Методические указания

В промышленности в настоящее время применяются следующие виды защит:

· максимально- и минимально-токовая;

· тепловая и температурная;

· от исчезновения напряжения;

· нулевая и ряд других зашит.

К любой защите предъявляется ряд обязательных требований, без соответствия которым защита не может считаться надежной и безопасной. Речь идет о следующих требованиях:

· селективность – это способность защитных устройств отключать только поврежденные участки электрической цепи;

· максимальное быстродействие - позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчивость системы при аварийных режимах, обеспечить высокое качество электроэнергии.

· чувствительность – минимальное значение входного параметра, при котором происходит срабатывание защиты.

Кроме того, любая защита должна быть по возможности помехоустойчивой, простой в настройке и обслуживании.

Для реализации упомянутых выше защит используют предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле, максимальные и минимальные токовые реле, реле напряжения и другие аппараты.

2.2.1 Выбор рубильников и автоматических выключателей

Рубильники применяются для ручного отключения силовых цепей с созданием видимого разрыва цепи. Рубильники могут выполняться как с дугогасительным устройством, так и без него.

В перовом случае, рубильники позволяют осуществлять коммутацию цепей под нагрузкой. К таким рубильникам относятся рубильники серий РП, РПЦ, РПБ, ППЦ. Во втором случае рубильники применяются только в качестве разъединителей, т.е. для коммутации предварительно обесточенных цепей. К рубильникам второй группы относят, например, рубильники серий Р и П.

Выбор рубильников необходимо, в общем случае, осуществлять, исходя из следующих условий:

1. Uном ≥ Uном.сети;

2. Iном ≥ Iпрод.расч;

3. Iоткл.доп ≥ Iраб τ (в случае, если рубильник имеет дугогасительные камеры или разрывные контакты)

В указанных выше соотношениях представлены следующие обозначения: Uном –номинальное напряжение, на которое рассчитан рубильник; Uном.сети – номинальное напряжение сети; Iном – номинальный ток контактов рубильника; Iпрод.расч – продолжительно допустимый ток проводника; Iоткл.доп – предельно допустимое значение тока отключения; Iрабτ – рабочий ток цепи в момент начала расхождения дугогасительных контактов аппарата.

Технические данные некоторых трехполюсных переключателей-разъединителей представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Технические данные переключателей-разъединителей

Таким образом, были описаны основные условия выбора рубильников, переключателей-разъединителей. Кроме рубильников в настоящее время получили широчайшее распространение автоматические выключатели (автоматы), которые сочетают в себе как функции рубильников, т.е. подключение и отключение силовых цепей к питающим, так и функции защиты от различных аварийных режимов (режимов КЗ, снижения и исчезновения напряжения, изменения направления тока, перенапряжения и др.).

Как стало ясно, в автомате предусмотрены определенные устройства защиты, по сигналу которых происходит воздействие на удерживающий элемент аппарата и, как следствие, происходит освобождение его подвижной системы, которая, при срабатывании, отключает потребитель от сети. Эти устройства получили название расцепителей. Выделяют несколько наиболее распространенных видов расцепителей:

· тепловые;

· электромагнитные;

· полупроводниковые.

Кроме того, так как автоматические выключатели обеспечивают функции коммутации силовых цепей, следует отметить, что в любом автоматическом выключателе конструкцией предусмотрена дугогасительная система.

Автоматы выбирают по номинальному току, номинальному напряжению, частоте питающего напряжения, роду тока. Кроме того, учитывается максимально допустимый ток короткого замыкания. Уставки токов расцепителей определяют по следующим соотношениям:

1. Для силовых одиночных электроприемников:

— ток уставки теплового расцепителя

Iт ≥ 1,25Iн;

— ток уставки электромагнитного расцепителя

Iэм ≥ 1,2Iпуск;

где Iн – номинальный ток электроприемника;

Iпуск – пусковой ток электроприемника (в нашем случае это ток перегрузки ПЧ _{макс.пч}).

2. Для группы силовых (двигательных) электроприемников соответственно:

— ток уставки теплового расцепителя

Iт ≥ 1,1Imax;

— ток уставки электромагнитного расцепителя

Iэм ≥ 1,2(Iпуск+Imax);

где Imax – наибольший суммарный ток группы электроприемников в номинальном режиме.

Следует различать номинальный ток самого автомата – его контактов и прочих токоведущих частей – и номинальный ток встроенного в него расцепителя. Для большинства автоматов на один и тот же номинальный ток возможна установка расцепителей на меньшие номинальные токи. И такие случаи иногда встречаются на практике.

