателей и кратковременных перегрузках.
Защитные аппараты устанавливают в начале каждой ветви сети, т.е. на каждой линии, отходящей от шин подстанции и силовых пунктов, на каждом ответвлении от линии, на трансформаторных вводах.
Выбор аппаратов защиты производится с учетом следующих основных требований:
6.1.1 Плавкие предохранители
Одними из наиболее простых, надежных, дешевых и часто используемых аппаратов защиты электроустановок от токов короткого замыкания являются плавкие предохранители.
Плавкий предохранитель предназначен для защиты электрических установок от токов короткого замыкания и перегрузок.
Принцип работы плавкого предохранителя – перегорание (расплавление) плавкой вставки под действием тепловой энергией максимального тока (тока КЗ и перегрузки), что приводит к прерыванию электрической цепи (пути тока).
Предохранитель и плавкую вставку характеризуют следующие показатели:
Как видно из рисунка 6.1 плавкий предохранитель обладает обратнозависимой времятоковой характеристикой. Плавкий предохранитель не перегорает сразу, как только ток превысит установленное значение (ток, указанный на корпусе), так как ток срабатывания установлен на величину, примерно вдвое превышающую указанную величину, на патроне. Поэтому, чем выше сила тока, тем быстрее перегорит предохранитель, т.е. время срабатывания предохранителя зависит от тока, проходящего через предохранитель.
Защитная характеристика плавкой вставки изменяется в зависимости от ее материала, длины и формы.
Временем срабатывания tс плавкого предохранителя считается время плавления плавкого элемента до момента появления электрической дуги. Полное время отключения цепи составляет:
tоткл = tс + tд,
где tс – время плавления плавкого элемента до появления дуги (время срабатывания предохранителя); tд – время гашения дуги, составляющее обычно 1÷10 мс.
Рисунок 6.1 – Типовые ампер-секундные характеристики плавких вставок предохранителей типа НПН и НПР
По конструктивному исполнению предохранители можно разделить на 2 группы: с наполнителем из кварцевого песка (ПН-2; НПН; ПП-17; ПП-18) и без наполнителя (ПР2).
Наиболее распространенными предохранителями до 1000 В являются предохранители серий: ПР – предохранитель разборный; НПН – насыпной предохранитель неразборный; ПН – предохранитель насыпной разборный.
Различают плавкие предохранители инерционные (типа ПП), способные выдерживать значительные кратковременные перегрузки, и безынерционные (типов НПН, ПН-2) с ограниченной способностью к перегрузкам.
Основные типы предохранителей имеют номинальный ток Iном от 15 до 1000 А. В таблице 6.1 приведены технические характеристики предохранителей на напряжение до 1000 В.
Кроме того, выпускают следующие предохранители:
Таблица 6.1 - Технические характеристики предохранителей на напряжение до 1000 В
|
Тип |
Номинальный ток патрона Iн.п., А |
Номинальный ток плавкой вставки Iн.пл.вст., А |
Конструкция |
|
ПР-2 |
15 60 100 350 600 1000 |
6, 10, 15 15,20,25,35,45,60 60,80,100 200,225,260,300,350 350,430,500,600 600,700,850,1000 |
Трубчатый, с закрытым разборным патроном, без наполнителя, токоограни-чивающий |
|
НПН-2 |
15 60 |
6,10,15 15,20,25,35,45,60 |
Трубчатый, с закрытым неразборным патроном, с наполнителем, безынер-ционный |
|
ПН-2 |
100 400 600 1000 |
30,40,50,60,80,100 200,250,300,350,400 300,400,500,600 500,600,750,800,1000 |
Трубчатый, с разборным патроном, с наполните-лем, безынерционный |
|
ПНБ-3 |
100 300 500 |
63,100 250,300 400,500 |
Трубчатый, с закрытым патроном, с наполните-лем, быстродействующий |
|
ПНБ-5 |
100 250 400 600 |
40,63,100 160,250 300,400 500,600 |
Трубчатый, с закрытым патроном, с наполните-лем, быстродействующий |
На рисунке 6.2 показана конструкция предохранителя серии ПР и его времятоковая характеристика. Предохранитель представляет собой аппарат, содержащий плавкую вставку 3, калиброванную на определенный ток и выполненную из легкоплавких материалов. Плавкие вставки предохранителей выдерживают ток на 30 ÷ 50% выше номинального Iном в течение 1 ч и более. При токе, превышающем номинальный ток плавких вставок на 60 ÷ 100%, они плавятся за время меньше 1 ч.
|
Для уменьшения времени перегорания плавкой вставки ее выполняют плоской с несколькими сужениями (рисунок 6.2, а) или в виде параллельно соединенных проволок с напаянными на них оловянными шариками. 1 – болтовой контакт; 2 – латунная втулка; 3 – плавкая вставка; 4 – фибровая трубка; 5 – латунный колпачок; 6 – медный контактный нож Рисунок 6.2 – Предохранитель серии ПР (а) и его времятоковая характеристика (б) |
В газогенерирующих предохранителях типа ПР рабочая часть состоит из фибровой трубки 4, внутри которой находится плавкая вставка из цинкового сплава 3. При расплавлении плавкой вставки возникает дуга и под действием высокой температуры некоторая часть внутренней стороны фибровой трубки разлагается и превращается в газ. Большое количество образовавшихся газов при высоком давлении (8÷10 МПа) способствует деионизации дугового промежутка, вследствие чего дуга быстро гаснет.
