1-2. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АППАРАТУРЕ
Коммутационная аппаратура распределительных устройств должна удовлетворять следующим общим требованиям, которые перечисляются в порядке их важности:
надежная работа в нормальном режиме;
безотказное выполнение требуемых функций в предусмотренных ненормальных режимах и быстрое восстановление питания после отключения;
достаточный срок службы;
малые затраты материалов (в особенности дефицитных), которые требуются для изготовления;
простота монтажа на месте установки;
простота ухода в эксплуатации и малые эксплуатационные расходы, в частности, малые потери энергии внутри аппарата;
малая трудоемкость при изготовлении;
малое место, потребное для монтажа;
малый звуковой и световой эффекты при работе.
Коммутационная аппаратура распределительных
устройств должна быть особо надежна, так как выход ее из строя приводит к лишению питания целой группы потребителей. Выход из строя аппарата управления обычно приводит к простою только одного приемника энергии. Несрабатывание аппарата распределительного устройства при коротком замыкании может повести к большой аварии. Эти обстоятельства следует учитывать при Конструировании.
В настоящей главе изложены более подробно в общем виде первые четыре из указанных выше требований к аппаратуре. Добавочные требования рассмотрены в остальных главах.
i-З. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АППАРАТУРЕ ПРИ РАБОТЕ В НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ
Ненормальными являются такие режимы, при которых появляются чрезмерное снижение напряжения, не предусмотренное изменение направления постоянного тока и, в особенности, сверхток*.
*Сверхтоком называется ток, больший (номинального (ток перегрузки или короткого замыкания)Чрезмерное снижение напряжения может привести к остановке двигателей, а затем, при внезапном появлении полного напряжения, к запуску их в неподходящий момент. Поэтому иногда на ответвлениях к приемнику применяют автоматические выключатели, отключающие цепь при снижении напряжения. Обычно отключение должно происходить при снижении напряжения до величины, находящейся в пределах от 35 до 70% от номинальной. Повторное включение должно происходить только при воздействии оператора.
Изменение направления постоянного тока может возникать в цепи поврежденного источника при параллельной работе источников постоянного тока. Желательно, чтобы отключение поврежденного источника произошло при возможно меньшем обратном токе и не происходило при токе правильного направления.
Наиболее опасным и часто встречающимся ненормальным режимом является режим сверхтока, который возникает при чрезмерном потреблении тока приемниками или при коротком замыкании. Аппаратура распределительных устройств, предназначенная для автоматического отключения, должна безотказно коммутировать все токи, вплоть до наибольшего тока короткого замыкания, который может возникнуть в месте ее установки. Неавтоматические выключатели при этих токах не должны повреждаться и не должны самопроизвольно отключаться. Величины токов короткого замыкания, возникающие в установках, указаны в гл. 2.
Аппаратура управления (контакторы, пускатели, защитные реле) рассчитывается главным образом на коммутацию только токов перегрузки двигателей. Эти токи не превышают 10-кратного от их номинального тока. От токов короткого замыкания аппаратура управления отдельными приемниками защищается аппаратурой распределительных устройств.
Через некоторый промежуток времени после того, как появится сверхток, защитный аппарат должен сработать и отключить цепь тока. Зависимость между величиной сверхтока и интервалом времени от момента появления сверхтока до его отключения называется защитной характеристикой. По этой характеристике можно определить, будут ли обеспечены бесперебойность питания и защита электрической установки.
Бесперебойность работы установки является важнейшим требованием. Для удовлетворения его необходимо обеспечить избирательность отключения между аппаратурой управления и аппаратурой распределительных устройств, а также избирательность отключения нескольких последовательно включенных аппаратов распределительных устройств. Это значит, что при токах перегрузки, возникающих в ответвлении к отдельному приемнику, отключение соответствующего участка цепи должно (производиться непосредственно аппаратурой управления этого приемника, а не аппаратом распределительных устройств, установленным на ответвлении.
При возникновении в ответвлении короткого замыкания должен отключаться аппарат распределительного устройства и не должен отключаться аппарат управления. Особенно важна избирательность отключения в системе распределения энергии. При всех величинах сверхтока, вплоть до максимального тока короткого замыкания, должен отключаться только один аппарат, расположенный ближе к месту аварии, и не должны отключаться все другие аппараты с большим номинальным током, расположенные ближе к источнику энергии; при этом не будет прерываться питание всей системы, а отключится только поврежденный участок. Основным требованием, предъявляемым к аппаратуре в данном случае, является обеспечение избирательности отключения между аппаратами, имеющими возможно малую разницу в номинальных токах. Однако пока не удается полностью удовлетворить все эксплуатационные требования. Избирательность в большей или меньшей степени достигается соответствующим выбором аппаратуры и схемы ее соединений (гл. 10, 11).
