5-8. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ РАСЦЕПИТЕЛЕЙ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА
При сравнении разных типов расцепителей надо учитывать: стойкость расцепителя по отношению к токам короткого замыкания, достаточность усилий, развиваемых расцепителем, соответствие защитных характеристик требованиям, разброс характеристик, влияние на них температуры среды и стабильность их во времени, возможность работы при повышенной частоте.
Если требуется отключение сверхтока без выдержки времени, то должен применяться электромагнитный расцепитель. Поэтому сравнение тепловых и электромагнитных расцепителей надо производить только для случая, когда требуется выдержка времени.
По всем экономическим показателям (стоимость, габариты) тепловой расцепитель имеет преимущество перед электромагнитным с выдержкой времени. Для работы при повышенных частотах не надо делать специальных исполнений тепловых расцепителей. Их пограничный ток мало зависит от частоты. Например, при увеличении частоты с 50 до 400 Гц пограничный ток расцепителя на 100 а уменьшается примерно на 5%, а расцепителя на 400 а — на 10%.
Электромагнитные расцепители, рассчитанные на 50 Гц, плохо работают при повышенных частотах. Магнитные системы сильно греются, тяговые усилия становятся значительно меньше и, начиная с определенных значений тока, перестают увеличиваться с ростом тока. При увеличении частоты с 50 до 400 Гц уставка тока увеличивается на 60—100%. Все же при небольших усилиях расцепления и применении тонкой специальной электротехнической стали можно сделать расцепитель на 400 Гц.
Тепловые расцепители имеют при перегрузках большие выдержки времени, чем электромагнитные. Их характеристики более подходят для защиты частей установок от перегрева, чем характеристики электромагнитных расцепителей. Электромагнитные расцепители более соответствуют требованиям эксплуатации в случае, если установка должна быть отключена возможно скорее при появлении устойчивых перегрузок и должна пропускать только пиковые перегрузки, вызванные, например, пуском двигателей. Такие требования возникают при защите генераторов постоянного тока и при защите маломощных источников питания разного типа с малым значением тока короткого замыкания, первичный двигатель которых не допускает длительных перегрузок.
Пограничный ток (наименьший ток срабатывания) тепловых расцепителей при массовой регулировке может быть установлен с меньшей точностью, чем у электромагнитных. У первых точность регулировки тока составляет ±.(10-ь12)%, у вторых ±(5-т-.7)%.
Времена срабатывания тепловых расцепителей и их пограничный ток сильно изменяются при изменении температуры среды (§ 4-10). Если защищаемый объект и автомат находятся при одинаковой температуре среды и надо защитить установку от перегрева, то это свойство является положительным при условии, что температура срабатывания биметалла выше допустимой температуры защищаемого объекта. В этом случае при снижении температуры среды процент увеличения пограничного тока расцепителя будет меньше процента увеличения допустимого тока установки и при низкой температуре нет опасности чрезмерного перегрева ее частей. Некоторым преимуществом изменения пограничного тока с изменением температуры среды является возможность более полного использования перегрузочной способности установки при низких температурах. Однако это преимущество редко можно использовать, так как режим работы установки обычно не зависит от температуры среды. Кроме того, в ряде случаев (при машинах постоянного тока, аккумуляторных батареях) перегрузочная способность мало зависит от температуры среды. Температура среды в местах установки автомата и защищаемого объекта часто бывает разной и может меняться по-разному. Трудно учесть влияние нагрева от соседних аппаратов. Все это может приводить к расстройству защиты. Поэтому свойство теплового расцепителя менять свой пограничный ток при изменении температуры среды является обычно нежелательным. Введение в расцепитель добавочного звена, компенсирующего изменение температуры среды, усложняет конструкцию, уменьшает точность регулировки, увеличивает разброс тока срабатывания и вынуждает применять более мощный рабочий термобиметаллический элемент.
Однако и при этом из-за отклонения чувствительности и толщины термобиметалла не удается осуществить точную компенсацию, и влияние температуры среды на ток срабатывания остается значительным (до ±3% на 10°С). В этом отношении бесспорно преимущество электромагнитных расцепителей с часовым механизмом или воздушным замедлителем.
Тепловой расцепитель после срабатывания не допускает немедленного повторного включения. При частых перегрузках это свойство, вообще говоря, является положительным. Электромагнитный расцепитель не учитывает предыдущего теплового состояния защищаемого объекта, поэтому может допустить его чрезмерный перегрев при частых повторных включениях после отключения перегрузок. Однако для режима работы автоматических выключателей невозможность немедленного восстановления питания является недостатком.
Недостатком термобиметаллических расцепителей является также их нестойкость по отношению к большим токам короткого замыкания, из-за чего приходится либо ограничивать допустимую величину этих токов, либо защищать расцепитель с помощью электромагнитного расцепителя мгновенного действия. Несмотря на эти недостатки, тепловые расцепители благодаря простоте, компактности и дешевизне применяются преимущественно перед электромагнитными с выдержкой времени всюду, где это возможно.