Предохранители с засыпкой кварцевым песком отличаются большим быстродействием, вследствие чего они обладают токоограничивающим свойством и
|
Рисунок 6.3 – Защита цеховой сети предохранителями |
прерывают ток короткого замыкания до того, как он достигнет амплитудного значения. Отключение 5÷10 – кратного тока обычно происходит за 0,05÷0,1 с, а 1,5÷2- кратного тока – за 20÷50 с.Электрическая дуга при перегорании плавкой вставки в таких предохранителях разветвляется между зернами кварцевого песка и охлаждается вследствие интенсивной отдачи теплоты наполнителю, что значительно сокращает время ее горения. Предохранитель включают последовательно в фазу защищаемой цепи (рисунок 6.3). |
При размещении предохранителей в электрической сети обязательным условием является обеспечение селективности (избирательности) их действия. Это значит, что при КЗ на каком-либо участке сети должна перегореть плавкая вставка только этого поврежденного участка. Поэтому каждый предохранитель на схеме сети по мере приближения к источнику питания должен иметь плавкую вставку на одну - две ступени выше, чем предыдущий. При коротком замыкании в точке К (рисунок 6.3) раньше других должна расплавиться плавкая вставка предохранителя F2, имеющая меньший номинальный ток. По условию селективности защитная характеристика ближайшего к источнику питания предохранителя F1 должна располагаться над характеристикой более удаленного по схеме предохранителя F2. Как правило, Iн.пл.вст1 ≥ Iн.пл.вст2.
Выбор плавких предохранителей
Выбор плавких предохранителей напряжением до 1 кВ производят по следующим условиям:
1) Uном.пр ≥ Uном.с,
где Uном.пр - номинальное напряжение предохранителя; Uном.с – номинальное напряжение сети;
2) номинальный ток предохранителя Iном. пред должен быть больше или равен номинального тока плавкой вставки Iном.пл.вст:
Iном. пред. Iном.пл.вст.;
3) номинальный ток плавкой вставки Iном.пл.вст для инерционных предохранителей выбирается по длительно допустимому току линии:
Iном. пл.вст. Iдл,
где Iдл – длительный ток, определяется по формуле
.
Для безынерционных предохранителей выбирается по двум условиям:
- по длительному максимальному току линии Iдл
Iном. пл.вст. Iдл.,
- по пусковому Iпуск (или пиковому Iпик) току
Iном. пл.вст ,
где Iпуск – пусковой ток двигателя; α – коэффициент кратковременной перегрузки плавкой вставки.
Iном. пл.вст должен быть больше длительного максимального тока данной цепи в рабочем режиме, что предотвращает перегорание предохранителя при нормальном режиме работы:
Коэффициент α принимается равным α=2,5 при длительности пуска до 8 с (легкий пуск), а при более длительных пусках (тяжелый пуск) α = 1,6 ÷ 2,0.
Плавкая вставка не должна перегорать во время пуска электродвигателя, подключенного к данной цепи.
Iном.пл.вст ; Iпуск = КпIном дв.
Iном.пл.вст .
Iном.пл.вст 1,2 Iсв или Iном.пл.вст ,
где Iсв – номинальный ток сварочного аппарата при номинальной продолжительности включения ПВ, А.
Iном.пл.вст для защиты ответвления к сварочному аппарату можно принимать равным Iдоп провода, идущего к сварочному аппарату.
Iном.пл.вст ,
где Iкр – кратковременный максимальный ток линии, А.
Iкр = Iпуск + ,
где Iпуск – пусковой ток одного или нескольких электродвигателей, включаемых одновременно, при пуске которых кратковременный ток линии достигает наибольшей величины, А;
– длительный расчетный ток линии до момента пуска одного электродвигателя или группы электродвигателей, определяемый без учета рабочего тока Iраб пускаемых электродвигателей, А.
,
где n – общее количество конденсаторов в батарее во всех фазах, шт.; Qном.к – номинальная мощность одного конденсатора, квар; Uл – линейное напряжение сети, кВ.
Iном. пл.вст. Iном.печи.
Iном.пл.вст ,
где - сумма номинальных токов группы электроприемников, А.
Плавкую вставку выбирают по большему из токов, рассчитанных по условиям (2) и (3). При этом выбирают ближайшее большее стандартное значение номинального тока вставки. Выбор плавких вставок проверяют по типовым времятоковым характеристикам, приведенным в справочниках.
4) Номинальный ток плавкой вставки должен быть не больше трехкратного значения длительно допускаемого (номинального) тока проводов Iдоп защищаемой линии, т.е.
