Глава третья
ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ ПЛАВКИМИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯМИ
3-1. Принцип действия плавких предохранителей, их устройство и характеристики
Плавким предохранителем называется коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством расплавления специальных токоведущих частей (плавких вставок) под воздействием тока, превышающего определенное значение, с последующим гашением возникающей электрической дуги.
Принцип действия плавкого предохранителя. Прохождение электрического тока по проводнику, как известно, сопровождается выделением теплоты, количество которой определяется законом Джоуля — Ленца:
(3-1)
где Q — количество выделенной теплоты, Дж; / — ток, проходящий по проводнику, A; R — сопротивление проводника, Ом; t —
время прохождения тока, с; 0,24 — коэффициент пропорциональности.
Этот закон, установленный в 1841 г. английским физиком Джеймсом Джоулем и независимо от него русским ученым Э. X. Ленцем, послужил основой для создания в 1880-х годах первых защитных электрических аппаратов — плавких предохранителей. Действительно, если в определенном месте электрической сети сделать участок (вставку) с меньшим сечением, а следовательно, существенно большим сопротивлением /?, то при опасном для сети увеличении тока именно на этом участке будет выделяться наибольшее количество теплоты, он будет нагреваться сильнее других участков, раньше расплавится и тем самым прекратит прохождение опасного тока и спасет другие элементы сети от повреждения. Таким участком с искусственно пониженной термической стойкостью и является плавкая вставка, наиболее важная часть плавкого предохранителя. В сетях с большими токами она изготавливается из хорошо проводящего металла с высокой температурой плавления (серебра, меди, алюминия) при относительно малом сечении провода. В сетях с малыми токами для плавких вставок применяются легкоплавкие металлы (свинец, олово, цинк).
При расплавлении (перегорании) плавкой вставки образуется электрическая дуга. Быстрое гашение электрической дуги— важнейшая задача предохранителя, поскольку только после окончания горения дуги прекращается прохождение аварийного тока по защищаемой электрической сети. По способу гашения дуги предохранители могут быть разделены на три группы:
предохранители для сетей до 1000 В с естественной деионизацией дуги, не имеющие специальных устройств для гашения дуги (СПО, П, ПТ); они сейчас не выпускаются в связи с малой отключающей способностью и большими размерами, а также по условиям техники безопасности;
предохранители с трубками из газогенерирующего материала, который обильно выделяет газы при высокой температуре горения электрической дуги; возникающие в этот момент высокое давление (в предохранителях ПР напряжением до 1000 В) или продольное дутье (в предохранителях ПСН напряжением выше 1000 В) обеспечивают быстрое гашение дуги;
предохранители с наполнителем (кварцевым песком), в которых электрическая дуга гасится в канале малого диаметра, образованном телом испарившейся плавкой вставки, между крупинками (гранулами) кварцевого песка.
Наибольшее распространение получили предохранители с кварцевым наполнителем, часто называемые кварцевыми предохранителями. К ним относятся предохранители ПН, НПН (напряжением до 1000 В) и ПК, ПКТ (напряжением выше 1000 В).
Характеристики плавких предохранителей. Процесс работы плавких предохранителей всех типов состоит таким образом из трех этапов: нагрев плавкой вставки до температуры плавления, плавление плавкой вставки и гашение электрической дуги. Полное время отключения защищаемой цепи состоит из суммы времени нагрева и плавления вставки и времени гашения дуги.
Рис. 3-1. Время-токовая (защитная) характеристика плавкого предохранителя
Кривая, показывающая зависимость времени нагрева и плавления вставки предохранителя от значения тока [^Пл = /(/)],. называется время-токовой или защитной характеристикой плавкого предохранителя (рис. 3-1). Раньше эти характеристики назывались ампер-секундными. Из рис. 3-1 видно, что при номинальном токе плавкой вставки (/ном. вс) ее время плавления равно бесконечности. Это означает, что такой ток вставка выдерживает без разрушения неограниченно длительное время. При значениях тока (1,3 -т- 2) /ном. вс плавкая вставка предохранителя плавится в течение часа. При токах, превышающих эти значения, плавкая вставка плавится тем быстрее, чем больше значение тока. Например, при токе, равном 10/Ном. вс, плавкая вставка предохранителей серии ПК имеет <пл « 0,1 с, а у предохранителей серии ПСН время /пл « 0,05 с. Это говорит о том, что крутизна защитных характеристик может быть различной в зависимости от конструкции предохранителя. Поэтому защитные характеристики <пл = f(/) приводятся в каталогах для каждого типа предохранителей и для каждого номинального тока плавкой вставки. На рис. 3-2 показаны типовые защитные характеристики токоограничивающих предохранителей типа ПК, наиболее широко применяемых для защиты силовых трансформаторов 6 и 10 кВ (каталог Электротехника СССР 02.10.01—76). Следует иметь в виду, что фактические защитные характеристики могут отличаться от типовых таким образом, что при одном и том же значении времени плавления значение тока будет на 20% больше или меньше. Иначе говоря, фактическая защитная характеристика должна изображаться в виде зоны, ограниченной характеристиками, сдвинутыми влево и вправо на 20% от средней, типовой, характеристики (рис. 3-3)* Это особенно важно учитывать при согласовании характеристик релейной защиты и предохранителей на соседних участках сети для обеспечения селективности их действия [5].
