Нарушение нормального режима работы системы электроснабжения и отдельных потребителей может быть вызвано перегрузками и короткими замыканиями.

К аппаратам отключения аварий в сетях напряжением до 1 кВ относятся плавкие предохранители и автоматические выключатели. В таких сетях выбор защитной аппаратуры должен отвечать следующим условиям:

1. Номинальные напряжения и токи аппаратов защиты должны соответствовать номинальному напряжению и расчетному току нагрузки.

2. Аппараты защиты должны быть быстродействующими и надежно отключать токи КЗ.

3. Должна обеспечиваться надежная чувствительность аппаратов защиты ко всем видам КЗ.

4. Должна выполняться защита от перегрузок. В то же время при пуске и самозапуске электродвигателей аппараты защиты не должны срабатывать.

5. Защита должна обладать избирательностью – отключать только поврежденный элемент.

Защита плавкими предохранителями.Защитное действие предохранителя основано на перегорании плавкой вставки, расплавляющейся под действием протекающего по ней тока, если он превышает номинальный ток плавкой вставки. Плавкая вставка не должна перегорать в нормальном режиме работы и при кратковременных перегрузках защищаемого элемента электроустановки. Недостатки таких предохранителей:

старение плавкой вставки, результатом чего являются ложные перегорания вставок в пусковых режимах двигателей;

перегорание плавкой вставки в одной фазе при однофазных КЗ, что создает опасный режим работы двигателей на двух фазах и может вызвать остановку двигателя. Если же он продолжает вращаться, то фазный ток возрастает в 1,5 – 2 раза;

плавкая вставка однократного действия;

плавкие предохранители не защищают двигатели от перегрузок.

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока, для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 4.1) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 1). Однако реальная характеристика предохранителя (кривая 3) пересекает кривую 2. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает. 

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током I_погр.

Рис. 4.1. Согласование характеристик предохранителя

        и защищаемого объекта

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе I_ном, необходимо I_погр < I_ном. С другой стороны, для лучшей защиты значение I_погр должно быть возможно ближе к номинальному. При токах, близких к пограничному, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления. В связи с тем, что время плавления вставки при пограничном токе велико (более 1 ч) и температура плавления ее материала составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высоких температур. Происходит тепловое старение плавкой вставки.

В настоящее время в качестве материала плавкой вставки начали применять алюминий. Пленка оксида на поверхности вставки защищает алюминий от коррозии и делает характеристику предохранителя стабильной. Большее удельное сопротивление материала компенсируется увеличением сечения вставки. Алюминий имеет температуру плавления ниже, чем у меди (658 °С против 1083 °С).

Амперсекундные характеристики предохранителей (рис. 1) со вставками постоянного сечения из легкоплавкого металла хорошо согласуются с характеристиками силовых трансформаторов и других подобных объектов. Это объясняется низкой температурой плавления, стойкостью против коррозии, малой теплопроводностью материала таких вставок.

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, высокой температуры плавления и большого отношения I_погр/I_ном в области малых перегрузок не обеспечивает защиту объекта (область А, рис. 1).

Номинальное напряжение предохранителя должно быть равно или больше номинального напряжения электрической сети. Номинальный ток патрона и плавкой вставки выбирают по расчетному току защищаемой цепи и отстраивают от токов кратковременной допустимой перегрузки, пусковых и пиковых токов электроприемников:

I_н > = I_p ∙I_n> = I_п/K_дп,

где I_р — расчетный ток защищаемой цепи; I_п — расчетный ток перегрузки, пусковой ток, пиковый ток – для узла нагрузок: K_дп — коэффициент, учитывающий длительность перегрузки.

Защита автоматическими выключателями.В настоящее время для защиты сетей и электрических приемников от повреждений, вызываемых током, превышающим допустимую величину, все шире применяются автоматические выключатели. Они служат для проведения, включения и автоматического размыкания электрических цепей при аномальных явлениях (например, при токах перегрузки, коротких замыканиях (КЗ), недопустимых снижениях напряжения), а также для нечастого включения цепей вручную. Выключатели выпускаются с тепловыми, электромагнитными и комбинированными (тепловыми и электромагнитными) расцепителями с различным числом полюсов — одним, двумя и тремя.

Автоматические выключатели с электромагнитными расцепителямиприменяются для защиты сети и электрического приемника от повреждений, вызываемых током короткого замыкания, действующим даже кратковременно (рис. 4.2, а.)

