Защита сельских сетей от кз - Принцип действия предохранителей

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗАЩИТНЫХ АППАРАТОВ

КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Принцип действия предохранителей

Предохранитель — один из самых широко распространенных аппаратов защиты сетей напряжением 380/220 В от к. з. и перегрузок. Он предназначен для отключения опасных для защищаемой цепи токов, обусловленных к. з. или длительной перегрузкой. Предохранитель включается последовательно с защищаемой цепью и состоит из металлической плавкой вставки, контактного устройства и корпуса. Если по каким-то причинам ток защищаемой цепи увеличится до опасных для этой цепи значений, то, протекая по плавкой вставке, он сначала нагревает, а затем и расплавляет ее. Образующаяся на месте плавкой вставки электрическая дуга гасится и защищаемая цепь отключается. Для быстрого гашения в предохранителях электрической дуги почти во всех типах их конструкций предусматриваются специальные дугогасительные устройства.

Рис. 2. 1. Защитная характеристика предохранителя типа ПН2: I — ток. протекающий по предохранителю; Iв — номинальный ток плавкой вставки.

Если плавкая вставка предохранителя выбрана правильно, то отключение опасных токов произойдет, прежде чем они успеют создать в защищаемой сети опасные последствия. Поскольку для нагревания и расплавления плавких вставок требуется примерно неизменное количество теплоты, а количество теплоты, выделяемое в плавкой вставке протекающим по ней током, пропорционально квадрату его значения, то продолжительность перегорания плавкой вставки оказывается тем меньше, чем больший ток протекает по ней. Этим объясняется обратная квадратичная зависимость времени срабатывания предохранителя tср от тока, точнее было бы сказать — время нагрева вставки предохранителя до плавления, так как защитные (ампер-секундные) характеристики предохранителей учитывают только время, необходимое для нагрева плавкой вставки до начала ее плавления. Полное время срабатывания предохранителя складывается из трех составляющих: времени нагрева вставки до начала плавления, времени перехода ее из твердого состояния в жидкое и времени горения и гашения дуги.  Для кратностей токов к. з. в сельских сетях напряжением 380/220 В двумя последними составляющими можно пренебречь из-за их малости и с достаточной для практических целей точностью полагать, что время срабатывания предохранителя равно времени нагрева его вставки до плавления.

На процесс перегорания вставки (нагревание, плавление ее, горение и гашение образовавшейся на месте вставки дуги) влияет ряд других обстоятельств: температура окружающей среды, значение тока предшествующего режима, а также естественный износ (старение) предохранителя. Так как нет строгой зависимости времени срабатывания предохранителя от значения протекающего по его вставке тока, то оно обычно выражается в виде области возможных значений tср с учетом ожидаемого разброса (рис. 2.1). Определяемые по таким характеристикам параметры срабатывания могут иметь отклонения ±10% по току и ±25% по времени.
Материалом для плавких вставок служат свинец, сплав свинца с оловом, цинк, алюминий, медь, серебро и некоторые другие металлы. Опыт эксплуатации показал, что вставки из легкоплавких металлов (сплав олова, свинец, алюминий, цинк) менее практичны, чем тугоплавкие: медь и серебро. Медную вставку легко конструктивно выполнить, так как она хорошо штампуется и поддается пайке. Однако при токах, близких к номинальному току плавкой вставки, она нагревается до температуры 850...900°С, что приводит к перегреву контактов и корпуса предохранителя. Этот недостаток медных вставок в наполненных закрытых предохранителях устраняется при помощи так называемого металлургического эффекта. Если на середину вставки наплавить оловянный шарик, то при нагреве вставки до температуры порядка 230°С олово расплавляется и начинает растворять
в себе более тугоплавкий металл — медь, имеющую температуру плавления 1080°С. Благодаря этому явлению вставка в том месте, где находился шарик, перегорает, а появившаяся дуга расплавляет затем всю вставку и гасится.
По условиям гашения дуги в предохранителях все современные конструкции можно разделить на две основные группы: предохранители, обеспечивающие эффект токоограничения, и предохранители, не создающие ограничения тока. Если предохранитель не обладает токоограничивающим эффектом, то после возникновения к. з. переменный ток в цепи, нарастая по закону синуса *, достигает максимального значения и по истечении времени, необходимого для срабатывания предохранителя, становится равным нулю. При этом и после расплавления вставки аварийный ток также изменяется по закону синуса, продолжая протекать через предохранитель благодаря горению электрической дуги в нем. По истечении некоторого времени, необходимого для гашения дуги, она гасится при переходе тока через нулевое значение, то есть такой предохранитель не оказывает влияния на значение тока к. з., а только отключает его. В токоограничивающих предохранителях ток к. з. не может достигнуть своего максимального значения, так как расплавление и испарение плавкой вставки происходят почти мгновенно.
Быстрое гашение дуги в токоограничивающих предохранителях обеспечивается или за счет газов, выделяющихся из твердого дугогасящего материала под воздействием высокой температуры электрической дуги, или за счет интенсивного теплоотвода от электрической дуги мелкозернистым наполнителем (кварцевый песок). Следует отметить, что токоограничивающее действие предохранителей наблюдается, начиная только с некоторого значения тока короткого замыкания. При меньших токах токоограничивающий эффект отсутствует. В зависимости от области применения и используемого способа гашения дуги предохранители изготавливают в различных конструктивных исполнениях.