Характер защитной характеристики позволяет в большей или меньшей степени ограничить воздействие сверхтока на установку и обеспечить ее сохранность. При сверхтоках возможен сильный нагрев токоведущих частей, что может привести к порче соприкасающейся с ними изоляции, отжигу и потере ими механической прочности или даже к плавлению токоведущих частей. Токи короткого замыкания быстро выводят из строя коллекторы машин постоянного тока и, в особенности, ртутные, полупроводниковые и контактные выпрямители. При больших токах короткого замыкания значительную опасность представляют электродинамические усилия. Они особенно значительны в установках низкого напряжения, так как там расстояния между токоведущими частями невелики, а токи могут достигать больших величин. Эти усилия могут деформировать катушки трансформаторов, повредить ошиновку распределительных устройств, разрушить аппаратуру, вызвать самоотключение рубильников и т. д. Ввиду этого требуется защитить установку от слишком длительного воздействий сверхтока или от появления большого тока короткого замыкания путем своевременного размыкания цепи.
С другой стороны, все сверхтоки, вызванные нормально предусмотренным технологическим процессом, безусловно не должны отключаться. Большие и более длительные токи также желательно не отключать, если длительность и величина сверхтока не опасны для установки, так как не следует без нужды нарушать ее работу. Очень затруднительно привести какие-либо общие сведения о том, какие перегрузки надо считать нормально предусмотренными. Однако аппаратура должна безусловно допускать перегрузки, вызванные пуском короткозамкнутых двигателей. Соответствующие данные приведены в приложении П-1. Можно считать, что в ответвлениях к двигателям имеют место наибольшие и наиболее длительные технологические перегрузки. В других случаях эти перегрузки будут менее длительны. Как пример мало колеблющейся нагрузки можно привести осветительную. Однако и здесь надо учитывать наличие быстро проходящего пика тока при включении ламп накаливания, вызванного тем, что холодное сопротивление ламп значительно (в 5 — 15 раз) меньше их сопротивления в номинальном режиме.
Практически во всех случаях было бы желательно иметь такую защитную характеристику, чтобы во всем диапазоне сверхтоков была выдержка времени, обратно з а в и с и м а я от тока (чем больше ток, тем меньше время отключения). Это вытекает из того, что разрушительное действие тем больше, чем больше величина тока и чем больше время его действия. Однако не всегда удается получить защитную характеристику, обратно зависимую от тока с желательными параметрами, так как это потребовало бы создания слишком сложного, дорогого и громоздкого аппарата. По конструктивным и технико-экономическим соображениям часто применяют устройства, которые при токах, больших определенной величины, срабатывают мгновенно (без преднамеренно созданной выдержки времени). По этим лее причинам иногда применяют устройства, которые имеют выдержку времени, не зависимую от тока. Каждая из трех вышеуказанных форм характеристики может быть во всем диапазоне сверхтока; могут также быть все три формы или две из них в различных комбинациях в разных диапазонах тока, однако всегда требуется, чтобы в диапазоне больших токов была меньшая выдержка времени.
Для защиты от чрезмерного нагрева токоведущих частей лучше всего иметь выдержку времени, обратно зависимую от тока, при всех сверхтоках (см. § 1-3).
Для защиты одноякорных преобразователей и, в особенности, выпрямителей от токов короткого замыкания требуется особо быстрое срабатывание (за несколько миллисекунд), так что практически единственно приемлемым является аппарат мгновенного действия в области токов короткого замыкания. Токи короткого замыкания машин постоянного тока тоже желательно отключать мгновенно (за время до 0,01 сек). Однако некоторые машины специально рассчитываются так, чтобы допускать протекание тока короткого замыкания в течение 0,5 — 1 сек. Для защиты таких машин можно применять защитные аппараты с выдержкой времени при коротком замыкании, что дает возможность обеспечить избирательность защиты.