Технические данные некоторых серий автоматических трехполюсных выключателей приведены ниже.

Таблица 2.5

Технические данные автоматов серии А3700 токоограничивающих с электромагнитными расцепителями

Таблица 2.6

Технические данные автоматов серии А3700 токоограничивающих с электромагнитными и тепловыми расцепителями

Таблица 2.7

Технические данные автоматов серии А, АП, АЕ, АК

2.2.2 Выбор максимальных токовых реле

Реле максимального тока применяются в качестве защиты от коротких замыканий и ненормальных увеличений тока. Преимущества защиты, построенной на максимально-токовых реле, перед плавкими предохранителями состоит в том, что эта защита обладает многократностью действия, обеспечивая одновременное отключение всех трех фаз главной цепи, позволяет осуществить четкую отстройку защиты от пусковых и тормозных токов двигателя без снижения быстродействия и надежности срабатывания даже при малых кратностях тока короткого замыкания.

Для защиты от коротких замыканий в главных цепях двигателя с короткозамкнутым ротором катушки максимальных реле включаются во все три фазы статора. Наличие трех реле позволяет обеспечить в сетях 380 В с заземленной нейтралью защиту от однофазных замыканий на землю. В сетях же с изолированной нейтралью можно ограничиться включением реле в две фазы. При этом, в пределах одной и той же установки защиту следует осуществлять в одних и тех же фазах.

К основным техническим данным реле относятся:

· номинальный ток реле Iном.р – наибольший, длительно допустимый ток через катушку реле, не приводящей к его срабатыванию;

· ток срабатывания реле Iсраб.р – наименьший ток, при котором происходит срабатывание реле;

· ток уставки реле Iуст.р – значение тока Iсраб.р , на которое настраивается реле;

· ток возврата Iвозв.р – наибольший ток, при котором якорь реле возвращается в исходное состояние после срабатывания;

· коэффициент возврата k_в – отношение Iвозв.р/Iсраб.р. Чем ближе к единице значение k_в,, тем в более узких пределах реле будет осуществлять контроль входного параметра.

Можно рекомендовать следующий порядок выбора максимальных токовых реле:

1 Выбираем ток уставки реле в зависимости от типа асинхронного двигателя:

· с короткозамкнутым ротором — Iуст.р= (1,2 ÷ 1,3) Iпуск.дв

· с фазным ротором — Iуст.р= (2,25 ÷ 2,5) Iном.дв

2 Выбираем номинальный ток реле Iном.р

Iном.р≥ Iном.дв

В настоящее время промышленностью освоен выпуск различных серий максимально-токовых реле. Это такие реле таких серий как: РТ-40, РТ-140, РЭО-401. Кроме того, существуют максимальные токовые реле с выдержкой времени на срабатывание, такие как РТ-80, и многие другие.

Реле данных серий имеют достаточно широкий диапазон регулирования уставок срабатывания, высокий коэффициент возврата и достаточно малое время срабатывания.

Основные технические данные реле серий РТ-40 и РТ-140 представлены в таблице 2.8.

Таблица 2.8

Основные технические данные реле серий РТ-40 и РТ-140

Отличие между сериями РТ-40 и РТ-140 состоит лишь в том, что последнее выполняется в унифицированном корпусе «Сура», в остальном же эти серии идентичны.

Ниже представлены технические данные максимальных токовых реле серии РЭО-401. Хотя эти реле и предназначены для защиты асинхронных двигателей с фазным ротором, их все же можно использовать и для защиты асинхронных короткозамкнутых двигателей. Здесь основное условие – удовлетворение условиям выбор реле по току, которые были указаны выше.

Технические данные максимальных токовых реле серии РЭО-401 приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9

Основные технические данные реле серии РЭО-401

2.2.3 Выбор магнитных пускателей

Магнитный пускатель – это электрический аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверсирования и защиты асинхронных электродвигателей. Его практически единственное отличие от контакторов - наличие защиты от токовых перегрузок (тепловые реле). Выбор магнитных пускателей осуществляется исходя из следующих условий:

1. Uном ≥ Uном.сети;

2. Iном ≥ Iпрод.расч;

3. Iпред ≥ Iпуск.дв;

4. Выбор теплового реле

В указанных выше соотношениях представлены следующие обозначения: Uном – номинальное напряжение, на которое рассчитан магнитный пускатель; Uном.сети – номинальное напряжение сети; Iном –номинальный ток магнитного пускателя; Iпрод.расч – расчетный ток продолжительного режима (в нашем случае – это номинальный ток двигателя Iном.дв); Iпред – предельный включаемый и отключаемый ток.