* В первые периоды после возникновения к. з. характер изменения тока несколько отличается от синусоидального закона, так как ток к. з. содержит еще и апериодическую составляющую (см. рис. 3.1).

Для защиты сетей напряжением 380/220В от к. з. и перегрузок наибольшее распространение получили предохранители типов ПР2, ПН2, НПН2-60, резьбовые пробочного типа и некоторые другие. Рассмотрим конструкцию и технические характеристики первых трех типов.

Конструкция предохранителей типа ПР2

Предохранитель типа ПР2 (рис. 2.2) состоит из фибровой цилиндрической трубки 1, к концам которой заклепками прикреплены латунные обоймы 4 с резьбой. При помощи латунных колпачков 3, навинчиваемых на эти обоймы, зажимаются контактные ножи 5. К ножам болтами прижимается плавкая вставка 2. Плавкие вставки для предохранителей типа ПР2 изготавливают из цинка. Для облегчения гашения электрической дуги они имеют суженные места. Быстрому гашению дуги способствуют и выделяемые при ее горении из стен патрона газы.
Структура обозначения предохранителей, состоящего из пяти знаков, такова: П — предохранитель, Р — разборный, 2 — условный номер разработки; последние два знака указывают климатическое исполнение и категорию размещения [2]*.
Предохранители ПР2 изготавливают однополюсными, переднего и заднего присоединения на номинальные токи до 1000 А (табл. 2.1), степень защиты от соприкосновения и попадания посторонних тел IP00, климатическое исполнение и категория размещения У4 или ХЛ4. В зависимости от длины патрона различают две модификации предохранителей ПР2 — короткие и длинные. Короткие рассчитаны на работу в сетях напряжением до 380 В включительно, длинные — до 500 В. Таким образом, в сетях напряжением 380 В можно использовать как короткие, так и длинные предохранители. 

* Буквой У обозначают исполнение электрических аппаратов для умеренного, ХЛ — холодного, Т — тропического климата. Категории размещения обозначаются цифрами: 1— для работы на открытом воздухе, 2— для работы в помещениях, где температура и влажность такие же, как и на открытом воздухе, 3— для закрытых помещений с естественной вентиляцией, 4— для работы в помещениях с искусственным регулированием климата, 5— для работы в помещениях с повышенной влажностью. Подробные сведения об обозначениях категорий размещения и климатических исполнениях электрических аппаратов приведены соответственно в ГОСТ 15150—69 и ГОСТ 15543-70.

Рис. 2. 2. Предохранитель типа ПР2:
а — предохранитель на токи 15 и 60 А; б — предохранитель на токи 100... 1000 А.

Диаметр патрона зависит от номинального тока: чем выше номинальный ток, тем больше диаметр. Как видно из таблицы 2.1, в патрон на данный номинальный ток разрешается помещать плавкую вставку с номинальным током, не превышающим номинальный ток патрона. Например, в патрон, рассчитанный на номинальный ток 60 А, можно монтировать вставки от 15 до 60 А включительно.

Рис. 2. 3. Защитные характеристики коротких 1 и длинных 2 предохранителей типа ПР2:
а — патрона на номинальный ток 15 А; б — патрона на номинальный ток 60 А; в — патрона на 100 А.
2.1. Номинальные токи и отключающая способность предохранителей типа ПР2

Контактные ножи в патронах на номинальные токи 15 и 60 А отсутствуют. Плавкая вставка в таких патронах зажимается колпачками при их завинчивании, а контакт с электрической цепью осуществляется через наружные поверхности колпачков, вставляемых в пружинные контактные стойки.
Предохранители типа ПР2 широко используются в сетях напряжением 380/220 В, особенно в комплектных трансформаторных подстанциях (КТП), через которые получают электрическую энергию сельские сети 380/220 В. Составной частью эти предохранители входят в блок предохранитель-выключатель типа БПВ-31. Такие блоки применяются в некоторых конструкциях КТП для защиты от к. з. и перегрузки отходящих от потребительских подстанций линий. Широко применяются они и для защиты от к. з. и перегрузок внутренних электрических сетей 380/220 В.
Предохранители типа ПР2 при больших токах работают с токоограничивающим эффектом. Перед некоторыми другими типами предохранителей, используемых в сельских электрических сетях, они имеют одно существенное преимущество — позволяют быстро заменить перегоревшую плавкую вставку. На рисунке 2.3 показаны зависимости времени срабатывания предохранителей ПР2 от кратности тока, протекающего по плавкой вставке.