С электродинамическими усилиями, могущими возникнуть при коротком замыкании в установках низкого напряжения, надо считаться при мгновенном значении тока более 10 кА. Для примера укажем, что этот ток является предельно допустимым для параллельных медных шин с поперечным сечением 30X4 мм2 при расстоянии между осями шин 140 мм и расстоянии между опорами 900 мм, когда большие грани шин обращены друг к другу. При монтаже этих шин плашмя, когда большие грани находятся в одной плоскости при том же расстоянии между осями шин и опор, предельно допустимый ток будет 27 кА. При токах короткого замыкания в несколько десятков килоампер возникают трудности при изготовлении установки, и желательно этот ток ограничить. Это может быть достигнуто при таком быстром срабатывании защитного аппарата, при котором ток не успевает достигнуть того максимального значения, которого он бы достиг, если бы цепь не была своевременно разомкнута. Если это обеспечивается, то говорят, что имеет место токоограничивающее действие защитного аппарата. Плавкие предохранители, установочные автоматические выключатели на малую величину тока и специальные (быстродействующие) автоматические выключатели обладают таким действием.
Для создания избирательной защиты с помощью автоматических выключателей иногда не удается применять токоограничивающий аппарат, так как требуется ввести выдержку времени. В этом случае при пиках тока до 100 кА выполняют установки без токоограничивающего действия. При больших пиках тока независимо от каких-либо других требований надо ограничивать токи короткого замыкания, так как практически очень трудно выполнить установку низкого напряжения, имеющую электродинамическую устойчивость выше 100 кА. Форма защитной характеристики здесь не имеет существенного значения. В этом случае, как и в большинстве других случаев, вопрос решается в зависимости от того, какую конструкцию возможно выполнить.
1-4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АППАРАТУРЕ В ОТНОШЕНИИ ЗАЩИТЫ ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ УСТАНОВКИ ОТ ЧРЕЗМЕРНОГО НАГРЕВА
а) Допустимая температура
Аппаратура распределительных устройств низкого напряжения защищает от чрезмерного нагрева при сверхтоках главным образом проводники, соединяющие источники питания с потребителями. Она защищает также обмотки трансформаторов и низковольтных генераторов. Если у потребителя энергии (двигателей) не установлена защита от перегрузки, то эта защита осуществляется аппаратурой распределительных устройств. Однако обычно эту функцию выполняют тепловые реле, установленные в пусковых устройствах. В этом случае аппаратура распределительных устройств осуществляет защиту приемников только от токов короткого замыкания.
Главная задача защиты состоит в сохранении изоляции при нагреве проводника. Срок службы изоляции зависит от величины и длительности воздействия повышенной температуры. При температуре 100° С изоляция класса А имеет срок службы 10 лет. Каждые добавочные 8 — 10° С сокращают срок службы вдвое. При 135° С срок службы составляет около 4 000—7000 ч, а при 200° С—около 20—80 ч. При пуске двигателей допустим нагрев их обмотки до 135 — 140° С [JT. 1-4, 1-5]. Для двигателей с изоляцией класса А при перегрузках должно быть обеспечено отключение, когда температура обмотки достигнет 160—170° С. Допустимые температуры проводников в продолжительном и кратковременном режимах указаны в табл. 1-1.
Таблица 1-1
Допустимый нагрев проводников
Наименование проводника | Допустимая температура при продолжительном режиме* [Л. 1-1, 1-2, 1-3], °С | Допустимое превышение температуры при коротком замыкании [Л. 1-1], "С | |
Провода и кабели с резиновой или винилитовой изоляцией | 55 | 150 | |
Кабели с бумажной изоляцией до 1 000 в | с медными жилами | 80 | 200 |
с алюминиевыми жилами | 80 | 150 | |
Обмотки электрических машин с изоляцией класса А | 100 | - | |
Голые шины | медные | 120** | 250 |
алюминиевые | 150 | ||
стальные, не соединяемые с аппаратом непосредственно | 350 | ||
*Температура среды в продолжительном режиме принята равной 25° С для проводов и кабелей и 35° С для машин.
** Данные о допустимом нагреве медных шин в продолжительном режиме относятся к случаю, когда допустимая температура шины не ограничивается допустимой температурой контакта (§ 1-5).
б) Основное требование
В общем виде требование к защите изолированных проводов и обмоток в помещениях, где нет опасности пожара или взрыва, может быть сформулировано так: отключение должно происходить только при такой температуре, превышение которой приведет к немедленному повреждению защищаемого объекта или к недопустимому сокращению срока его- службы.