Iном.пл.вст < 3 Iдоп.
|
Рисунок 6.4 – Время токовые характеристики плавких вставок (кривые 1,2,3,4) и пусковая характеристика электродвигателя |
Чтобы выполнить это условие, иногда приходится увеличить площадь сечения проводов линии. На рисунке 6.4 показаны кривая пускового тока электродвигателя Iпуск(t) и времятоковые характеристики Iв для четырех различных плавких вставок (кривые 1,2,3,4). Из рисунка видно, что плавкая вставка 1 имеет недостаточную чувствительность, а плавкие вставки 3 и 4 перегорят при пуске двигателя. Следовательно, надо выбрать вставку 2. Достоинствами плавких предохранителей являются:
|
Недостатками плавких предохранителей являются:
Пример 6.1 От шин трансформаторной подстанции ТП с номи нальным напряжением 380/220 В питаются асинхронные электродвигатели М1, М2, М3 с короткозамкнутым ротором, осветительная нагрузка, распределительные щитки РЩ1 до щитка РЩ2 (рисунок к примеру 6.1).
Рисунок к примеру 6.1 - Схема электрической сети
Технические характеристики асинхронных короткозамкнутых электродвигателей приведены в таблице к примеру 6.1.
Активная нагрузка осветительной линии I составляет 19 кВт, линии II - 32 кВт. Осветительная нагрузка - сим метричная.
Требуется выбрать плавкие предохранители и площади сечения проводов и кабелей по нагреву. При расчете следует учесть, что электродвигатель М1 может быть подвержен перегрузкам.
Таблица к примеру 6.1
|
Показатель |
Электродвигатель |
||
|
М1 |
М2 |
М3 |
|
|
Мощность Рн, кВт Кратность пускового тока кп Коэффициент полезного действия Коэффициент мощности Коэффициент нагрузки |
20 5,0 0,89 0,9 1 |
20 6,0 0,88 0,9 0,8 |
10 4,5 0,82 0,8 0,9 |
Решение.
1) Выбор предохранителей
Номинальный ток электродвигателя М1:
A.
Пусковой ток двигателя М1: А
Ток плавкой вставки предохранителя FU2:
A.
Выбираем ближайшую стандартную плавкую вставку на ток Iном.пл.вст = 80 А.
Выбираем предохранитель ПР-2 с Iном=100 А согласно условиям:
Iном. пред. Iном.пл.вст.;
Iном. пл.вст. Iдл,
Номинальный ток электродвигателя М2:
А.
Пусковой ток двигателя М2: А
Ток плавкой вставки предохранителя FU5:
А.
Выбираем ближайшую стандартную плавкую вставку на ток Iном.пл.вст = 100 А.
С учетом коэффициента нагрузки 0,8 потребляемый ток двигателем М2 :
Iпотр = 0,8∙38,41 = 33,8 А.
Номинальный ток электродвигателя М3:
А.
Пусковой ток двигателя М3: А
Ток плавкой вставки предохранителя FU6:
А.
Выбираем ближайшую стандартную плавкую вставку на ток Iном.пл.вст = 45 А.
С учетом коэффициента нагрузки 0,9 потребляемый ток двигателем М3:
Iпотр = 0,9∙23,19 = 20,87 А.
Расчетный ток осветительной линии I:
A.
Выбираем ближайшую стандартную плавкую вставку для предохранителя FU3 на ток Iном.пл.вст = 35 А.
Расчетный ток осветительной линии II:
A.
Выбираем ближайшую стандартную плавкую вставку для предохранителя FU 7 на ток Iном.пл.вст = 60 А.
Расчетный ток прокладываемой сети между РЩ1 и РЩ2:
IР = 33,8 + 20,87 + 48,68 = 103,35 А.
Кратковременный максимальный ток в этой сети определя ется согласно формуле
Iкр = Iпуск + ,
как сумма пускового тока Iпуск =IНкп двигателя М2 (его пусковой ток наибольший) и расчетных токов двигателя МЗ и осветительной линии II:
А.
Ток плавкой вставки предохранителя FU4: Iном.пл.вст А.
Выбираем ближайшую стандартную плавкую вставку на ток Iном.пл.вст = 200 А.
Расчетный ток сети от шин ТП до РЩ1:
А;
Кратковременный максимальный ток в этой сети определя ется:
А;
Ток плавкой вставки предохранителя FU 1: Iном.пл.вст = 141,15 А.
Выбираем стандартную плавкую вставку на ток Iном.пл.вст = 260 А из условия селективности.
2) Выбор проводов и кабелей
Электри ческую сеть предполагаем выполнить:
- от шин ТП до щитка РЩ1 - четырехжильным кабелем марки СБГ с медными жилами, прокладываемым по стене;
- от щитка РЩ1 до щитка РЩ2 — проводом марки ПР в газовых трубах;
- все остальные участки - изолированным проводом марки ПР по стенам (открытая проводка).
Ввиду того, что электродвигатель М1 может быть подвер жен перегрузкам, ведущий к нему участок сети должен быть за щищен от токов перегрузки, т.е. провод должен быть рассчитан на ток I 1,25Iном.пл.вст = 100 А. По справочным таблицам определяем, что требуемая площадь сечения медного изолированного провода марки ПР составляет 6 мм2.
По потребляемому току Iпотр = 33,8 А двигателем М2 с помощью справочных таблиц опреде ляем, что требуемая площадь сечения медного изолированного провода марки ПР составляет 2,5 мм2. Для F = 2,5 мм2 допустимое табличное значение тока Iдоп = 27 А. Выбран провод ПР - 3(1х2,5).
Проверяем выбранное сечение на ток короткого замыкания:
.