Технические данные некоторых серий магнитных пускателей приведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10

Технические данные магнитных пускателей

Магнитные пускатели серии ПМЕ – это пускатели с прямоходовой магнитной системой и управлением на переменном токе. Напряжение от 36 до 500 В. Используются для управлениям асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Выпускаются в открытом, защищенном и пылебрызгонепроницаемом исполнениях, с тепловыми реле и без них, бывают реверсивными и нереверсивными.

Магнитные пускатели серии ПАЕ – это пускатели с управлением на переменном токе. Применяются преимущественно в станкостроении.

Выпускаются в открытом, защищенном исполнении, бывают реверсивными, нереверсивными, с тепловой защитой и без нее.

2.2.4 Выбор тепловых реле

Тепловые реле служат для защиты электроустановок от токовых перегрузок недопустимой продолжительности. Такая защита имеет огромное значение, т.к. тепловые перегрузки вызывают, в первую очередь, ускоренные старение и разрушение изоляции двигателя, что может привести к коротким замыканиям, т.е. к серьезной аварии и преждевременному выходу электрооборудования из строя.

Основой конструкции теплового реле является биметаллический элемент, который при нагреве изгибается, воздействуя на механизм переключения контактов.

Реле срабатывает, если ток перегрузки равен току уставки реле или больше него. Следует отметить, что тепловой процесс инерционен по своей природе, поэтому срабатывание реле происходит с некоторой выдержкой времени, которая тем меньше, чем больше величина перегрузок; при очень больших перегрузках реле срабатывает почти мгновенно. Однако, вследствие инерционности теплового процесса, реле не может обеспечить защиту от режима КЗ, и должно быть само защищено от него. Если этого не сделать, то реле будет нагреваться без отдачи тепла в окружающую среду и выйдет из строя до того, как успеет воздействовать на контактную систему.

При выборе тепловых реле следует ориентироваться на следующие номинальные данные:

· Номинальное напряжение реле Uном.р – наибольшее из номинальных напряжений сетей, в которых допускается применение данного типа реле;

· Номинальный ток реле Iном.р – наибольший ток, длительное протекание которого не вызывает срабатывания реле;

· Номинальный ток нагревателя Iном.нагр – номинальный ток, при длительном протекании которого через реле с данным нагревателем оно не срабатывает;

· Номинальный ток уставки реле Iном.уст – наибольший длительный ток, на который должно быть настроено реле, не вызывающий его срабатывание,

Iном.уст.мин = (0.75 ÷ 0.85) Iном.нагр

Iном.уст.макс = (1.15 ÷ 1.25) Iном.нагр.

Тепловое реле может надежно защищать электродвигатель только в том случае, если законы нагревания и охлаждения теплового элемента реле и защищаемого двигателя подобны. А это возможно лишь в длительном режиме работы при спокойном характере нагрузки. Кроме того, при выборе тепловых реле дополнительную трудность представляет влияние на работу реле температуры окружающей среды, которую необходимо учитывать.

Можно рекомендовать следующий порядок выбора тепловых реле (считаем, что работа ведется в длительном режиме, номинальная температура окружающего воздуха tокр.н., как правило, принимается равной 40°С):

1. Выбираем предварительно, что

Iном.р ≥ Iном.нагр≈ Iном.дв

2. Приводим Iном.нагр к действительной температуре окружающей среды, т.е. к tокр.

(2.1)

где δ –изменение Iном.нагр на каждые 10°С разницы величины tокр по сравнению с tокр.н. Берется из паспорта реле.

Принимаем δ в зависимости от серии реле, %:

· реле серии РТ – 6%,

· реле серии ТРП – 5%,

· реле серии ТРТ – 4%,

· реле серии ТРН – 2%,

3. Выбираем номинальное значение тока уставки Iном.уст:

Iном.уст. = Iном.дв, если t= tокр

Iном.уст. = Iном.дв/α, если t≠ tокр

4. Окончательно выбираем номинальный ток нагревателя Iном.нагр:

Выбранные таким образом тепловые реле при тщательной нагрузке будут вполне надежно защищать двигатель от нежелательных длительных перегрузок свыше 15-20%.

В настоящее время промышленностью широко выпускаются реле серий РТЛ, ТРН, ТРП, ТРТ и некоторые другие.

Технические данные реле серии РТЛ представлены в таблице 2.11.