Время гашения дуги также зависит от значения тока, проходящего через предохранитель. На рис. 3-4 приведена зависимость наибольшего времени горения дуги в наиболее неблагоприятных условиях отключения для предохранителей типа ПК.
Рис. 3-2. Время-токовые (защитные) характеристики предохранителей ПК (каталог 1976 г.)
Рис. 3-4. Зависимость наибольшего г времени горения дуги от кратности тока для предохранителей типа ПК (каталог 1976 г.)
Рис. 3-3. Разброс защитных характеристик плавких предохранителей выше 1000 В
Время горения дуги /гор дано в зависимости от кратности тока /, проходящего через предохранитель, по отношению к номинальному току плавкой вставки /ном. вс. Характеристика tгор = НОМ. ВС ) является общей для всех предохранителей типа ПК независимо от значения номинального тока вставки /ном. вс (см. тот же каталог).
Таким образом, по характеристикам рис. 3-2—3-4 и им подобным можно для любого значения тока, проходящего через предохранитель, определить полное время отключения тока, или, иначе говоря, время срабатывания предохранителя:
tср = tпл + tгор. (3-2)
Устройство предохранителей. Для защиты силовых трансформаторов применяются в основном две группы предохранителей: кварцевые, т. е. заполненные мелкозернистым кварцевым песком, в котором происходит гашение электрической дуги, и стреляющие, у которых гашение дуги обеспечивается растягиванием дуги механическим путем и сильным дутьем вдоль дуги.
Кварцевые предохранители применяются, главным образом, двух типов: ПН-2 на стороне низшего напряжения трансформатора (до 660 В) и ПК на стороне высшего напряжения (6; 10 и 35 кВ). В этих предохранителях, как уже говорилось, электрическая дуга, возникшая после расплавления и испарения плавкой вставки, быстро гасится в узком канале между крупинками (гранулами) мелкозернистого кварцевого песка. Для быстрого гашения дуги необходимо, чтобы содержание кварца в наполнителе было не ниже 99%, а диаметр крупинок (зерен) находился в пределах 0,2—0,3 мм. Излишне крупные зерна или наличие примесей в кварцевом песке могут быть причиной недопустимого увеличения времени гашения дуги. Слишком мелкие крупинки могут спекаться под воздействием высокой температуры электрической дуги. Кварцевый песок должен быть сухим: допустимая влажность не более 0,5% для предохранителей ПК и не более 3% для предохранителей ПН-2. Применение влажного песка может привести к разрушению предохранителя. Для предотвращения попадания влаги в кварцевый песок патроны кварцевых предохранителей герметически закрываются.
Гашение дуги в кварцевых предохранителях происходит столь быстро, что ток короткого замыкания не успевает достичь своего максимального амплитудного значения. Поэтому кварцевые предохранители называются токоограничивающими. Токоограничивающее действие предохранителей увеличивается с увеличением кратности тока к.з. по отношению к / ном. вс. Характеристики токоограничения предохранителей типа ПК приведены в указанном выше каталоге. Они используются при выборе первичного оборудования, которое может рассчитываться на меньшие токи к.з.
Для снижения перенапряжений, возникающих в кварцевых предохранителях, применяют плавкие вставки со ступенчатыми сечениями по их длине.
