Эксплуатация городской сети - Защита сетей с помощью плавких предохранителей

Глава третья
ЗАЩИТА ЭЛЕМЕНТОВ ГОРОДСКОЙ СЕТИ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

1. 1. Защита сетей с помощью плавких предохранителей

 При работе городской распределительной сети возникают повреждения различных ее элементов, что приводит к нарушению нормального режима электроснабжения потребителей.
Наиболее опасный вид повреждения — короткие замыкания (к. з.), возникающие из-за нарушения изоляции сети и оборудования. В месте к. з. появляется электрическая дуга. По элементам сети к месту к. з. протекают большие токи, которые могут вызвать недопустимый перегрев неповрежденного оборудования и даже его разрушение.
Чтобы защитить неповрежденные элементы сети от разрушения при возникновении в сети к. з. или режима перегрузки, используются различные защитные устройства.
Простейшим устройством для защиты элементов сети напряжением до 1000 В являются плавкие предохранители. Их используют для защиты отдельных элементов сетей выше 1000 в.
Основной элемент предохранителя — плавкая вставка. Когда электрический ток протекает по вставке, в ней выделяется тепло, которое ее разогревает. Количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока. При коротком замыкании в сети протекает ток значительно больше номинального тока вставки, поэтому она перегорает, цепь тока разрывается и поврежденный элемент отсоединяется от сети.
К конструкции предохранителей предъявляется ряд требований. В частности, перегорание плавкой вставки должно происходить раньше, чем защищаемому элементу установки начнет угрожать опасность повреждения из-за чрезмерного нагрева; разрыв цепи тока должен осуществляться ближайшим к месту повреждения предохранителем; разрыв цепи тока плавкой вставкой не должен стать очагом повреждения и быть опасным для обслуживающего персонала.
Полное время отключения цепи тока плавкой вставкой складывается из времени ее нагревания до температуры плавления, времени расплавления вставки и горения электрической дуги. Это время определяется конструктивными особенностями предохранителя.
Защитной или время-токовой характеристикой предохранителя называется кривая, выражающая зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока, протекающего через предохранитель.
Номинальный ток Iном плавкой вставки определяется условиями ее калибровки и маркируется на ней заводом-изготовителем. Согласно действующим требованиям, калибровка вставок производится по максимальному и минимальному испытательным токам. При максимальном испытательном токе, равном 1,6 Iном, вставка должна перегореть менее чем через 1 ч. При минимальном токе, равном 1,3 Iном плавкая вставка не должна перегорать в течение 1 ч.
Номинальным током предохранителя называется наибольший длительный ток, на который рассчитаны его токоведущие части. Отметим, что номинальный ток плавкой вставки может не соответствовать поминальному тока предохранителя. Он всегда меньше или равен последнему.
Предохранители устанавливаются для защиты отдельного элемента или группы элементов сети. В результате при протекании тока оказываются включенными последовательно предохранители с плавкими вставками, имеющими различные номинальные токи.
При возникновении в сети к. з, или перегрузки должны перегорать вставки, расположенные ближе к месту повреждения, с тем чтобы отключался только поврежденный элемент сети. Этим обеспечивается бесперебойность работы остальных элементов. Такое действие, когда перегорает плавкая вставка ближайшего к месту повреждения предохранителя, называется избирательным (селективным). Обеспечение избирательной работы предохранителей производится соответствующим выбором их номинальных токов по защитным характеристикам плавких вставок.
Плавкие вставки предохранителей современных конструкций выполняются, как правило, из меди. Медь хорошо обрабатывается, имеет достаточную механическую прочность и обеспечивает высокое качество контактов.
В режиме перегрузки может возникнуть длительное протекание через плавкую вставку тока несколько большего, чем номинальный, что приводит к нагреву вставки до 700—900° С. В результате нагрева может произойти нарушение контактной системы, а у предохранителей закрытого типа — разрушение патрона, в котором находится плавкая вставка. Разрушение патрона представляет опасность для обслуживающего персонала. Для избежания этого в современных предохранителях используется явление так называемого металлургического эффекта.
С этой целью посредине плавкой вставки напаивается шарик из легкоплавкого металла, обычно из олова. При определенной температуре олово способно растворять в себе медь. Поэтому, когда вставка нагревается до температуры плавления олова, которая значительно ниже температуры плавления меди, происходит одновременно плавление олова и растворение в нем меди. Медная вставка в месте размещения шарика быстро перегорает при относительно малом нагреве предохранителя и его контактов.
Для создания более надежных условий работы предохранителя и усиления металлургического эффекта в современных предохранителях плавкая вставка выполняется из нескольких тонких пластин или проволок малого диаметра. В результате полностью исключаются перегрев и разрушение предохранителя при перегорании плавкой вставки.
При протекании токов короткого замыкания нагрев плавкой вставки происходит очень быстро и действие металлургического эффекта не проявляется. Практически разогрев и плавление вставки происходят без отдачи тепла контактам и патрону предохранителя.
В распределительных сетях 0,38 кВ основное применение находят закрытые предохранители типа ПН-2 (предохранители насыпные). Они предназначены для защиты элементов сетей от токов к. з. и недопустимых длительных токовых перегрузок. Предохранители имеют закрытый разборный патрон и выпускаются пяти габаритов на номинальные токи от 100 до 1000 А. Характеристики предохранителей ПН-2 указаны в табл. 3-1. Значение предельного отключаемого предохранителем тока (при напряжении до 500 В и cosφ≥0,2) есть эффективное значение протекающего в первый период по цепи тока при накоротко зашунтированном предохранителе. Предельные токи отключаются предохранителем надежно, без звуковых эффектов, без выброса пламени и дыма. Предохранители на 100 и 250 А при отключении тока 5000 А и выше работают как токоограничивающие. Последнее означает, что они отключают цепь в течение первой четверти периода, до того как ток короткого замыкания достигает своего амплитудного значения.