Контакт главной цепи замыкается нажатием на кнопку или поворотом рукоятки и удерживается в замкнутом положении защелкой 3. Как только ток в защищаемой цепи превысит определенную величину, сердечник 6 втянется в катушку 5 и через рычаг 4 освободит защелку 3. Под действием пружины 1 контакт 2 разомкнётся. Практически контактов может быть два или три, столько же может быть и катушек 5 с сердечниками 6. Всё сердечники при втягивании действуют на одну и ту же защелку 3. Увеличение тока в любом проводе (катушке) до величины, превышающей величину установки тока срабатывания, влечет за собой размыкание всех главных контактов.

Электромагнит с механизмом отключения называется электромагнитным расцепителем. Время отключения автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями незначительное (доли секунды), поэтому они относятся к аппаратам максимальной защиты мгновенного действия.

Преимущество автоматических выключателей перед плавкими предохранителями состоит в том, что они обладают многократностью действия.

Возникающая при размыкании цепи электрическая дуга гасится в воздухе или масле. В цепях с напряжением до 500 В применяются в основном воздушные выключатели.

Рис. 4.2. Схема автоматического выключателя:

а — с электромагнитным расцепителем;

б — с тепловым расцепителем

Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями. Если две металлические пластины с различными коэффициентами расширения наложить одну на другую и прочно соединить вместе, получится биметаллическая пластина. При нагревании она деформируется выпуклостью в сторону активного слоя металла. Активным называется слой металла, обладающий большим коэффициентом расширения. Другой слой называют пассивным. Активный слой делают из стали, а пассивный — из инвара (сплав, состоящий из 64 % железа и 36 % никеля). Коэффициент линейного расширения инвара в 12 раз меньше стали.

Если один конец биметаллической пластины закрепить, то другой при нагревании будет изгибаться в сторону пассивного слоя. Это свойство пластины используется для освобождения защелки автоматического выключателя. Степень деформации пластины зависит от температуры ее нагрева.

Применяются два способа нагревания пластины: непосредственный и косвенный. При первом ток проходит непосредственно через пластину. При этом количество теплоты, которое выделяется в ней, пропорционально квадрату величины тока, времени его прохождения. При втором способе ток проходит по нагревательному элементу, выполненному из нихрома или другого сплава. Спираль располагают рядом с пластиной или наматывают на нее. Выделяющаяся в этой спирали теплота и нагревает биметаллическую пластину. Перед намоткой спирали биметаллическая пластина покрывается электроизоляцией, например слюдой.

На рис.4.2, б изображена схема автоматического выключателя с тепловым расцепителем. Контакт 2 главной цепи замыкают вручную кнопкой или рукояткой, в замкнутом положении он удерживается защелкой 3. При прохождении по сети тока, величина которого меньше определенного значения, биметаллическая пластина 7 нагревается незначительно и ее изгиба вверх недостаточно для того, чтобы передать усилие на защелку 3. Если же по спирали 8 будет проходить ток, величина которого превысит это определенное значение, то через некоторое время правый конец пластины 7 изогнется вверх настолько, что через толкатель 4 поднимет рычаг защелки 3. Под действием пружины 1 разомкнётся контакт 2. Время, через которое произойдет размыкание контакта, зависит от степени перегрузки сети. Тепловые расцепители не могут срабатывать мгновенно, особенно при косвенном нагреве биметаллической пластины.

Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями отключают сеть с выдержкой времени в обратной зависимости от величины тока перегрузки. При больших перегрузках отключение происходит быстрее.

Автоматические выключатели с комбинированным расцепителем. В этих выключателях устанавливают как электромагнитные, так и тепловые расцепители. Обмотки электромагнитов и нагревательные элементы тепловых расцепителей включают последовательно с электрическим приемником. Электромагнитные расцепители мгновенно отключают электроприемник при токе короткого замыкания хотя бы в одном проводе сети. Тепловые же расцепители отключают электроприемник при незначительных, но длительных токах перегрузки. Последние превышают номинальный ток приемника, но значительно меньше токов короткого замыкания.

Выбор автоматических выключателей состоит из выбора их токоведущих частей и расцепителей из следующих условий:

1. Соответствие номинального напряжения выключателя номинальному напряжению сети: U_н.в ≥ U_н.с .

2. Соответствие номинального тока выключателя расчетному току защищаемой цепи или номинальному току двигателя:

I_н.в ≥ I_р или Iн.в ≥I_{н.дв .}

3. Токовую отсечку выключателя (уставку расцепителя) отстраивают от пускового тока двигателя или пикового тока узла нагрузки: I_со ≥ K_н∙I_{пуск.дв}, где K_н — коэффициент надежности отстройки.