§ 5.4. Защита проводов и кабелей от перегрева
Длительные перегрузки проводов и кабелей, а также короткие замыкания вызывают повышение температуры жил и изоляции свыше допустимых величин, вследствие этого преждевременно изнашивается изоляция проводов и кабелей, что в свою очередь в некоторых случаях может привести к пожару или поражению людей электрическим током. Для предотвращения указанного повреждения изоляции в электрических сетях устанавливаются защитные аппараты (плавкие предохранители, автоматические выключатели, специальные реле), которые обеспечивают отключение опасного участка сети при непредвиденном увеличении токовой нагрузки сверх длительно допустимой.
Защита плавкими предохранителями
Рис. 5.4. Предохранитель разборный с фибровой трубкой типа ПР
Плавкие предохранители благодаря простоте и малой стоимости получили большое распространение в сетях напряжением до 1000 в.
На рис. 5.4 представлен предохранитель разборный с фибровой трубкой типа ПР.
Основная рабочая часть плавкого предохранителя — плавкая вставка — изготовляется из цветного металла в виде проволоки или пластинки. Плавкая вставка, укрепленная в корпусе предохранителя, устанавливается в начале защищаемого участка сети. При токе, превышающем определенное значение, плавкая вставка сильно нагревается, а затем расплавляется. Защищаемый плавкой вставкой участок сети отключается, и этим предотвращается недопустимый перегрев провода или кабеля.
Различают номинальный ток предохранителя и поминальный ток плавкой вставки.
Номинальным током предохранителя называется наибольший ток, на который рассчитаны его токоведущие части. Этот ток равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных к установке в данном предохранителе.
Номинальным током плавкой вставки называется наибольший ток, при котором заводом-изготовителем гарантируется, что плавкая вставка будет неопределенно длительное время работать, не расплавляясь. Номинальные токи предохранителей и плавких вставок указываются заводом на корпусе и плавкой вставке.
Наибольшее применение в сетях низкого напряжения получили предохранители пробочные Н-20, ПР-2 с закрытыми фибровыми патронами, НПН и ПН-2 с фарфоровыми патронами, заполненными кварцевым песком.
При расплавлении плавкой вставки образуется электрическая дуга, и температура внутри фибрового патрона предохранителя IIР-2 резко возрастает. Происходит интенсивное выделение газов с поверхности фибры, давление внутри патрона увеличивается, что в свою очередь способствует гашению дуги.
В засыпных предохранителях НПН и ПН-2 дугогашению способствует разветвление дуги в тончайших промежутках между зернами песка. Гашение дуги происходит настолько быстро и интенсивно, что при коротком замыкании ток не успевает достигнуть своего максимального значения. Поэтому эти предохранители называются токоограничивающими.
Рис. 5.6. Разброс характеристики плавкой вставки с номинальным током Iвс = 60 а
Основные технические данные предохранителей приведены в каталогах.
Время расплавления плавкой вставки предохранителя зависит от величины тока перегрузки. Чем больше ток перегрузки, тем выше температура плавкой вставки и, следовательно, меньше требуется времени для ее расплавления. Кривая зависимости времени перегорания плавкой вставки предохранителя от величины тока носит название защитной или время-токовой характеристики. Время-токовая характеристика защитного аппарата при которой с увеличением тока время срабатывания уменьшается, является обратно зависимой от тока.
На рис. 5.5 представлена защитная характеристика предохранителя с номинальным током плавкой вставки 60 а. На горизонтальной оси отложено отношение тока нагрузки Iк к номинальному току плавкой вставки Iн.вс. На вертикальной оси отложено время расплавления плавкой вставки предохранителя.
Рис. 5.7. Серия защитных характеристик плавких вставок предохранителей низкого напряжения типа ПН-2 (средние данные)
Защитная характеристика плавкой вставки графически изображается одной кривой, по которой определяются средние значения времени плавления вставки в зависимости от величины тока. На самом деле, в производственных условиях из-за увеличения переходного сопротивления контактов в результате их окисления при длительной эксплуатации, а также ослабления нажатия контактов и старения материала плавкой вставки при длительной работе время перегорания вставок может отличаться от средних значений (разброс защитной характеристики). Поэтому защитная характеристика каждой плавкой вставки должна была бы изображаться двумя кривыми, ограничивающими зону, в которой возможно расплавление вставки. На рис. 5.6 показаны эти кривые для плавкой вставки с номинальным током Iн.в=60 а.