Таблица 3-1
Характеристики предохранителей ПН-2

Конструкция предохранителя ПН-2 на 400 А показана на рис. 3-1. Предохранитель состоит из патрона 3 и двух контактных стоек 1 с выводами для присоединения. Патрон смонтирован с использованием квадратной снаружи и круглой внутри фарфоровой трубки 6. Трубка с торцов закрыта крышками 4, к которым винтами крепится плавкая вставка 8. Внутренняя полость патрона заполнена кварцевым песком 7.
Плавкая вставка является сменной частью патрона. Она штампуется из медной ленты и может состоять из одной или нескольких полосок, которые по длине имеют два отверстия, создающие местное уменьшение сечения вставки.
Металлургический эффект обеспечивается наплавленными в средней части вставки оловянными шариками 5. Конструкция плавкой вставки при относительно малых объеме и массе металла обеспечивает сравнительно низкую рабочую температуру вставки, необходимое быстродействие при больших кратностях протекающего через вставку тока и достаточную выдержку при относительно малых перегрузках.

Рис. 3-1. Предохранитель ПН-2

Необходимый контакт ножей патрона с губками контактных стоек обеспечивается пружинящими стальными кольцами 2. Длина патрона принимается одинаковой для всех указанных в табл. 3-1 предохранителей. Установка и снятие патронов производятся с помощью одной унифицированной для всех предохранителей съемной ручки.