Область применения тепловых расцепителей ограничена следующими обстоятельствами:
Усилие и ход термобиметалла при тех мощностях, которые можно затратить на нагрев, невелики. Крупные универсальные автоматы потребовали бы слишком большого числа промежуточных звеньев, для того чтобы можно было расцепить механизм при помощи термобиметалла.
Термобиметаллические элементы затруднительно выполнять на разные номинальные токи. В случае электромагнитного расцепителя этого затруднения нет, так как нетрудно сделать любое число витков катушки.
Включение термобиметаллического элемента малых автоматов через трансформатор тока привело бы к очень громоздкой конструкции. Кроме того, оно по-
требовало бы применения добавочного электромагнитного расцепителя мгновенного действия, для того чтобы автомат смог достаточно быстро сработать при больших токах короткого замыкания, так как нерационально делать трансформатор тока, который не насыщался бы при больших токах. Включение через трансформатор тока рационально только при токах более 200— 100 а. Оно неприменимо при постоянном токе.
При непосредственном нагреве, когда весь ток или часть его проходит черев термобиметалл, нельзя сделать достаточно надежные и простые расцепители при токах менее 5 — 10 а, так как из-за малого сечения термобиметалла развиваемое усилие получается слишком малым. Затруднительно делать расцепители с непосредственным нагревом и при номинальном тоже более 100 а, так как термобиметаллическая пластинка может пропускать только небольшую часть тока и надо применять шунт, в котором будут большие потери. В случае протекания главного тока через термобиметалл он может получить остаточную деформацию при больших токах короткого замыкания. Часто это ограничивает разрывную способность (§ П-4). Термобиметаллический расцепитель не может обеспечить избирательную защиту установки в области больших токов короткого замыкания, так как для этого требуется значительная выдержка времени, которую нельзя допустить из-за ограниченной термостойкости термобиметалла.
Если термобиметаллический элемент нагревается косвенно только от нагревателя, по которому проходит главный тюк, то при токах более 300—500 а сечение этого нагревателя получается таким большим, что большая часть теплового потока уходит в токоведущие части, вызывая их сильный нагрев. При этом получается большое влияние сечения присоединительных проводов и переходных сопротивлений на уставку автомата. При малых токах нагреватель получается тонким, и его затруднительно защищать даже расцепителем мгновенного действия. Недостаток косвенного подогрева еще и тот, что приходится иметь низкую температуру биметалла при срабатывании (ориентировочно не более 100°С), что приводит к большему влиянию температуры среды на ток срабатывания, большому времени возврата и неточности работы.
Ввиду изложенного выше термобиметаллические расцепители применяются для автоматов на токи 5 — 600 а ( от 10 до 200 а). В этом диапазоне они удобнее электромагнитных с выдержкой времени.
Вообще электромагнитные расцепители являются более универсальными. Наиболее простые из них — с дисками в масле. Они с успехом в ряде случаев работают в промышленных установках. Однако выдержка времени, даваемая этим расцепителем, очень нестабильна во времени; на нее сильно влияют загрязнение, окисление и испарение масла. Разброс времени очень велик.
При больших токах нельзя получить достаточную выдержку времени для обеспечения избирательной защиты. Расцепители с часовым механизмом дают достаточно точную выдержку времени и могут обеспечить избирательную защиту во всем диапазоне токов. Возможность применения их определяется наличием достаточной производственной мощности часовой промышленности. С этой точки зрения в СССР нет существенных ограничений, но чрезмерная трудоемкость часовых механизмов заставляет отдать предпочтение другим замедлителям для автоматов, изготовляемых в массовых количествах. При небольшом выпуске применение часовых механизмов может быть целесообразным.
Расцепители с перетеканием жидкости просты в изготовлении, пригодны для массового производства; при их- применении можно легко получить разнообразные характеристики. Эти расцепители дают удовлетворительную избирательную защиту. Недостатком их является значительное влияние температуры среды на выдержку времени. Однако пограничный ток реле не меняется при изменении температуры. Влияние температуры среды на их выдержку времени больше, чем у тепловых расцепителей, что может расстроить защиту.
В последнее время все большее распространение получают расцепители с воздушным замедлителем. Они конструктивно несколько сложнее замедлителя с перетеканием жидкости, но зато их уставки и выдержки времени не зависят от температуры среды.
Имеются попытки применить схему с контурами RC и полупроводниковыми элементами для получения требуемых защитных характеристик [Л. 5-29]. Однако в настоящее время все основные типы автоматов, применяемых у нас и за рубежом, не базируются на этих принципах из-за сложности и относительно меньшей надежности указанных выше схем. Для обеспечения абсолютной безотказности отключения сверхтока предпочитают применять устройства, качество которых легко контролировать, которые мало подвержены старению и легко ремонтируются.