Из кривых видно, что при токе 200 а плавкая вставка может перегореть в течение времени от 2,5 сек до 1 мин.
Разброс характеристик предохранителей учитывается главным образом при проектировании сетей для особо ответственных потребителей. В остальных случаях пользуются средними значениями времени срабатывания плавких вставок.
На рис. 5.7 приведена серия защитных характеристик плавких вставок предохранителей ПН-2. Из характеристик видно, что при токе 200 а плавкая вставка с номинальным током Iн.вс = 60 а плавится в течение 10 сек, в то время как плавкая вставка с номинальным током Iн.вс=80 а при том же токе плавится в течение 1 мин.
Рис. 5.8. Принципиальная схема защиты электрической сети жилого дома плавкими предохранителями
Таким образом, если в сети установлено несколько последовательно включенных предохранителей, то время расплавления плавкой вставки с большим номинальным током, как правило, будет больше, чем время расплавления плавкой вставки с меньшим номинальным током. Отсюда следует, что защиту отдельных участков электрической сети плавкими предохранителями можно осуществить с некоторой выдержкой времени.
На рис. 5.8 изображена схема защиты электрической сети жилого дома плавкими предохранителями.
Поскольку ток в цепи электроприемников (нагрузка квартиры) меньше, чем в питающих линиях, отходящих от вводного устройства (стояках), то номинальные токи плавких вставок, установленных у вводов в квартиры 1, будут меньше, чем номинальные токи вставок предохранителей, установленных на питающих линиях 2.
Ток ввода, питающего всю домовую сеть, будет больше, чем в каждой магистрали. Поэтому номинальный ток вставки предохранителя 3 будет больше, чем номинальный ток вставки предохранителя 2. При коротком замыкании в точке К вставка предохранителя 1, имеющая меньший номинальный ток, перегорит раньше, чем вставка предохранителя 2, и тем более, чем вставка предохранителя 3.
Для уменьшения перерывов в подаче электроэнергии электроприемникам необходимо выбрать и расставить предохранители так, чтобы плавкая вставка предохранителя, защищающая поврежденный участок, плавилась раньше, чем любая другая плавкая вставка, установленная ближе к головному участку сети. Иначе говоря, защита сети должна срабатывать избирательно (селективно). Для обеспечения избирательности в работе предохранителей рекомендуется, чтобы каждая плавкая вставка, встречающаяся при следовании по схеме сети в направлении от электроприемника к вводу, имела номинальный ток больший, чем предыдущая, на две ступени стандартной шкалы номинальных токов плавких вставок, если это не приводит к увеличению сечения проводов. Разница не менее чем на одну ступень является обязательной при всех условиях.
При значительных токах возможны неселективные срабатывания предохранителей вследствие разброса характеристик. С этой точки зрения предохранители являются несовершенными аппаратами и поэтому служат главным образом для защиты сетей от токов коротких замыканий, а не от перегрузок.
Защита автоматическими выключателями и реле
Автоматические выключатели (автоматы) с встроенными в них расцепителями (реле) осуществляют более совершенную защиту проводов и кабелей, чем защита плавкими предохранителями. В зависимости от характера отклонения режима работы сети от нормального срабатывают встроенные в автоматы тепловые или электромагнитные реле.
Электромагнитные реле, или, как принято их называть, расцепители максимального тока в большинстве случаев защищают установку только от токов короткого замыкания. Тепловой расцепитель, встроенный в автомат, или тепловое реле магнитного пускателя защищает линию от перегрузок1.
Далее излагаются краткие сведения о принципах работы расцепителей.
Наименьший ток, который вызывает отключение магнитного пускателя или автомата, называется током срабатывания. Под уставкой расцепителя (реле) понимается настройка его на выбранное значение тока исходя из защитных условий, при которых он срабатывает.
На рис. 5.9 дана принципиальная схема теплового реле РТ, предназначенного для встраивания в магнитные пускатели (показано для одного полюса). Чувствительным элементом теплового реле является биметаллическая пластинка, изготовленная из спая двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения.
Пока ток в нихромовом нагревательном элементе 1 не превышает тока срабатывания реле, деформация биметаллической пластины 2 невелика. При токе в нагревательном элементе, превышающем ток срабатывания реле, биметаллическая пластинка нагревается сильнее, и вследствие большего удлинения верхней части свободный конец ее опустится вниз. При этом защелка 4 выйдет из зацепления с рычагом 5.