Предохранители допускают многократную зарядку патрона после его срабатывания. Перезарядка осуществляется путем замены перегоревшей плавкой вставки и отработанного песка и обеспечивает полное восстановление работоспособности предохранителя.
Как отмечалось, работа предохранителя определяется его защитной характеристикой. При этом для общей оценки серии предохранителей их защитная характеристика определяется в зависимости не от значения протекающего через вставку тока, а от его кратности, т. е. отношения значений протекающего тока к. з. Iк.з и номинального тока плавкой вставки Iв. Такая обобщенная характеристика предохранителей ПК-2 показана на рис. 3-2. Из кривой видно, что предохранитель ПН-2 отключает двукратный по отношению к номинальному ток плавкой вставки приблизительно через 150 с (2,5 мин), пятикратный ток — через 1,0 с, десятикратный — через 0,05 с и т. д.
При построении характеристик обычно ориентируются на средние значения времени отключения при данном токе. При этом имеется в виду, что работа плавких вставок весьма нестабильна вследствие производственных допусков при их изготовлении, качества контактов, старения вставок в процессе эксплуатации и т. д. Отклонения от среднего времени плавления вставки достигают ±50%.

Защитная характеристика предохранителя должна представляться не одной линией, а в виде зоны, в пределах которой при данном токе может находиться возможное время отключения (см, рис. 3-2, где штриховыми линиями ограничены практические отступления от средней характеристики рассматриваемых предохранителей). Таким образом, возможное время
отключения предохранителей ПН-2 при двукратном токе будет находиться в пределах от 90 до 300 с (от 1,5 до 5 мин), при пятикратном токе — от 0,4 до 1,8 с и т. д. Это обстоятельство следует принимать во внимание при необходимости обеспечения избирательной работы предохранителей.
В процессе решения вопросов защиты конкретных элементов сети может возникнуть необходимость в рассмотрении характеристик каждой отдельной плавкой вставки. Семейство таких характеристик с учетом зоны разброса в зависимости от протекающего через предохранитель тока для плавких вставок предохранителей ПН-2 приведено на рис. 3-3. Параметры предохранителя выбирают в зависимости от режима работы защищаемого элемента сети. В частности, номинальный ток плавкой вставки предохранителей для защиты линий и трансформаторов городских сетей 0,38 кВ выбирается в соответствии с их пропускной способностью и номинальной мощностью. Естественно, что при этом максимально возможный ток короткого замыкания в данной сети для предохранителей ПН-2 не должен превосходить указанных в табл. 3-1 предельных отключаемых токов.
Если возникает необходимость в согласовании работы предохранителей, следует учитывать разбросы защитных характеристик плавких вставок. Применительно к рис. 3-4 и типовой характеристике рис. 3-2 условия избирательности предохранителей ПН-2 могут быть сформулированы следующим образом.
При протекании одинакового тока к. з. через последовательно установленные предохранители фактическое время отключения предохранителя, имеющего больший номинальный ток и установленного для защиты группы линий, должно быть больше фактического времени отключения предохранителя, имеющего меньший номинальный ток и установленного для защиты любой из отходящих линий. Таким образом, при наличии двух предохранителей с номинальными токами должно удовлетворяться условие tф.б≥tф.м.

Необходимо учитывать, что фактическое время большего предохранителя может оказаться на 50% меньшим определяемого средней характеристикой рис. 3-2. Для меньшего предохранителя следует учитывать отклонение в другую сторону, т. е. увеличение фактического времени отключения на 50% против указанной характеристики. В таком случае будут учтены самые неблагоприятные условия, имея в виду возможные отклонения от средней характеристики плавких вставок, в пределах штриховых линий рис. 3-2.
Следовательно, для обеспечения избирательности необходимо выполнить условие  где индекс «х» означает, что время отключения предохранителей принимается по рассматриваемой защитной характеристике рис. 3-2.  Из последнего неравенства получаем окончательное условие, при котором обеспечивается избирательная работа предохранителей:



Рис. 3-4. Направление протекания тока к. з.

