Методы и средства защиты от токовых перегрузок

В общем случае способы и реализация зашиты от перегрузок зависят от вероятности их проявления. Так. если вероятность кратковременных самоликвидирующихся перегрузок велика, целесообразно использовать ограничение или отключение тока перегрузки е последующим автома­тическим восстановлением цепи питания. И, наоборот, если характер перегрузки в основном постоянный (например, устойчивое короткое замыкание), то предпочтительно отключение тока перегрузки без после­дующего восстановления питания.

Ограничение величины тока как метод защиты находит узкое применение, поскольку реальные характеристики ограничителей существенно отличны от идеальных. Простейшим примером токоограни- чивающего защитного средства может служить нить лампы накаливания. На ряде дорог для резервирования и контроля плавких предохранителей используют электровозные прожекторные лампы типа ПЖ50-500 (на напряжение 50 В и мощность 500 Вт). В холодном состоянии они имеют сопротивление нити 0,45 Ом, в горячем (полный накал) - 5 Ом, а при токе 3 А — около 1 Ом. Лампы подключают параллельно плавким предохра­нителям. При перегорании предохранителя и самоликвидации перегрузки ток через нить лампы продолжает проходить через нагрузку, сохраняя ее функционирование. Если же причиной перегрузки стало устойчивое короткое замыкание, то нить лампы нагревается, а ее сопротивление увеличивается, ограничивая ток короткого замыкания. Однако из-за того, что сопротивление увеличивается лишь в несколько раз, ограничение тока в раде случаев оказывается недостаточным, и возможен перегрев проводов. Поэтому при проектировании устройств электропитания средств автоматики и телемеханики ограничение тока как метод защиты применяют лишь в специфических устройствах, например в устройствах, питающих рельсовые цепи, а ограничителями служат, как правило, линейные сопротивления, так как они проще и надежнее.

Отключение перегруженной цепи с последующим автоматическим включением применяют в высоковольтных линиях электроснабжения устройств автоматики, телемеханики и связи. При этом токовую отсечку и максимальную токовую защиту используют в сочетании с автомати­ческим включением резервного источника питания и автоматическим повторным включением (АПВ). По принципу действия токовая отсечка и максимальная токовая защита одинаковы и срабатывают от превышения тока нагрузки над ycraновленным порогом токовых реле. Разница состоит в методе селекции. Токовая отсечка реагирует на ограниченную зону высоковольтной линии, в пределах которой может произойти короткое замыкание, и отсекает ее от смежной зоны при коротком замыкании.

Максимальная токовая защита в качестве порога имеет ток, несколько превышающий максимальный рабочий ток, а селективное отключение ближайшей к месту перегрузки зоны осуществляется с помощью выдержки времени (чем ближе находится выключатель к месту перегрузки, тем меньше выдержка времени). Ступени выдержки времени обычно принимают равными 0,4...0,6 с.

В низковольтных цепях питания сигнальных установок автоблокировки предусматривают автоматические выключатели многократного действия типа АВМ (рис. 1), имеющие в качестве рабочего органа биметал­лическую термопластину, снабженную подпружиненным контактным размыкателем. При протекании тока перегрузки через биметаллическую пластину последняя изгибается и полукольцевой пружиной резко размыкает контакты, включенные последовательно с нагрузкой. Поскольку перегруженная цепь разрывается этими контактами, ток прекращает протекать через биметаллическую термопластину. Остывая, она принимает первоначальную форму и полукольцевой пружиной замыкает контакт. Время размыкания контактов автоматического выключателя многократного действия типа ABM-1 составляет 2 мин при двукратном номинальном токе и температуре 20 С, а время автомати­ческого обратного включения — 1 мин при той же температуре.

Для зашиты от токовых перегрузок низковольтных цепей питания наиболее широко применяют предохранители с плавкими вставками (рис. 2), которые отключают перегруженную цепь без последующего автоматического восстановления, а также предохранители с подпружи­ненными контактами и магнитными или тепловыми расцепителями.