Следовательно, сечение провода и плавкая вставка выбраны правиль но.
По потребляемому току A двигателем М3 с помощью справочных таблиц выбираем F = 1,5 мм2, Iдоп= 20 А.
Проверяем выбранное сечение на ток короткого замыкания: 45/20 = 3.
Сечение провода ПР - 3(1х1,5) и плавкая вставка выбраны правиль но.
По расчетному току осветительной линии I с помощью справочных таблиц выбираем провод сечением F = 2,5 мм2; IД0П = 30 А. Проверяем выбранное сечение на ток короткого замыкания: .
Сечение провода ПР - 3(1х2,5) и вставка выбраны правиль но.
Для нейтрального провода осветительной линии I выбираем площадь сечения 2,5 мм2. Выбран провод ПР - 3(1х2,5)+1х2,5.
По расчетному току осветительной линии II с помощью справочных таблиц выбираем F = 6 мм2; IД0П = 50 А. Проверяем выбранное сечение на ток короткого замыкания:
Для нейтрального провода осветительной линии II выбираем площадь сечения 4 мм2. Выбран провод ПР - 3(1х6)+1х4.
По расчетному току сети между РЩ1 и РЩ2 выбираем F =25 мм2; Iдоп = 115 А.
Проверяем выбранное сечение на ток короткого замыкания:
.
Для нейтрального провода сети между РЩ1 и РЩ2 выбираем площадь сечения 16 мм2. Выбран провод ПР - 3(1х25)+1х16.
По расчетному току четырехжильного кабеля от шин ТП до РЩ1 выбираем сечение мм2; 160 А. Проверяем выбранное сечение на устойчивость действию токов короткого замыкания:
< 3.
Выбираем кабель марки СБГ с площадью сечения 1(3x25 + 1х25) мм2.
6.1.2 Автоматические воздушные выключатели (автоматы)
Автоматы предназначены для включения и отключения низковольтных цепей в нормальном режиме, для защиты от токов перегрузки и токов короткого замыкания, а также при недопустимых снижениях напряжения. По сравнению с предохранителями автоматические выключатели являются более совершенными аппаратами и обладают рядом преимуществ: после срабатывания автоматический выключатель готов к быстрому повторному включению, в то время как в предохранителе требуется замена калиброванной плавкой вставки; более точные защитные характеристики; совмещение функций коммутации электрических цепей и их защиты; наличие у некоторых автоматов независимых расцепителей, позволяющих осуществлять дистанционное отключение электрической цепи и др. Кроме того, автоматы при повреждении сети отключают все три фазы, что очень важно для нормальной работы электродвигателей, так как при защите двигателя предохранителями перегорание одного из них может привести к ненормальному (неполнофазному) режиму работы двигателя.
В отличие от предохранителей в автоматических выключателях не применяется какой-либо специальной среды для гашения дуги. Дуга гасится в воздухе, поэтому автоматические выключатели называются воздушными.
Автоматический выключатель характеризуют следующие показатели:
В зависимости от наличия механизмов, регулирующих время срабатывания расцепителей, автоматы делят на неселективные (неизбирательные), с временем срабатывания 0,02 ÷ 0,1 с; селективные (избирательные) с регулируемой выдержкой времени (обычно в пределах 0,2÷0,6 с) и токоограничивающие, с временем срабатывания не более 0,005 с.
Автоматы выпускают в одно-, двух- и трехполюсном исполнении для сетей переменного и постоянного тока, выдвижными (с втычными контактами, расположенными с обратной стороны панели автомата) и невыдвижными (с передним присоединением).
В осветительных сетях 220 ÷ 380 В, имеющих заземленную нейтраль, желательно применение однополюсных автоматов. В этом случае при замыкании на землю возможно отключение только трети всех приемников.
Управление автоматами может быть ручным или дистанционным.
На рисунке 6.5 показано устройство автоматического выключателя.
|
|
Основными элементами автоматов, выполняющими его защитные функции при анормальных режимах в цепи, являются расцепители, при срабатывании которых автомат отключается мгновенно или с выдержкой времени. Автоматический выключатель может иметь один или несколько расцепителей. На рисунке 6.5 показано устройство автоматического выключателя 1 – дугогасительная решетка; 2, 5, 14 – элементы механизма свободного расцепителя; 3 – рукоятка; 4 - отключающая пружина; 6 - пружина; 7 - собачка расцепителя; 8 - термобиметаллический элемент; 9 - якорь электромагнита; 10 - сердечник электромагнита; 11 – шинка расцепителей; 12 – гибкий проводник; 13 – ось; 15 – подвижный контакт; 16 – неподвижный контакт; 17 – шина; 18 – крышка; 19 – основание Рисунок 6.5 – Устройство автоматического выключателя |
По принципу действия расцепители разделяются на электромагнитные и электротермические (тепловые).
Автоматические выключатели могут снабжаться следующими встроенными расцепителями:
а) б) в)
Рисунок 6.6 – Ампер - секундные характеристики расцепителей автоматических выключателей
На рисунке 6.7 представлены различные виды расцепителей, условно показанные для одного автоматического выключателя.