Последний при помощи пружины 6 повернется против движения часовой стрелки и разомкнет цепь катушки магнитного пускателя (контакты 7 и 8), отчего произойдет отключение главной цепи. После охлаждения биметаллической пластинки нажатием кнопки 9 ручного возврата реле возвращается в исходное положение.
Рис. 5.9. Принципиальная схема теплового реле
1 Конструкции автоматических выключателей и магнитных пускателей в данной книге не рассматриваются.
Нагревательные элементы изготовляют на различные токи и выбирают по заводским каталогам.
В пределах до 25% ток срабатывания реле можно регулировать при помощи специального рычага.
Тепловое реле надежно защищает электродвигатель и питающую линию от перегрузки, но не обеспечивает надежной защиты от коротких замыканий. Это объясняется тем, что тепловое реле имеет большую тепловую инерцию.
При коротком замыкании ток может повредить провода цепи раньше, чем сработает тепловое реле; кроме того, контакты магнитных пускателей не рассчитаны на отключение токов короткого замыкания. Поэтому в случае применения магнитных пускателей с тепловыми реле для защиты электродвигателей и других электроприемников от перегрузок необходимо дополнительно устанавливать плавкие предохранители или автоматы с электромагнитными расцепителями для зашиты от коротких замыканий.
Технические данные магнитных пускателей приводятся в электротехнических справочниках.
Принципиальная схема работы однополюсного автомата максимального тока с электромагнитным расцепителем представлена на рис. 5.10.
Рис. 5.11. Общий вид (я) и электрическая схема (б) автомата А-3120:
ГК —главный контакт; ТР — тепловой расцепитель; ЭР — электромагнитный расцепитель
Если ток в катушке 7 превышает определенное, заранее установленное значение, сердечник 8 втягивается и, повернув рычаг 5, освобождает защелку 4 от зацепления с рычагом 3. Действием пружины 2 отключается подвижный контакт 1. Изменяя натяжение пружины 6, можно изменять ток срабатывания автомата. Электромагнитный расцепитель отключает линию практически мгновенно при токе, на который он отрегулирован.
В настоящее время получили большое распространение автоматические выключатели серии А-3100 и АП-50, имеющие тепловой расцепитель, осуществляющий защиту от перегрузок, и электромагнитный расцепитель, осуществляющий защиту от коротких замыканий.
На рис. 5.11 дан общий вид автомата А3120.
Технические данные установочных автоматов серии А-3100 и автоматических выключателей АП-50 приведены в [Л.4 и Л.31].
Время срабатывания тепловых расцепителей автоматических выключателей, так же как и у предохранителей, уменьшается с увеличением тока.
На рис. 5.12 представлена время-токовая характеристика автомата с тепловым и электромагнитным расцепителями. Участок кривой а — полное время отключения автоматом токов перегрузки под воздействием теплового элемента; участок б — линия средних токов, при которых начинают действовать электромагнитные элементы (отсечки); границы фактически возможных отступлений от среднего тока (±15%) находятся внутри заштрихованной зоны; в — линия времени от начала короткого замыкания до удара бойков электромагнитных элементов (0,0055 сек) по рейке расцепителя (начало отключения автомата, после чего отключение неизбежно); г — линия полного времени отключения автоматом тока короткого замыкания под воздействием электромагнитных элементов.
Из характеристики видно, что тепловые расцепители имеют обратно зависимую от тока характеристику, характеристика же электромагнитного расцепителя строго прямолинейна: время срабатывания остается постоянным при любом токе, превышающем ток срабатывания.
Автоматические выключатели изготовляются на токи от 25 до 2000 а для установок постоянного и переменного токов. При относительно небольших токах автоматы являются весьма надежным средством защиты сетей и электроприемников от перегрузок и коротких замыканий, но при значительных величинах токов короткого замыкания (2000 а и более) они не обеспечивают селективности: срабатывание происходит на всех участках сети, что нежелательно особенно для ответственных потребителей.
Рис. 5.12. Время-токовая характеристика автоматического выключателя серии А-3120
Для устранения этого недостатка электроаппаратными заводами изготовляются так называемые селективные автоматы типа AB, AC, AM на токи 400—2000 а, снабженные часовыми механизмами, позволяющими создать отстройку защиты по времени. Такие автоматы устанавливаются на головных участках электрической сети.
