Тепловая защита электроустановок

Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от перегрева при коротких замыканиях и длительных перегрузках.

Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединение через элементы с малым сопротивлением между проводами или другими токоведущими частями цепи. Причиной короткого замыкания может быть случайное соединение голых токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старания, износа, пробоя и т. п. При коротком замыкании резко увеличивается ток, а так как выделение теплоты в проводах пропорционально квадрату тока, то тепловое действие тока короткого замыкания может вызвать разрушение изоляции и пожар. Вместе с тем при коротких замыканиях часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами. Кроме того, короткое замыкание вызывает сильное изменение напряжения в системе, следствием чего являются снижение частоты вращения и даже остановка электродвигателей и т. д.

В табл. 17.1 приведены допустимые значения токов в проводах и кабелях в соответствии с Правилами устройства электроустановок.

Таблица 17.1. Допустимые длительные токовые нагрузки на провода и шнуры с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией и алюминиевыми жилами

Простейшим способом отключения токов короткого замыкания является использование их теплового действия в приборе защиты. Таким прибором является плавкий предохранитель. В нем основным отключающим элементом служит плавкая вставка — сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увеличении тока в защищаемой цепи свыше определенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую сниженную термическую стойкость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего она изготовляется из материала с высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (например, серебра, меди), но о малой площадью поперечного сечения.

Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка, следовательно, плавкая вставка должна иметь длину, соответствующую выключаемому напряжению; по этой причине на предохранителях кроме номинального тока указывается также и напряжение.

Существует очень большое число различных конструкций плавких предохранителей.

Для напряжений до 250 В и токов примерно до 60 А широко применяются пробочные предохранители (рис. 17.3). Такой предохранитель состоит из основания 1, в которое ввертывается сменяемая при перегорании вставка 2— так называемая пробка с резьбой, опирающаяся на неподвижный контакт 4. Пробка изготовляется из керамического материала и снабжается двумя металлическими контактами, между которыми припаивается плавкая проволока 3.

Пробочные предохранители обычно сосредоточиваются на групповых щитках. От этих щитков линии расходятся в отдельные квартиры или комнаты, части здания и т. п. На щитке все провода каждой линии должны быть защищены отдельными предохранителями (рис. 17.4). Такое сосредоточение предохранителей облегчает надзор за ними и быструю смену пробок при их перегорании.

Для тепловой защиты линий высокого напряжения применяются трубчатые предохранители различных конструкций (рис.17.5), в которых плавящаяся проволока помещена в фарфоровую трубку и имеет значительную длину. Трубка не дает разбрызгиваться расплавленному металлу, а электрическая дуга, образующаяся при плавлении проволоки внутри трубки, быстро разрывается благодаря тяге воздуха в трубке.

Номинальным током плавкого предохранителя считается тот наибольший ток, который предохранитель может выдерживать сколь угодно долгое время, не разрушаясь. Он указывается на вставке предохранителя. Ориентировочно для определения времени отключения можно пользоваться зависимостью времени плавления от отношения тока в предохранителе к его номинальному току.

Следует различать защиту электротехнических установок от коротких замыканий и защиту от длительных перегрузок. Номинальные токи плавких вставок предохранителей, служащих для защиты отдельных участков электрической сети, во всех случаях следует выбирать по возможности наименьшими по расчетным токам соответствующих участков сети. Но при этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках — пусковых токах электродвигателей и т. п.

Тепловой принцип защиты используется также в более совершенных приборах — тепловых реле. В подобных реле для срабатывания устройства обычно используется биметаллический элемент. Он состоит из двух механически скрепленных пластин, а эти пластины изготовлены из металлов с различными температурными коэффициентами расширения. На рис. 17.6 показана принципиальная схема устройства теплового реле. Нагреватель 2, включенный в защищаемую цепь, своим теплом воздействует на биметаллический элемент 1. При перегрузке в защищаемой цепи обе пластины биметаллического элемента, нагреваясь, удлиняются. Но одна из них удлиняется больше, вследствие чего биметаллическая пластина изгибается вверх и выходит из зацепления с защелкой 3. Последняя под действием пружины 4 поворачивается вокруг оси 5 по часовой стрелке и посредством тяги 6 размыкает контакты 7, отключая перегруженную сеть.

Однако тепловое реле из-за значительной тепловой инерции не обеспечивает защиту от токов короткого замыкания, поэтому необходимым дополнением теплового реле является плавкий предохранитель.