а – тепловой расцепитель; б – электромагнитный расцепитель; в – расцепитель минимального
напряжения; г – независимый расцепитель; 1 – катушка; 2 – биметаллическая пластина;
3 – нагреватель; 4 – шунт; 5 – сердечник; 6 – пружина; 7 – кнопка
Рисунок 6.7 – Принцип работы различных расцепителей автоматических выключателей
Тепловой (обычно биметаллический) или электронный инерционный расцепитель максимального тока с зависимой от тока выдержкой времени. Эти расцепители осуществляют защиту от перегрузки цепи. Тепловой расцепитель состоит из биметаллической пластинки, выполненной из двух металлов с разными коэффициентами линейного расширения. Тепловой расцепитель (рисунок 6.7, а) срабатывает за счет изгибания биметаллической пластины 2, получающей тепло от нагревателя 3, присоединенного к сети через шунт 4, и воздействующей на отключающий механизм автоматического выключателя. Защитная характеристика теплового расцепителя подобна характеристике предохранителя.
Защиту электромагнитным или электронным расцепителем максимального тока мгновенного срабатывания с независимым от тока временем срабатывания (рисунок 6.7, б) иногда называют отсечкой. Она осуществляет защиту от токов к.з., превышающих 6÷10 – кратные значения номинального тока электрической цепи. Расцепитель максимального тока состоит из катушки 1 и сердечника 5. Когда по катушке протекает ток к.з., сердечник создает механическое усилие, что приводит к отключению автоматического выключателя. Ток срабатывания расцепителя максимального тока можно регулировать. Расцепитель может быть снабжен механизмом выдержки времени, зависимой или независимой от тока. Такие расцепители позволяют осуществить селективную защиту.
Расцепитель минимального напряжения (рисунок 6.7, в) состоит из катушки 1 с сердечником 5 и пружины 6 и срабатывает при недопустимом снижении напряжения в цепи (30÷50% Uном). Такие расцепители применяют для электродвигателей, самозапуск которых нежелателен при самопроизвольном восстановлении питания. Защита от минимального напряжения применяется обычно в комплекте с устройствами автоматического включения резерва (АВР), а также для отключения отдельных электроприемников или их групп, не допускающих самозапуска и работы при пониженном напряжении, и при перерыве питания для обеспечения надежного самозапуска ответственных приемников.
Независимый расцепитель (рисунок 6.7, г) служит для дистанционного отключения автоматического выключателя кнопкой 7 и для автоматического отключения цепи при срабатывании внешних защитных устройств.
Первые два расцепителя максимального тока устанавливаются во всех фазах автоматического выключателя, остальные – по одному на выключатель.
Расцепитель тока утечки применяется для быстрого отключения участков сети, в которых из-за нарушения изоляции или прикосновения людей к проводам возник ток утечки на землю. Назначением защиты от токов утечки (защитного отключения) является предотвращение несчастных случаев с людьми, попавшими под напряжение, а также предотвращение возникновения огня в месте нарушения изоляции. Ток уставки расцепителя обычно выбирается в пределах 10÷30 мА. Отключение тока должно происходить настолько быстро, чтобы проходящий через тело человека ток не мог вызвать фибрилляции сердца. В зависимости от напряжения сети время отключения выключателя обычно выбирается в пределах 10÷100 мс. Если назначением защиты от тока утечки является предотвращение возникновения очага пожара в месте нарушения изоляции, то ток срабатывания расцепителя тока утечки достаточно выбрать 100÷500 мс. Время срабатывания расцепителей тока утечки обычно не регулируется, поэтому такие выключатели устанавливаются, как правило, только на одной (обычно последней) ступени сети. В пределах допускаемого времени отключения (до 100 мс при напряжении 380 В) возможно применение также избирательной защиты на двух ступенях сети.
Расцепитель тока утечки применяется в специальных автоматических выключателях тока утечки, а также в качестве дополнительного расцепителя в автоматических выключателях максимального тока, если быстродействие механизма отключения выключателей удовлетворяет требованиям, предъявляемым к защите от тока утечки.
На рисунке 6.8 представлена схема включения расцепителя тока утечки в четырехпроводной сети низкого напряжения.
Технические характеристики некоторых автоматов приведены в таблице 6.2.
Автоматические выключатели серии АВМ имеют невысокую коммутационную способность, ограниченную возможность регулирования защитных характеристик и недостаточные токи и напряжения. С целью устранения этих недостатков были разработаны двух- и трехполюсные автоматические выключатели серии Э – «Электрон». Расцепители максимального тока имеют полупроводниковый блок защиты. Они исполняются мгновенного и замедленного действия с регулировкой уставок.
а – схема; б – характеристика срабатывания; 1 – контакты автоматического выключателя;
2 – трансформатор тока утечки; 3 – расцепитель тока утечки; 4 – трехфазный приемник с
заземляемым корпусом; 5 – кнопка проверки исправной работы выключателя
Рисунок 6.8 – Принцип работы расцепителя тока утечки
Автоматические выключатели серии А3700, двух- и трехполюсные, рассчитаны на диапазон токов 160 ÷ 630 А. Для получения хороших защитных характеристик в конструкции выключателя применен блок защиты на полупроводниковых приборах, получающий сигнал от измерительного органа и передающий команду на отключение независимому электромагнитному расцепителю. Выключатели выпускают токоограничивающими и избирательными.
