Все электродвигатели и электроустановки должны быть надежно защищены от аварийных режимов. Защита необходима для предотвращения повреждения электрооборудования. Основные виды защит:
защита от короткого замыкания в силовой цепи или цепи управления;
защита электродвигателей от перегрузки током, длительно превышающим его номинальное значение;
защита от нежелательных последствий исчезновения и последующего восстановления напряжения в электрической цепи;
фазочувствительная защита, отключающая трехфазный двигатель при большой несимметрии напряжения или обрыве фазы.
Для зашиты электроустановок используют следующие электрические аппараты: плавкие предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле, универсальную встроенную тепловую защиту, реле максимального тока.
Защитно-отключающие устройства предназначены для защиты обслуживающего персонала в случае прикосновения к токоведущим частям и защиты изоляции при возникновении токов утечки.
Плавкие предохранители — самая простая и дешевая аппаратура защиты электроустановок от коротких замыканий. Конструктивно предохранитель представляет собой защитный корпус с помещенной внутри него плавкой вставкой, изготовленной из медной или цинковой проволоки (ленты). При прохождении тока по плавкой вставке она нагревается (выделяемая вставкой теплота пропорциональна квадрату силы тока) и, когда сила тока превышает допустимое значение, вставка расплавляется, отключая тем самым электроустановку.
Рис. 1. Защитная характеристика
На рисунке 1 показана зависимость времени сгорания плавкой вставки от тока, проходящего через предохранитель, которая называется защитной характеристикой. Защитные характеристики предохранителей нестабильны вследствие старения контактов, предварительного нагрева контактов и ряда других причин. Поэтому время срабатывания плавкого предохранителя может быть различным при одном и том же токе.
Плавкую вставку калибруют так, чтобы она перегорала только при токе, превышающем номинальный ток вставки более чем на 30...60 %. Когда ток превышает номинальный в 10 раз и более, вставка расплавляется за десятые доли секунды. Таким образом, плавкие предохранители хорошо защищают электрические цепи от коротких замыканий.
Предохранители выбирают в соответствии с номинальным током плавкой вставки. При этом для защиты электродвигателя предохранители выбирают так, чтобы плавкая вставка не перегорала при его пуске. Учитывая, что пусковой ток асинхронных электродвигателей в 5...10 раз больше его номинального тока, номинальный ток вставки должен быть выбран следующим образом:
Следовательно, плавкие предохранители не отключают асинхронные электродвигатели даже при трехкратных и больших перегрузках, т. е. они не являются средством защиты от перегрузок. Они защищают устройства, находящиеся за ними, только от длительного воздействия токов короткого замыкания.
Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для автоматического размыкания электрической цепи при возникновении в ней перегрузок и коротких замыканий, а также для нечастых включений и отключений силовых цепей с помощью соответствующих кнопок или рукояток.
Рис. 2. Автоматический выключатель:
1 — дугогасительная решетка; 2 — крышка; 3, 7 рычаги электромагнитного расцепителя; 4 — рукоятка; 5— пружина; 6— зубец расцепителя; 8— биметаллическая пластинка; 9 — катушка: 10 — гибкая связь; 11, 12— рычаги; 13, 14 — контакты
Все автоматы имеют электромагнитные расцепители, которые срабатывают при коротком замыкании, и тепловые расцепители, действующие при относительно небольших, но продолжительных перегрузках. Существует достаточно большая номенклатура автоматических выключателей различной конструкции и параметров, но принцип их действия один и тот же. На рисунке 2 показано устройство автоматического выключателя.
Вручную включают и отключают автомат с помощью рукоятки 4. Для включения автомата рукоятку переводят вниз. При этом рычаг 3 поворачивается и своим нижним концом входит в зацепление с зубцом 6 удерживающего рычага 7. Затем рукоятку 4 перемещают вверх. При этом под действием пружины 5 рычаги 11 и 72 перемещаются вверх по отношению к нейтральному положению. Автомат включается, и ток протекает через замкнутые контакты 13 и 14, гибкую связь 10, катушку 9 электромагнитного расцепителя и биметаллическую пластинку 8 теплового расцепителя.
Автоматическое отключение при коротком замыкании происходит вследствие того, что резкое увеличение тока приводит к увеличению силы притяжения якоря электромагнитного расцепителя. Под действием этой силы якорь притягивается и зубец 6 выходит из зацепления с рычагом 3. Пружина 5 поворачивает рычаг 3, рычаги 11 и 12 проходят через нейтральное положение, а контакты 13 и 14 размыкаются.
При достаточно больших токах перегрузки нагревается биметаллическая пластинка 8 теплового расцепителя. Она изгибается, ее свободный конец перемещается вниз и выводит зубец 6 из зацепления с рычагом 3.
Для отключения автомата вручную рукоятку 4 перемещают вниз. При этом конец пружины 5 также перемещается вниз, а рычаги 11 и 12 проходят через нейтральное положение, отключая контакты 13 и 14. Возникающая при размыкании контактов автомата электрическая дуга гасится в дугогасительной решетке 7. Повышенное давление внутри замкнутого объема, образованного изоляционным основанием и крышкой 2, способствует гашению дуги.
Рис. 3. Зашитая характеристика автомата
1 — без нагрузки; 2— работающего под нагрузкой
Автоматические выключатели характеризуются номинальным током теплового расцепителя и током срабатывания (отсечки) электромагнитного расцепителя. Эти значения указывают в паспорте автомата и на его корпусе. Электромагнитный расцепитель срабатывает практически мгновенно, если сила тока, протекающего через автомат, достигает значения тока отсечки, а время срабатывания теплового расцепителя при токах, меньших, чем ток отсечки, определяется согласно защитной характеристике, приведенной на рисунке 3.
По сравнению с плавкими предохранителями автоматические выключатели, являясь аппаратами многократного действия, обладают определенными преимуществами: при их использовании сокращаются простои оборудования, так как включить автомат проще и быстрее, чем заменить предохранитель; в трехфазных цепях они отключают одновременно все линии, что исключает неполнофазный режим работы.
Реле максимального тока.
Рис. 4. Схема реле максимального тока
Наиболее совершенные системы защиты электродвигателей могут быть построены на основе реле максимального тока. Реле максимального тока могут быть как контактные, так и бесконтактные. У контактного реле максимального тока открытые электрические контакты замыкаются или размыкаются при определенном значении тока, протекающего по обмотке реле. Бесконтактные реле максимального тока выполняют на базе тиристоров. У них проводимость выходного элемента (тринистора или симистора) скачкообразно изменяется при соответствующем значении тока во входной цепи.
На рисунке 4 показана функциональная схема устройства защиты электродвигателя на базе реле максимального тока. Оно работает следующим образом. С трансформатора тока ТТ на вход реле максимального тока поступает сигнал, пропорциональный току, протекающему по обмотке двигателя. Если значение этого тока превышает допустимое значение, на которое настроено реле, то на выходе реле максимального тока появляется сигнал. Этот сигнал передается на реле времени, которое осуществляет его задержку во времени на заданную величину. С реле времени сигнал поступает на коммутационную аппаратуру двигателя, и происходит его отключение от сети. Реле времени необходимо, чтобы система не срабатывала при пуске двигателя или при кратковременных перегрузках. Подобная система позволяет эффективно защищать двигатель от любых аварийных режимов.