В качестве характеристик плавких предохранителей обычно указывают номинальный и предельный токи, а также ток плавления. Током плавления принято считать такой, который расплавляет плавкую вставку в течение 10 с. При предельном токе плавкая вставка не должна расплавляться в течение 20 мин. Необходимо, чтобы номинальный ток не приводил к плавлению вставки в течение неограниченного времени. Например, предохранитель на номинальный ток 1 А имеет предельный ток 1,5 А и ток плавления 2...2,3 А.

На поминальный ток до 0,4 А включительно в качестве плавких вставок предохранителей используют константановую проволоку, а на большие токи — красно-медную проволоку. Предохранители на номи­нальный ток до 5 А изготавливают с контролем перегорания (при пере горании вставки подпружиненный стержень опускается и замыкает сигнальные контакты). Чтобы контролировать перегорание предохра­нителей на большие номинальные токи, параллельно им подключают предохранители на I А с плавкими вставками из константановой проволоки и контролем перегорания.

Рис. 1. Выключатель автоматический многократного действия типа АВМ-1

В устройствах связи применяют линейные трубчатые теплоемкие плавкие предохранители тина СН или СК (С спиральная нить, Н — ножевой контакт, К — конический контакт). Они представляют собой стеклянную трубку (рис. 3), заканчивающуюся ножевыми или коничес­кими контактами, внутри которой помешены две спиральные пружины из стальной проволоки диаметром 0,4 мм, спаянные между собой легко­плавким припоем. Другие два конца пружин под натягом припаяны к контактам на концах стеклянной трубки. При прохождении через предохранитель предельного тока припой расплавляется, и спиральные пружины силой упругости разрывают перегруженную цепь. Время расплавления припоя зависит от величины тока. Например, для предохранителя типа СН-1 на номинальный ток 1 А ток 2 А вызывает рас­плавление припоя через 20 с, а ток 6 А расплавляет припой через 2 с.

Рис. 2. Предохранитель банановый на цоколе с контролем перегорании типа 20876М

Рис. 3. Линейные трубчатые теплоемкие предохранители а — с ножевыми (СН-1) наконечниками; б— с коническими (СК-1,0-54)

Нелинейная функция времени срабатывания от тока любого плавкого предохранителя обусловлена тепловой инерционностью расплавления плавкой вставки и является, как правило, его положительным свойством, поскольку позволяет отделить кратковременные перегрузки от мощных импульсных помех, при которых плавкая вставка предохранителя должна оставаться целой, от длительных перегрузок (например, коротких замыканий), при которых предохранитель должен сработать. Путем подбора материала плавкой вставки, ее конструкции можно целе­направленно управлять тепловой инерционностью предохранителя, получая заданную селективность отключения перегруженных цепей.

Основная часть коротких замыканий происходит в цепях напря­жением 220 В по причине выхода из строя аппаратуры, прожога плат реле и клеммных колодок, феррорезонансных явлений в сети. Особенно часто это происходит в напольных устройствах. В то же время на основании анализа отказов срабатывание устройств защиты в низковольтных цепях вызывают в основном кратковременные перегрузки или неисправности самих предохранителей.

Самовосстанавливающиеся предохранители. Разработаны и представлены на рынке восстанавливающеся предохранители многоразового действия на основе полимеров с положительным нелинейным температурным коэффи циентом (ПТК) (при увеличении температуры материала возрастает электрическое сопротивление). Как и традиционные, такие предохранители срабатывают при превышении величины тока в цепи относительно некоторого выбранного номинального значения. Но в отличие от традиционных предохранителей, которые используются только один раз с последующей заменой, восстанавливающиеся предохранители при определенных условиях автоматически восстанавливают свои свойства, сокращая таким образом время отключения потребителя, а также расходы на иx обслуживание и ремонт. Будучи полимерными устройствами, восстанавливающиеся предохранители, кроме этого, имеют низкое сопротивление, лучшую прочность при механических ударах и вибрации, обеспечивают надежную защиту в широком диапазоне условий применения.

Первые элементы самовосстанавливающихся предохранителей появились в 1980 г. и предназначались для защиты никель-кадмиевых аккумуля­торных батарей от повреждения большими токами заряда/разряда.

Рассмотрим устройство и принципы работы этих предохранителей.