Автоматические выключатели серии АЕ-1000 выпускают однополюсными с тепловыми расцепителями и электромагнитными расцепителями с отключением без выдержки времени при токах более 18Iном.расц и с комбинированными расцепителями. Основное назначение этих выключателей – защита осветительных сетей.
Серия одно-, двух- и трехполюсных автоматических выключателей АЕ-2000 с расцепителями максимального тока, с добавочными расцепителями и вспомогательными контактами в разных исполнениях предназначена для применения в промышленности.
Выключатели новых серий ВА предназначены для работы в сетях переменного и постоянного тока.
Выключатели серий ВА50 заменяют выключатели устаревших серий А3700, АЕ20 и другие, а также серий АВМ и «Электрон» на токи до 1600 А. Выключатели серии ВА75 полностью заменяют выключатели серии АВМ и «Электрон» до 4000 А. Уменьшенные габариты выключателей позволяют значительно сократить размеры комплектующих устройств (КТП, НКУ и т.п.).
ВА75 допускают включение в сеть по два на параллельную работу, тогда суммарный ток будет 5000 А (22500 А) и 6300 (24000 А). При этом обеспечивается нормальная защита при любом токораспределении между ними. Выключатели допускают перегрузку в аварийных режимах в течение 3 часов при условии, что перед этим они были нагружены не более чем на 0,7Iном.
Таблица 6.2 - Технические характеристики некоторых автоматических воздушных выключателей
|
Тип |
Uном, В |
Число полюсов |
Iном.а, А |
Iном.расц, А |
|
А3710 |
440 380, 660 |
2 2; 3 |
160 |
16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 110; 125; 160 |
|
А3720 |
440 380, 660 |
2 2; 3 |
250 |
160; 200; 500 |
|
А3730 |
440 380 |
2 2; 3 |
400 |
160 …. 400 |
|
А3740 |
440 380, 660 |
2 2; 3 |
630 |
250 … 630 |
|
АЕ1000 |
240 |
1 |
25 |
6; 10; 16; 25 |
|
АЕ2030 |
100, 200 220, 380, 500 |
1; 2 3 |
25 |
0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25 |
|
АЕ2040 |
110, 220 220, 500 |
1; 2 3 |
63 |
10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63 |
|
АЕ2050 |
110, 220 220, 380,500 |
1; 2 3 |
100 |
16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100 |
|
АВМ4 |
230, 440 440, 660 |
2 3 |
400 |
120; 150; 200; 250 |
|
АВМ10 |
230, 440 440, 660 |
2 3 |
750; 800; 1000 |
500; 600; 800; 1000 |
|
АВМ15 |
230, 440 660 |
2 3 |
1500 |
800; 1000; 1200; 1500 |
|
АВМ20 |
230, 440 440, 660 |
2 3 |
2000 |
1000; 1200; 1500; 200 |
|
Э06 |
380, 660 |
- |
800, 1000 |
630; 800; 1000 |
|
Э40 |
660 |
- |
4000; 5000; 6300 |
2500; 4000; 6300 |
|
ВА51Г-25 |
380, 660 |
3 |
0,3 ÷ 25 |
5 ÷ 25 |
|
ВА51-35 |
220 660 |
2; 3 |
80; 100; 125; 200; 250 |
6; 8; 10 12 |
|
ВА51-39 |
220 380, 660 |
2; 3 |
630 |
400; 500; 630 |
|
ВА53-41 |
440 380; 660 |
2; 3 |
1000 |
250; 400; 630; 1000 |
|
ВА53-43 |
440 660 |
2; 3 |
1600 |
1000; 1280; 1600 |
|
ВА75-47 |
440, 660 |
2; 3 |
4000 |
2520; 2300; 4000 |
Выбор автоматических выключателей
При выборе автоматов должны соблюдаться следующие условия:
1) номинальное напряжение выключателя не должно быть ниже напряжения сети
Uном.а ≥ Uном.с;
2) номинальный ток автомата Iн.а должен быть больше наибольшего расчетного тока нагрузки Iр
Iн.а > Iр;
3) номинальный ток расцепителя Iном.расц должен быть не меньше наибольшего расчетного тока нагрузки, длительно протекающего по защищаему элементу
Iном.расц > Iр;
4) ток срабатывания расцепителя Iср.расц выбирается в зависимости от принципа действия расцепителя.
- Ток уставки срабатывания (отсечки) электромагнитного или комбинированного расцепителя Iср.эм.расц принимается в зависимости от кратковременного (пикового) тока Iкр линии, т.е. при кратковременных перегрузках автомат не должен срабатывать:
Iср.эм.расц ≥ 1,25Iкр.
Коэффициент 1,25 учитывает неточности в определении максимального кратковременного тока линии при разбросе характеристик электромагнитных расцепителей автоматов.
Для ответвления к одиночному электродвигателю Iкр = Iпуск,
где Iпуск - пусковой ток электродвигателя.
При защите магистральной линии, от которой питаются двигатели и другие электроприемники (смешанная нагрузка):
Iкр = Iпуск + ,
где Iпуск – пусковой ток одного или нескольких электродвигателей, включаемых одновременно, при пуске которых кратковременный ток линии достигает наибольшей величины, А;
– длительный расчетный ток линии до момента пуска одного электродвигателя или группы электродвигателей, определяемый без учета рабочего тока Iраб пускаемых электродвигателей, А.