Таблица 2.11

Основные технические данные тепловых реле серии РТЛ

Таблица 2.12

Основные технические данные тепловых реле серии ТРН

Таблица 2.13

Основные технические данные тепловых реле серии ТРТ

Таблица 2.14

Основные технические данные тепловых реле серии ТРП

2.2.5 Выбор плавких предохранителей

Предохранители – это электрические аппараты, с помощью которых осуществляется максимально-токовая защита, т.е. защита от токовых перегрузок и токов КЗ. Основными конструктивными элементами любого предохранителя являются:

· плавкая вставка – включается последовательно в цепь тока, разрывая ее при срабатывании (расплавлении);

· дугогасительное устройство - предназначено для гашения электрической дуги, возникающей при срабатывании.

При выборе плавких предохранителей необходимо обеспечить выполнение нескольких основных условий:

1. Номинальное напряжение предохранителя Uном должно быть не меньше номинального напряжения сети Uном.сети, т.е.

Uном ≥ Uном.сети

2. Номинальный ток плавкой вставки Iном.в выбирается, исходя из двух условий. Первое – несрабатывание при максимальном рабочем токе двигателя, т.е.

Iном.в ≥ Iраб.макс

Второе условие выбирается в зависимости от условий пуска.

Исходя из этого, можно записать, что номинальный ток плавкой вставки Iном.в выбирается:

· при защите электродвигателя с легкими условиями пуска (двигатели металлорежущих станков, вентиляторов, насосов и т.п. – время пуска менее 5 с.)

Iном.в ≥ Iпуск/2,5

· при защите электродвигателя с частыми пусками или большой длительностью пускового периода (электродвигатели кранов, центрифуг, дробилок – время пуска более 5 с.)

Iном.в ≥ Iпуск/(1,6÷2,0)

Кроме применения предохранителей в качестве максимально-токовой защиты двигателей, эти устройства применяются для защиты цепей управления. Как правило, цепь управления включается на межфазное напряжение. Выбор плавких вставок защиты цепей управления следует проводить следующей формулой:

(2.2)

где ΣPр – наибольшая суммарная мощность, потребляемая катушками аппаратов, сигнальными лампами и т. д. при одновременной работе, ВА или Вт;

0,1ΣPв – наибольшая суммарная мощность, потребляемая при включении катушек одновременно включенных аппаратов, ВА или Вт;

Uн – номинальное напряжение сети.

В том случае, если известны не мощности, а токи, то номинальный ток плавкой вставки можно определить по следующей формуле:

(2.3)

Из сказанного следует, что предохранители для защиты цепей управления выбираются в последнюю очередь.

Промышленностью выпускаются различные виды предохранителей для защиты силовых цепей. Например, предохранители серии ПР-2 с гашением дуги в закрытом объеме, предохранители серии ПН-2 с гашением дуги в мелкозернистом наполнителе (в кварцевом песке) и некоторые другие.

Ниже, в качестве справочного материала приведены технические данные предохранителей серий ПН-2 и ПР-2 при 500 В.

Таблица 2.15

Основные параметры предохранителей при 500В

Для защиты же цепей управления, как правило, используются слаботочные предохранители (плавкие вставки) таких серий, как: ВП, ВПТ, ВПБ, ПН, ПК, ПЦ, ПНО, а также, FU, FST, FSBT и некоторые другие предохранители.

Технические данные некоторых слаботочных предохранителей отечественного производства при 600 В приведены ниже.

Таблица 2.16

Технические данные слаботочных предохранителей

Кроме перечисленных областей применения предохранителей, их можно применять также для защиты различных полупроводниковых преобразовательных установок, в частности полупроводниковых выпрямителей и преобразователей частоты.

В связи с тем, ПЧ построен на основе кремневых полупроводниковых вентилей, возникает необходимость в применении для их защиты быстродействующих предохранителей.

При выборе быстродействующих предохранителей необходимо ориентироваться на номинальное напряжение основания предохранителя и номинальный ток плавкой вставки.

Из рис. 2.2 видно, что быстродействующие предохранители включены последовательно с тиристорами в каждом плече мостовой схемы выпрямления. Кроме того, на практике может встретиться случай с несколькими параллельно включенными тиристорами в каждом плече. С учетом всего выше сказанного можно записать следующее выражение для определения номинального тока плавкой вставки Iном.в:

(2.4)

где К_зап – коэффициент запаса по току, не менее 1,2;

λ_пч – перегрузочная способность ПЧ;

I_dн – номинальное значение выпрямленного тока;

n – число параллельно включенных тиристоров.

Наиболее распространенные предохранители, предназначенные для защиты преобразовательных агрегатов с силовыми кремниевыми полупроводниковыми вентилями – предохранители серии ПП57. Технические данные этих предохранителей приведены в таблице 2.17.

Таблица 2.17

Технические данные предохранителей серии ПП57