Принцип дії плавких запобіжників - захист трансформаторів розподільних мереж

Сторінка 6 з 24

глава третя
ЗАХИСТ ТРАНСФОРМАТОРІВ плавких запобіжників
3-1. Принцип дії плавких запобіжників, їх пристрій і характеристики
Плавким запобіжником називається комутаційний електричний апарат, призначений для відключення захищається ланцюга за допомогою розплавлення спеціальних струмоведучих частин (плавких вставок) під впливом струму, що перевищує певне значення, з подальшим гасінням виникає електричної дуги.
Принцип дії запобіжника. Проходження електричного струму по провіднику, як відомо, супроводжується виділенням теплоти, кількість якої визначається законом Джоуля - Ленца:
(3-1)
де Q - кількість виділеної теплоти, Дж; / - струм, що проходить по провіднику, A; R - опір провідника, Ом; t -
час проходження струму, с; 0,24 - коефіцієнт пропорційності.
Цей закон, встановлений в 1841 р англійським фізиком Джеймсом Джоулем і незалежно від нього українським вченим Е. X. Ленцем, послужив основою для створення в 1880-х роках перших захисних електричних апаратів - плавких запобіжників. Дійсно, якщо в певному місці електричної мережі зробити ділянку (вставку) з меншим перетином, а отже, істотно більший опір /. то при небезпечному для мережі збільшенні струму саме на цій ділянці буде виділятися найбільшу кількість теплоти, він буде нагріватися сильніше інших ділянок, раніше розплавиться і тим самим припинить проходження небезпечного струму і врятує інші елементи мережі від пошкодження. Таким ділянкою з штучно зниженої термічної стійкістю і є плавкахвставка, найбільш важлива частина запобіжника. У мережах з великими струмами вона виготовляється з добре провідного металу з високою температурою плавлення (срібла, міді, алюмінію) при відносно малому перерізі дроту. У мережах з малими струмами для плавких вставок застосовуються легкоплавкі метали (свинець, олово, цинк).
При розплавленні (перегорання) плавкою вставки утворюється електрична дуга. Швидке гасіння електричної дугі- найважливіше завдання запобіжника, оскільки тільки після закінчення горіння дуги припиняється проходження аварійного струму по захищається електричної мережі. За способом гасіння дуги запобіжники можуть бути розділені на три групи:
запобіжники для мереж до 1000 В з природною Деионизация дуги, що не мають спеціальних пристроїв для гасіння дуги (СПО, П, ПТ); вони зараз не випускаються в зв'язку з малою відключає здатністю і великими розмірами, а також за умовами техніки безпеки;
запобіжники з трубками з газогенеруючого матеріалу, який рясно виділяє гази при високій температурі горіння електричної дуги; що виникають в цей момент високий тиск (в запобіжниках ПР напругою до 1000 В) або поздовжнє дуття (в запобіжниках ПСН напругою вище 1000 В) забезпечують швидке гасіння дуги;
запобіжники з наповнювачем (кварцовим піском), в яких електрична дуга гаситься в каналі малого діаметра, утвореному тілом випарувалася плавкою вставки, між крупинками (гранулами) кварцового піску.
Найбільшого поширення набули запобіжники з кварцовим наповнювачем, часто звані кварцовими запобіжниками. До них відносяться запобіжники ПН, НПН (напругою до 1000 В) і ПК, ПКТ (напругою вище 1000 В).
Характеристики плавких запобіжників. Процес роботи плавких запобіжників всіх типів складається таким чином з трьох етапів: нагрівання плавкої вставки до температури плавлення, плавлення плавкою вставки і гасіння електричної дуги. Повний час відключення захищається ланцюга складається з суми часу нагріву і плавлення вставки і часу гасіння дуги.

Мал. 3-1. Час-струмовий (захисна) характеристика запобіжника
Крива, що показує залежність часу нагріву і плавлення вставки запобіжника від значення струму [^ Пл = / (/)]. називається час-струмової або захисної характеристикою запобіжника (рис. 3-1). Раніше ці характеристики називалися ампер-секундними. З рис. 3-1 видно, що при номінальному струмі плавкою вставки (/ ном. Нд) її час плавлення дорівнює нескінченності. Це означає, що такий струм вставка витримує без руйнування необмежено тривалий час. При значеннях струму (1,3 т- 2) / ном. нд плавкахвставка запобіжника плавиться протягом години. При токах, що перевищують ці значення, плавкахвставка плавиться тим швидше, чим більше значення струму. Наприклад, при струмі, що дорівнює 10 / Ном. нд, плавкахвставка запобіжників серії ПК має <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].
Час гасіння дуги також залежить від значення струму, що проходить через запобіжник. На рис. 3-4 приведена залежність найбільшого часу горіння дуги в найбільш несприятливих умовах відключення для запобіжників типу ПК.