- Ток срабатывания расцепителя автомата с регулируемой обратно зависимой от тока характеристикой
Iср.т.расц. ≥ 1,25Iр,
где Iр – расчетный длительный ток одиночного электроприемника или линии с группой электроприемников.
Для взрывоопасных помещений Iр =1,25 Iр..
- Для тепловых расцепителей с регулируемой характеристикой, имеющей обратную зависимость от тока, и с нерегулируемой обратнозависимой характеристикой, должно соблюдаться условие
Iср.т.расц. ≥ Iр,
где Iср.т.р. – ток уставки теплового расцепителя;
Во всех случаях должно быть обеспеченно надежное отключение к.з. защитными аппаратами, для этого однофазный ток короткого замыкания в сетях с глухозаземленной нейтралью и двухфазный ток короткого замыкания Iдвухф.к.з в сетях с изолированной нейтралью должны в 3 раза и более превышать , имеющего обратно зависимую от тока характеристику; в 1,1 раза и более – ток срабатывания автомата, имеющего только электромагнитный расцепитель.
При выборе автоматов важно обеспечить селективность, которая достигается изменением времени их срабатывания.
Автоматические выключатели свободны от многих недостатков, присущих плавким предохранителям, и их номенклатура позволяет широко применять их в промышленных сетях низкого напряжения.
В случаях, когда по техническим показателям возможно применение как автоматических выключателей, так и плавких предохранителей, выбор защитного аппарата производят по минимальным приведенным затратам. При этом учитывают также снижение или повышение стоимости остальных элементов распределительного устройства и другие затраты.
6.1.3 Магнитные пускатели
Магнитные пускатели предназначены главным образом для дистанционного управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором мощностью до 100 кВт; для пуска непосредственным подключением к сети и останова электродвигателя (нереверсивные пускатели); для пуска, останова и реверса электродвигателя (реверсивные пускатели). В исполнении с тепловым реле пускатели также защищают управляемые электродвигатели от перегрузок.
Магнитный пускатель представляет собой трехполюсный контактор переменного тока с прямоходовой магнитной системой, в который дополнительно встроены два тепловых реле защиты, включенных последовательно в две фазы главной цепи электродвигателя.
На рисунке 6.9 показаны общий вид и схема управления электродвигателем с помощью магнитного пускателя типа ПМЛ.
Рисунок 6.9 – Общий вид (а) и принципиальная схема (б) магнитного пускателя типа ПМЛ
При нажатии кнопки «Пуск» SBC срабатывает катушка контактора KM. При этом главные контакты KM в силовой цепи электродвигателя M замкнутся. Одновременно замкнется вспомогательный контакт KM:1, шунтируя кнопку SBC, которую можно отпустить. Двигатель получит напряжение и начнет вращаться. Катушка KM и вспомогательный контакт KM:1 обеспечивают «нулевую» защиту электродвигателя. Это значит, что если в процессе работы напряжение в сети снизится до 40% номинального или исчезнет, то контактор отключится, так как разомкнется его вспомогательный контакт KM:1. Для включения двигателя нужно будет снова нажать кнопку «Пуск» SBC. Нулевая защита предотвращает самопроизвольный пуск электродвигателя при повторной подаче напряжения. Для оперативного отключения двигателя от сети достаточно нажать кнопку «Стоп» SBT, что приведет к обесточиванию катушки KM и размыканию главных контактов KM в трех фазах питающей цепи.
Защита электродвигателей от перегрузки и от обрыва одной фазы осуществляется с помощью тепловых реле типа РТТ, присоединяемых к пускателю перемычками.
Электромагнитные пускатели выпускают с тепловыми или без тепловых реле. Технические данные магнитных пускателей приведены в таблице 6.3.
Таблица 6.3 – Технические характеристики магнитных пускателей
|
Тип |
Назначение |
Uном, В |
Iном, А |
|
ПМЕ-00М |
Нереверсивный |
~ 380 |
4; 6,3; 10 |
|
Реверсивный |
|||
|
ПМА-0000 ПМА ПМЛ |
Нереверсивный, реверсивный |
~ 380 |
2,5 |
|
~ 660 |
1,2 |
||
|
~ 380 |
40; 63; 80; 100; 160 |
||
|
~ 660 |
25; 40; 50; 63; 100 |
||
|
~ 380 |
6; 16; 25; 40; 50; 60; 120 |
||
|
~ 660 |
|||
|
ПМ12 |
- |
~ 380 |
80; 100; 160 |
|
~ 660 |
|||
|
ПМ14-10 |
- |
~ 380 |
47 |
|
ПМ14-16 |
~ 380 |
66 |
|
|
ПБН |
Бесконтактный, нереверсивный |
~ 220 |
4; 10; 25; 63 |
|
~ 380 |
|||
|
ПБР |
Бесконтактный, реверсивный |
~ 380 |
100; 160 |
|
ПТ |
Тиристорный |
~ 380 |
6,3; 10; 25; 40; 63; 160; 400 |
6.2 Избирательная работа защиты
В незамкнутых многоступенчатых сетях проверка избирательности проводится по каждой паре последовательно включенных участков сети. При этом возможны четыре случая:
а) б) в) г)
Рисунок 6.10 – К избирательности срабатывания аппаратов защиты
Защита считается избирательной, когда характеристика срабатывания аппаратов защиты последовательно включенных участков сети с учетом зон разброса характеристик не пересекаются.