При небольших перегрузках (до 20—30% по току) даже в установившемся тепловом режиме нагрев изоляции машин и проводников не приводит к быстрой ее порче. Поэтому не обязательно при таких перегрузках отключать установку. Отключение установки при малых перегрузках, вызванных случайными технологическими причинами, приводит к необоснованным простоям. Если малая перегрузка имеет постоянный характер, то она всегда может быть вовремя обнаружена. Наличие ее означает, что защищаемый объект (провод, двигатель) имеет недостаточный номинальный ток и должен быть заменен другим, имеющим больший номинальный ток. Перегрузки, большие 30—40%, длительно не следует допускать. При 35%-ной перегрузке и указанной в табл. 1-1 температуре среды в установившемся тепловом состоянии температура обмоток машин будет 155° С, проводов с резиновой изоляцией 80° С, а кабелей с хлопчатобумажной изоляцией 125° С. Хотя отключение цепи при различных перегрузках должно происходить до того, как будет превзойдена допустимая температура, не желательно, чтобы отключение происходило при значительно более низкой температуре, так как при этом не будет полностью использована перегрузочная способность установки.
Наиболее распространенными являются защитные аппараты с реагирующим элементом теплового действия, у которых срабатывание происходит под влиянием нагрева реагирующего элемента током. Эти аппараты имеют наиболее простую конструкцию, и характеристика их может быть легко приспособлена к защите токоведущих частей от чрезмерного нагрева. Последнее вытекает из того, что при разных режимах температура реагирующего органа в некоторой степени соответствует температуре защищаемого объекта. В случае применения электромагнитного реагирующего органа с выдержкой времени, создаваемой при помощи часового механизма или путем перетекания жидкости, тепловое состояние защищаемого объекта до начала перегрузки не учитывается реагирующим органом. Поэтому частые многократные перегрузки могут вызвать недопустимое превышение температуры установки. В настоящем параграфе рассматриваются только защитные аппараты теплового действия.
При проектировании и выборе защитного аппарата, а также при оценке его эффективности надо сопоставлять его защитную характеристику с характеристикой допустимой перегрузки защищаемого объекта. Между этими характеристиками должно быть соответствие, чтобы при отключении тока вследствие перегрузки температура защищаемого объекта была близка к предельно допустимой. Ненормальности и аварии в установках приводят в большинстве случаев к режиму кратковременной перегрузки, поэтому ограничимся рассмотрением только этого режима. Вышеуказанное соответствие характеристик в кратковременных режимах еще не означает соответствие в повторно-кратковременных, однако в значительной степени предопределяет его.
Будем считать, что аппарат и защищаемый объект до начала режима кратковременной перегрузки находятся в холодном состоянии. Примем для упрощения, что предельно допустимая температура при всех перегрузках равна предельно допустимой температуре продолжительного режима. В таком случае характеристика допустимой перегрузки представляет собой зависимость времени достижения одной и той же предельно допустимой температуры от величины тока при нагреве с холодного состояния в кратковременном режиме. Так как при данных условиях защитная характеристика есть зависимость времени срабатывания аппарата от величины тока при нагреве с холодного состояния в кратковременном режиме, то совпадение вышеуказанных характеристик во всех точках означает, что при любой кратковременной перегрузке, наступившей в холодном состоянии, защищаемый объект в момент отключения защитного аппарата будет иметь предельно допустимую температуру. Наличие предварительного нагрева током до установившегося теплового состояния не вносит существенных изменений.
в) Выражение характеристик в критериальной форме
Пренебрегая временем горения дуги и временем срабатывания механизма, можно считать, что защитный аппарат отключает цепь в тот момент, когда температура его реагирующего органа достигает определенной величины. Наилучшее соответствие характеристик получается, если ток проходит непосредственно по реагирующему органу, так как при этом создаются условия нагрева, аналогичные условиям нагрева проводника током. Это условие является совершенно обязательным, если реагирующий орган должен срабатывать при коротком замыкании, так как в случае, когда по реагирующему органу не идет ток и он нагревается только от нагревателя, к нему при коротком замыкании нельзя достаточно быстро подвести тепло.
Защитные аппараты теплового действия, у которых ток проходит по реагирующему органу, являются наиболее распространенными. Их защитные характеристики, а также характеристики допустимой перегрузки защищаемого объекта могут быть удобно выражены в форме зависимости между безразмерными величинами — в критериальной форме. Это важно для сравнения характеристик и получения общих выводов. Как отмечалось, вышеуказанные характеристики представляют собой зависимость между временем t нагрева тела от холодного состояния до определенной температуры и током I, причем если речь идет о защищаемом объекте, то определяется время нагрева до предельно допустимой температуры, а если речь идет о защитном аппарате, то определяется время нагрева до минимальной температуры реагирующего элемента (его соответствующих участков), при котором аппарат срабатывает и отключает ток.