Рис. 3-6. Патрон предохранителя типа ПК (разрез)
На рис. 3-5 схематично показан патрон предохранителя типа ПН-2. Патрон представляет собой квадратную снаружи и круглую внутри фарфоровую трубку 4, в которой размещены элементы плавкой вставки 3, выполненные из медной фольги с на- паями из олова и приваренные электроконтактной точечной сваркой или припаянные оловом к шайбам контактных ножей 1. Контактные ножи крепятся к крышкам 2 патрона двумя винтами. Крышки патрона крепятся к трубке. Внутренняя полость трубки заполнена сухим чистым кварцевым песком 5.
Рис. 3-5. Патрон предохранителя типа ПН-2 (разрез)
Предохранители ПН-2 имеют высокую механическую прочность, позволяющую использовать их в качестве коммутационного и защитного устройства в блоке рубильник-предохранитель.
На рис. 3-6 схематично показан патрон кварцевого предохранителя типа ПК, который состоит из фарфоровой или стеклянной трубки 5, армированной с помощью цемента 3 контактными колпачками 2. Внутри помещена плавкая вставка 4, состоящая из нескольких посеребренных медных проводов, выполненных в виде растянутой спирали и имеющих несколько ступеней разного сечения. Разделение вставки на несколько проводов облегчает гашение электрической дуги, возникающей сразу в нескольких параллельных каналах. Трубка наполнена сухим чистым кварцевым песком и герметически закрыта крышками /.
Для обеспечения отключения сравнительно малых токов перегрузки на ступени наименьшего сечения этих предохранителей напаяны оловянные шарики (на рисунке не показаны). В предохранителях, подверженных вибрации и ударам, а также при номинальном токе до 8 А включительно и на номинальные напряжения 20 и 35 кВ плавкие провода намотаны на ребристый керамический сердечник, а в остальных предохранителях провода свиты в цилиндрические спирали.
Внутри патрона размещена также нихромовая проволока 6, соединенная с указателем срабатывания 7. Во время срабатывания предохранителя эта проволока также перегорает и освобождает указатель 7, который выталкивается вниз специальной пружиной.
Предохранители ПК выпускаются как для внутренней, так и для наружной установки. У предохранителей для наружной установки в целях лучшей герметизации патронов между контактными колпачками 2 и трубкой 5 запрессовываются резиновые уплотнения.
Стреляющие предохранители типа ПСН выпускаются на напряжения 10—35 кВ. Однако для защиты трансформаторов 10 кВ они практически не применяются, главным образом из-за того, что обладают более крутой защитной характеристикой, чем предохранители типа ПК, т. е. при одном и том же значении тока к.з. предохранитель ПСН сработает существенно быстрее, чем ПК. Из-за этого трудно обеспечить селективность действия предохранителей ПСН, установленных на стороне 10 кВ трансформатора, с предохранителями или автоматическими выключателями на стороне низшего напряжения этого же трансформатора при к. з. в сети низшего напряжения. Предохранители ПСН-35 кВ по этой же причине находят применение только для защиты относительно маломощных трансформаторов (как правило, не более 1 MB-А), у которых велико сопротивление и малы значения токов к.з. за трансформатором (§ 3-4).
В стреляющих предохранителях быстрое гашение дуги обеспечивается дутьем вдоль дуги. Дутье создается газами, бурно выделяющимися при нагреве из специального газогенерирующего материала (винипласта), из которого сделана трубка патрона предохранителя. Стреляющий предохранитель работает следующим образом. При перегорании плавкой вставки освобождается специальный нож и под воздействием сильной пружины поворачивается на 90°, вытягивая за собой гибкую связь. При этом электрическая дуга растягивается в винипластовой трубке, где происходит бурное газообразование. Благодаря мощному выхлопу газов из трубки дуга гаснет при естественном переходе тока через нуль, причем тем скорее, чем больше ток к.з. и обильнее газообразование. Таким образом эти предохранители не обладают эффектом токоограничения.
Выброс газов из трубки сопровождается звуком, напоминающим выстрел, из-за чего эти предохранители и названы стреляющими. Они применяются только для наружных электроустановок. В дальнейшем предполагается называть подобные предохранители выхлопными.
У современных предохранителей ПСН плавкие вставки не защищены от воздействия внешней среды, как это выполнено в предохранителях ПК. Поэтому у ПСН плавкие вставки «стареют» даже в нормальном режиме работы и их необходимо периодически осматривать на месте или в мастерской, в соответствии с действующими инструкциями.
Более подробные сведения об устройстве предохранителей и их технические данные приведены в информациях заводов- изготовителей, а также в работе [12].