В первом случае обеспечение избирательности не вызывает затруднений. Серии плавких предохранителей разработаны так, что характеристики соседних по номинальному току плавких элементов не пересекаются. Разница во времени срабатывания уменьшается с ростом тока к.з. и в области больших токов к.з. может оказаться недостаточной для избирательной работы в течение всего срока эксплуатации, учитывая в особенности тот фактор, что с многократным повторением циклов нагрева время срабатывания предохранителя высшей ступени может уменьшаться. Поэтому, начиная с некоторых значений тока к.з. (например, с 10 кА), на последовательно включенных соседних участках часто приходится применять предохранители с разницей номинального тока в две-три стандартные ступени. Соответствующие таблицы или графики избирательности приводятся в технических материалах по предохранителям.
Когда для защиты соседних участков применяются предохранители различных серий, то их избирательность проверяется путем сравнения их характеристик срабатывания.
Значительно проще обеспечивается избирательность защиты во втором случае, при применении на высшей ступени автоматического выключателя. Однако при малой разнице номинального тока предохранителя и тока уставки автоматического выключателя возможны пересечения характеристик срабатывания защит, вследствие чего можно рекомендовать графическое сравнение этих характеристик между собой.
В третьем случае, когда плавкие предохранители применяются в сети перед автоматическими выключателями, пересечение характеристик срабатывания обычно неизбежно и, начиная с некоторого критического значения тока к.з (Iкр), избирательность теряется. Другими словами, избирательность обеспечена только тогда, когда ток к.з. в начале линии низшей ступени меньше, чем Iкр. Если предварительно выбранный предохранитель при графической или табличной проверке оказался по отношению к автоматическому выключателю неизбирательным, то может выбираться другой предохранитель с большим номинальным током или более инерционной характеристикой, а также другой автоматический выключатель (например, токоограничивающий). Иногда возможно уменьшение тока к.з. ниже критического значения.
В четвертом случае, когда на соседних последовательно включенных участках сети применяются автоматические выключатели, случае нерегулируемого времени срабатывания в области токов к.з., превышающих ток срабатывания мгновенного расцепителя автоматического выключателя высшей ступени, избирательность может нарушаться. Избирательная работа в этой области обычно возможна только при применении на высшей ступени сети автоматического выключателя с повышенным (в частности, с регулируемым) временем срабатывания (пунктирная кривая 1/ на рисунке 6.10, г) или на низшей ступени сети токоограничивающего автоматического выключателя (пунктирная кривая 2/). Избирательность обеспечивается также тогда, когда ток к.з. в начале линии второй ступени сети не превышает Iкр.
Из-за нелинейности и ступенчатости характеристик срабатывания предохранителей и автоматических выключателей проверку избирательности защиты лучше всего производить путем графического сопоставления характеристик.
В замкнутых сетях избирательность работы защиты максимального тока может обеспечиваться практически только применением плавких предохранителей. В узле сети (рисунок 6.11) избирательное срабатывание предохранителей, выбранных с одинаковым номинальным током, обеспечивается при выполнении условия:
Ik,iнаиб ≤ 0,8Ik,
где Ik – ток к.з. в поврежденной линии; Ik,iнаиб – наибольший из токов КЗ других линий рассматриваемого узла.
При этом
∑ Ik,i = Ik.
Чем больше линий присоединяется к одному узлу, тем лучше обеспечивается избирательность защиты сетей. При четырех линиях (рисунок 6.11) обеспечение избирательности обычно не вызывает затруднений.
В ветвях источников питания замкнутой сети избирательность защиты обеспечивается применением плавких предохранителей, отличающихся от предохранителей сети, как минимум, на две-три сети стандартные ступени номинального тока, или автоматических выключателей.
Не вызывает затруднений также обеспечение избирательности защиты в одноконтурных замкнутых сетях (рисунок 6.12). Характерной особенностью защиты в таких сетях может считаться ее делительное действие – секционирующий аппарат защиты питающих ветвей, разделяет сеть на самостоятельные части, сохраняя питание каждой части от отдельных друг от друга источников. Такая защита целесообразна на двухтрансформаторных цеховых подстанциях, где она срабатывает при к.з. на сборных шинах или при отказе защиты отходящих линий, а также на кольцевых магистральных линиях, где она срабатывает при к.з. на линии или отказе защиты ответвлений. В качестве аппаратов защиты могут применяться как автоматические выключатели, так и плавкие предохранители.
|
ПП – плавкий предохранитель |
а – двухтрансформаторная цеховая подстанция; б – кольцевая магистральная линия; 1 – автоматические выключатели; 2 – секционный автоматический выключатель |
|
Рисунок 6.11 – К избирательности срабатывания защиты в замкнутой сети |
Рисунок 6.12 – К защите одноконтурной замкнутой сети |
Контрольные вопросы
t,с
I, A
I, A
t,c
I, A
t,c