При достаточно больших t наступает установившееся тепловое состояние, вся энергия, выделенная при прохождении тока, отводится от того места, где она выделяется, при этом
(1-1)
где /погр — так называемый пограничный ток.
В случае защитного аппарата этот ток вызывает срабатывание аппарата к моменту достижения установившегося теплового состояния. В случае защищаемого объекта /ПОгр — ток, при котором в установившемся тепловом состоянии объект достигает предельной длительно допустимой температуры. Строго говоря, установившееся тепловое состояние достигается через бесконечно большое время, но Практически оно наступает за время 1—3 ч. При установлении /ПОГр защитного аппарата не учитывается возможность химических реакций (появление окислов на контактах и поверхности сильно нагретых проводников). Эти химические реакции могут приводить к повышению активного сопротивления и к отключению аппарата при токах, меньших пограничного.
При достаточно большом / величина t столь мала, что отвод тепла почти отсутствует (адиабатический режим). Вся выделенная энергия идет на повышение температуры. При этом tP есть постоянная величина. Обозначим ее 772Погр, где Т есть постоянная для данного объекта величина, имеющая размерность времени; Т— время, которое в случае отсутствия отвода тепла требовалось бы для нагрева током /ПОгр до температуры, равной установившейся температуре при длительном протекании тока /Погр и наличии отвода тепла. По аналогии с принятой в теории теплопередачи терминологией мы будем называть Т постоянной времени. Из определения следует, что в адиабатическом режиме
(1-2)
Рассматриваемая характеристика
(1-3)
может быть представлена в критериальной форме в виде зависимости между безразмерными величинами:
(1-4)
(1-5)
Критериальную характеристику
y=h(x) (1-6)
мы будем изображать в логарифмическом масштабе. Тогда характеристики всех вышеуказанных защищаемых объектов и защитных аппаратов будут иметь две неизменные общие асимптоты: прямую х=1 и прямую у=~г. График Последнего уравнения в логарифмическом масштабе есть прямая, так как
In у = — 2 In х.
Характеристика в критериальном виде определяет форму защитной характеристики. Если она известна, то для перехода к зависимости между временем и током надо знать величины /п0гр и Т. Первая характеризует стационарный, а вторая адиабатический режимы. Обе эти величины иногда сообщаются в информационных материалах. Они могут быть легко рассчитаны либо определены опытным путем. Критериальные характеристики многочисленных исполнений аппаратов одного и того же типа, а иногда и разных типов и серий одинаковы. Они приведены в приложениях; там же приведены данные об /п0гр и Т.
Из изложенного в пункте «б» настоящего параграфа следует, что для хорошей защиты требуется, чтобы формы характеристик /догр и Т были одинаковы у защитного аппарата и защищаемого объекта. Обычно это требование очень трудно выполнить (гл. 10).
Отметим здесь, что одним из важнейших является вопрос о выборе защитного аппарата с требуемой величиной пограничного тока. Как указано выше, в общем случае для защиты двигателей и проводов пограничный ток аппарата не должен быть более 135% номинального тока защищаемого объекта, а следовательно, он не должен быть более 135% номинального тока аппарата. Следует учесть, что вследствие производственных отклонений пограничные токи у изготовляемых в массовом количестве аппаратов значительно отклоняются от их среднего значения. Предельно, допустимыми считаются отклонения ±10 — 15%. Поэтомусреднее значение пограничного тока защитного аппарата вообще желательно иметь не более 120% его номинального тока. Для защиты пожаро- и взрывоопасных помещений желательно иметь еще меньшее отношение пограничного тока к номинальному. Близость пограничного и номинального токов является достоинством аппарата, так как дает возможность выбирать аппарат так, чтобы он срабатывал как ,при больших перегрузках, так и при малых. В последнем случае его номинальный ток должен быть не больше номинального тока защищаемого объекта. Однако у ряда аппаратов (в особенности у предохранителей) пограничный ток не может быть достаточно близок к номинальному (§ 7-2).
Очень важным является также соответствие постоянных времени защитного аппарата и защищаемого объекта. При малой постоянной времени защитного аппарата его номинальный ток приходится выбирать значительно большим, чем номинальный ток защищаемого объекта, для того чтобы аппарат не сработал при больших технологических перегрузках, неопасных вследствие кратковременности. При этом защита при меньших перегрузках может оказаться неудовлетворительной, что имеет место при применении предохранителей.