Надежная избирательность обеспечивается, если время отключения большего предохранителя превышает время отключения предохранителя с меньшим номинальным током в три раза.
Практически можно исходить не из максимальных возможных отклонений ±50% характеристики плавких вставок, а из среднего значения, принимая эту величину в пределах ±25%, т. е. учитывая аналогичные отклонения для одного предохранителя ±25%, а для второго —25%. Принимая во внимание такие условия, в табл. 3-2 приведены номинальные параметры предохранителей ПН-2, в зависимости от кратности тока, протекающего через плавкие вставки с меньшим номинальным
током, при последовательной установке которых обеспечивается избирательная работа.
Например, при кратности тока короткого замыкания 10— 20, протекающего через плавкую вставку с номинальным током 150 А, номинальный ток большей вставки должен быть принят не менее 200 А. При этом будет обеспечиваться избирательная работа указанных предохранителей.

Таблица 3-2
Расстановка предохранителей, обеспечивающая избирательную работу защиты

В четырехпроводных сетях напряжением 0,38 кВ с наглухо заземленной нейтралью выбор предохранителей не может ограничиваться условиями предельного отключаемого тока и селективностью перегорания плавких вставок. Согласно ПУЭ, в таких сетях, с целью обеспечения автоматического отключения поврежденного участка сети, заземляющие (нулевые) проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на землю или на нулевой провод возникал ток к. з., превышающий номинальный ток плавкой вставки ближайшего к месту повреждения предохранителя не менее чем в три раза.
Таким образом, выбранная плавкая вставка с номинальным током должна быть проверена по условию:

где Iк.з— минимальный ток однофазного короткого замыкания, определяемый значением полного сопротивления петли проводов фаза—нуль до места повреждения.
Рассматриваемый ток к. з. определяется по приближенной формуле:

где Uф — фазное напряжение сети, В; Ζт — полное сопротивление трансформатора току замыкания на корпус, Ом; — полное сопротивление петли фазный — нулевой провод линии, Ом.
В свою очередь,

где rп и хп — активное и индуктивное сопротивления прямого и обратного проводов, Ом.
Значения полных сопротивлений петель фаза — нуль для кабельных и воздушных линий напряжением до 1000 В указаны в табл. 3-3. Аналогичные значения для алюминиевых трехжильных кабелей в алюминиевой оболочке при использовании последней в качестве нулевого провода будут:

Значения расчетных полных сопротивлений понижающих трансформаторов напряжением 6—10 кВ для однофазного замыкания, соединения обмоток трансформатора звезда—звезда, приведенных к напряжению 400 В, следующие:

Для трансформаторов с напряжением вторичной обмотки 230/133 В значения сопротивлений в три раза меньше. Сопротивление трансформаторов с соединением обмоток треугольник — звезда, а также мощностью 630 кВ·А и выше, в расчетах можно не учитывать.

Таблица 3-3
Сопротивление петли фаза—нуль

Располагая характеристиками рассматриваемого участка сети 0,38 кВ (в частности, мощностью трансформатора и параметрами линии), с помощью приведенных данных легко определить значение минимального тока однофазного замыкания. Если оно больше утроенного значения номинального тока плавкой вставки, то работа предохранителей в режиме однофазного замыкания может считаться обеспеченной.

Таблица 3-4
Максимально допустимая длина четырехжильных кабельных линий с алюминиевыми жилами, м

Таблица 3-5
Максимально допустимая длина воздушной ЛЭП с алюминиевыми жилами, м

В противном случае необходимо устанавливать плавкую вставку на меньший номинальный ток или принимать меры к увеличению расчетного значения тока однофазного замыкания. Последнее достигается увеличением сечения нулевого провода, изменением конфигурации или параметров сети и т. д.
В табл. 3-4 и 3-5 даны значения максимально допустимой длины линии с алюминиевыми жилами в зависимости от мощности трансформатора и номинального тока плавкой вставки, при которых обеспечивается работа предохранителя в режиме однофазного замыкания.
Если фактическая длина линии меньше табличных значений, то надежная работа предохранителей обеспечивается. В противном случае следует рассматривать меры по ее обеспечению.