Сопротивление материалов, подверженных фазовому превращению, может очень резко возрастать (в диапазоне от 10⁴ до 10⁷ Ом) в узком диапазоне температур. Такая характеристика свойственна определенным типам токопроводящих полимеров. Полимерный восстанавливающийся предохранитель с ПТК включается в электрическую цепь последовательно с нагрузкой. Он обеспечивает защиту цепи, переходя из состояния с низким в состояние с высоким сопротивлением, таким образом реагируя на перегрузку по току. Этот процесс называется срабатыванием предохра­нителя. Такое изменение состояния элемента - результат быстрого повыше­ния температуры токопроводящего полимера прибора, обусловленного внутренней теплогенерацией при нагреве. Полимерный материал прибора с ПТК представляя собой кристаллическую решетку органического полимера (полиэтилена), содержащую рассеянные токопроводяшие частицы сажи в виде цепочек. Резкое повышение сопротивления обусловлено фазовым превращением в материале.

В нормальном режиме работы, т.е. в холодном состоянии, материал является в основном кристаллическим, причем его токопроводяшие частицы как бы втиснуты в аморфные области между мелкими кристаллами. Тепло, генерируемое элементом, и тепло, рассеи­ваемое в окружающей среде, находятся в равновесии при относительно низкой температуре.

При возрастании тока, проходящего через элемент, и сохранении постоянной температуры окружающей среды тепло, генерируемое элементом, увеличивается. Возрастает также и температу­ра элемента. Однако, если увеличение тока не слишком велико, вся генерируемая теплота может быть рассеяна в окружающей среде и элемент останется в устойчивом состоянии при более высокой темпе­ратуре. Если возрастает не ток, а температура окружающей среды, элемент также стабилизируется в устойчивом состоянии при более высокой температуре.

При дальнейшем увеличении тока или повышении температуры окружающей среды или при одновременном воздействии этих факторов температура элемента увеличивается. При любом дальнейшем увеличении тока или повышении температуры окружающей среды скорость генерации тепла в элементе превышает возможную скорость его рассеивания в окружающей среде. При этом возрастает объем аморфной фазы и разрушается структура токопроводящих цепочек, что вызывает резкое увеличение сопротивления элемента. На этой стадии даже небольшое изменение температуры приводит к очень значительному (до 10⁷ Ом) увеличению сопротивления, что. в свою очередь, вызывает соответствующее снижение тока и защиту электрической цепи от повреж­дения.

В течение периода, пока приложенное напряжение достаточно высоко, элемент остается в активном состоянии (т.е. обеспечивает защиту), причем температура элемента достигает предельного значения 120... 130 °С.

При снижении напряжения до уровня, при котором количество теплоты, генерируемое элементом, и теплоты, рассеиваемой в окружающей среде, уже не компенсируют друг друга, происходит разрушение полимерных изолирующих участков, и элемент переключается в исходное состояние (восстанавливается). При последующих срабатываниях рабочее сопротив­ление предохранителя равно исходному рабочему сопротивлению. Макси­мальное время возврата в состояние с низким сопротивлением от сотых долей секунды до нескольких секунд, в зависимости от величины тока, вызвавшего срабатывание предохра­нителя. Число срабатываний восстанав­ливающихся предохранителей возможно до 3000 циклов. Предохранители рас­считаны на применение в диапазоне температур от -40 °С до +85 °С и при относительной влажност и окружающей среды до 95 %. Их можно использовать в цепях переменного тока с частотой до 100 МГц.

Общий внешний вид полимерного восстанавливающегося предохранителя корпорации Raychem (для

типа RUE500 на номинальный ток 5 А и напряжение 30 В; С =14 мм, В=25 мм) показан на рисунке, а основные рабочие характеристики предохранителей этой фирмы приведены в табл. 1.

Из принципа работы восстанавливающихся предохранителей следует, что для восстановления рабочего состояния необходимо принудительно снижать ток через них путем кратковременного отключения либо шунтиро­вания приборов, nocколькy после устранения перегрузки сопро­тивление нагрузки защищаемых цепей, как правило, ниже, чем это необходимо для автоматического процесса восстановления.