Мал. 3-2. Час-струмові (захисні) характеристики запобіжників ПК (каталог 1976 г.)

Мал. 3-4. Залежність найбільшого г часу горіння дуги від кратності струму для запобіжників типу ПК (каталог 1976 г.)

Мал. 3-3. Розкид захисних характеристик плавких запобіжників вище 1000 В

Мал. 3-5. Патрон запобіжника типу ПН-2 (розріз)
Запобіжники ПН-2 мають високу механічну міцність, що дозволяє використовувати їх в якості комутаційного і захисного пристрою в блоці рубильник-запобіжник.
На рис. 3-6 схематично показаний патрон кварцового запобіжника типу ПК, який складається з фарфорового або скляної трубки 5, армованої за допомогою цементу 3 контактними ковпачками 2. Всередині поміщена плавкахвставка 4, що складається з декількох посріблених мідних проводів, виконаних у вигляді розтягнутої спіралі і мають кілька ступенів різного перетину. Поділ вставки на кілька проводів полегшує гасіння електричної дуги, що виникає відразу в декількох паралельних каналах. Трубка наповнена сухим чистим кварцовим піском і герметично закрита кришками /.
Для забезпечення відключення порівняно малих струмів перевантаження на ступені найменшого перетину цих запобіжників напаяні олов'яні кульки (на малюнку не показані). У запобіжниках, схильних до вібрації і ударів, а також при номінальному струмі до 8 А включно і на номінальну напругу 20 і 35 кВ плавкі дроти намотані на ребристий керамічний сердечник, а в інших запобіжниках дроти свити в циліндричні спіралі.
Усередині патрона розміщена також нихромовая дріт 6, поєднана з покажчиком спрацьовування 7. Під час спрацьовування запобіжника цей дріт також перегорає і звільняє покажчик 7, який виштовхується вниз спеціальною пружиною.
Запобіжники ПК випускаються як для внутрішньої, так і для зовнішньої установки. У запобіжників для зовнішньої установки з метою кращої герметизації патронів між контактними ковпачками 2 і трубкою 5 запресовуються гумові ущільнення.
Стріляли запобіжники типу ПСН випускаються на напруги 10-35 кВ. Однак для захисту трансформаторів 10 кВ вони практично не застосовуються, головним чином через те, що мають більш крутий захисної характеристикою, ніж запобіжники типу ПК, т. Е. При одному і тому ж значенні струму к.з. запобіжник ПСН спрацює істотно швидше, ніж ПК. Через це важко забезпечити селективність дії запобіжників ПСН, встановлених на стороні 10 кВ трансформатора, з запобіжниками або автоматичними вимикачами на стороні нижчої напруги цього ж трансформатора при к. З. в мережі нижчої напруги. Запобіжники ПСН-35 кВ з цієї ж причини знаходять застосування тільки для захисту щодо малопотужних трансформаторів (як правило, не більше 1 MB-А), у яких велике опір і малі значення струмів к.з. за трансформатором (§ 3-4).
У стріляючих запобіжниках швидке гасіння дуги забезпечується дутьем уздовж дуги. Дуття створюється газами, бурхливо виділяються при нагріванні із спеціального газогенеруючого матеріалу (вініпласту), з якого зроблена трубка патрона запобіжника. Стріляє запобіжник працює наступним чином. При перегорання плавкої вставки звільняється спеціальний ніж і під впливом сильної пружини повертається на 90 °, витягаючи за собою гнучку зв'язок. При цьому електрична дуга розтягується в винипластовой трубці, де відбувається бурхливий газоутворення. Завдяки потужному вихлопу газів з трубки дуга гасне при природному переході струму через нуль, причому тим швидше, чим більше струм к.з. і рясніше газоутворення. Таким чином ці запобіжники не володіють ефектом струмообмеження.
Викид газів з трубки супроводжується звуком, що нагадує постріл, через що ці запобіжники та названі стріляють. Вони застосовуються тільки для зовнішніх електроустановок. Надалі передбачається називати подібні запобіжники вихлопними.
У сучасних запобіжників ПСН плавкі вставки не захищені від впливу зовнішнього середовища, як це виконано в запобіжниках ПК. Тому у ПСН плавкі вставки «старіють» навіть в нормальному режимі роботи і їх необхідно періодично оглядати на місці або в майстерні, відповідно до діючих інструкцій.
Більш докладні відомості про пристрій запобіжників і їх технічні дані наведені в інформаціях заводів-виробників, а також в роботі [12].