Харьковский (ХЭМЗ) и некоторые другие заводы изготовляют групповые щитки типа СУ-9400, СУ-9500, ПР-9000, собранные из автоматов А-3161 (однополюсные), А-3163 и Л-3110, А-3120 (трехполюсные) на различное число групп. Такие щитки, размещаемые в металлических шкафах, нашли широкое применение в осветительных и силовых сетях, где упомянутые автоматы служат как для защиты, так и для управления.
Более крупные автоматы А-3124, А-3134, А-3144, АВ и другие устанавливаются заводами Главэлектромонтажа на вводных и распределительных панельных щитах промышленных предприятий (серии ЩО, ЩД, ПО, ПД, ПРС), а также в блоках ЩСУ.
Защиту крупных электродвигателей мощностью 100 кВт и более выполняют при помощи максимальных токовых электромаг нитных реле мгновенного действия.
В некоторых случаях для защиты от перегрузки крупных электродвигателей применяются индукционные реле с обратно зависимой от тока характеристикой. .
Размещение аппаратов защиты
Аппараты защиты располагают в местах, доступных для обслуживания, и там, где невозможны их механические повреждения.
В сетях напряжением до 1000 в аппараты защиты устанавливаются в тех местах сети, где уменьшаются сечения проводников или где это требуется по условиям селективности. Вместе с тем необходимо учитывать следующее:
- Аппараты защиты устанавливаются непосредственно в местах присоединения защищаемых проводников к питающей линии. При использовании проводников с негорючей оболочкой или при прокладке их в трубах, а также при условии, что сечение проводников между питающей линией и защитным аппаратом ответвления взято не менее чем после защитного аппарата; допускается устанавливать аппараты защиты в трех метрах от питающей линии.
Для ответвлении, выполненных проводниками в трубах или проводниками с негорючей оболочкой, прокладываемыми в труднодоступных местах, длина незащищенного участка может быть до 30 м; при этом сечение их должно быть взято по расчетному току, но не менее 10%-ной пропускной способности защищенного участка линии.
- На питающих линиях и ответвлениях от них, если это признается целесообразным, допускается уменьшение сечения в следующих случаях:
а) если защитный аппарат линии защищает также участки со сниженным сечением;
б) если сечение сниженного участка не меньше половины сечения защищенного участка линии;
в) на ответвлениях от линии к электроприемникам малой мощности (светильникам, бытовым приборам и т. п.), если питающая их линия защищается аппаратом с уставкой не более 20 а.
3. Аппараты защиты могут не устанавливаться на ответвлениях к измерительным приборам и аппаратам управления и сигнализации, если эти проводники не выходят за пределы соответствующих машин и щитов или проложены в трубах, или выполнены проводниками с негорючей оболочкой. Запрещена установка аппаратов защиты в цепях управления и сигнализации, где отключение может повлечь за собой опасные последствия (например, пожарные насосы, вентиляторы взрывоопасных помещений и т. д.). Такне цепи тоже надлежит выполнять проводниками с негорючей оболочкой или прокладывать в трубах.
4. Предохранители устанавливают на всех нормально незаземленных полюсах или фазах. В нулевых и нейтральных проводниках* предохранители устанавливают только в двухпроводных цепях, в нормальных помещениях с сухими непроводящими полами, где нет квалифицированного обслуживающего персонала (например, жилые, торговые, конторские, складские помещения), а также во взрывоопасных помещениях класса В-1 (в последних для заземления кладется отдельный провод).
- Максимальные расцепители автоматов устанавливаются на всех нормально незаземленных полюсах или фазах. В трехпроводных цепях сетей с изолированной нейтралью допускается установка расцепителей в двух фазах, а в двухпроводных цепях — в одной фазе. Во взрывоопасных помещениях класса В-1 автоматы устанавливаются во всех полюсах или фазах, а также в нулевом (рабочем) проводе.
- На квартирных щитках предохранители и автоматы устанавливаются не только в фазных, но и в нулевых (в том числе заземленных) проводах двухпроводных групп. Автоматы в нулевом проводе допускается заменять выключателем, пробочным предохранителем или любым другим разъединяющим аппаратом. При наличии двухполюсного выключателя перед счетчиком и при защите квартирной сети при помощи автоматов применять защиту в нулевых проводах не требуется.
- Установка аппаратов защиты в нулевых проводах, запрещается.
- Максимальные расцепители автоматов допускается устанавливать в нейтральных проводниках, если при их срабатывании отключаются одновременно от сети все проводники, находящиеся под напряжением.
