ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Лекция 12
ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Плавкие предохранители. Являются наиболее распространенным электротеп ловым элементом, используемым в устройствах релейной защиты. Они получили широкое применение в городских и сельских электрических сетях, на электрических станциях, промышленных предприятиях для защиты линий и потребителей электроэнергии на пряжением до 1 кВ. Кроме того, продолжают модернизироваться предохранители для защиты элементов систем электроснабжения напряжением 6, 10, 35, 110 кВ. Перспективным направлением исследований выглядит создание управляемых и самовосстанавливающихся предохранителей с жидкометаллической плавкой вставкой.
Выполнение защиты плавкими предохранителями эффективно только в том слу чае, если плавкая вставка расплавляется быстрее, чем температура защи щаемого элемента системы электроснабжения достигает недопустимых значений. Для этого следует грамотно выбрать защитной характеристики пре дохранителя, отражающую взаимосвязь полного времени перегорания плавкой вставки (время плавления и время горения дуги) и проходящего через нее тока. Для за щиты проводников, как правило, рекомендуют, чтобы при полуторакратной пере грузке время перегорания плавкой вставки не превышало tпр=600 с, а при двукратной перегрузке 150 с. Для трансформаторов допустимая продолжительность аварийного тока ( где k отношение наибольшего аварийного тока к номинальному току трансформатора).
Время перегорания плавкой вставки определяется её длиной, сечением, материалом, формой исполнения, а также условиями окружающей среды. Окружающие условия тяжело определить, но они значительно влияют на отвод теплоты от плавкой вставки. Это значительно затрудняет аналитические методы расчета защитной характеристики, поэтому предусматриваются некоторые допущения. Однако даже такой подход не позволяют с достаточной достоверностью построить защит ную характеристику для всех возможных кратностей тока. В связи с этим защитные характеристики для каждого типа плавких вставок определяют ся экспериментальным методом. Для получения характеристики необходимо сжечь несколько одина ковых плавких вставок, что вносит определенную погрешность. Так для некоторых типов предохранителей действитель ное время их отключения отличается от полученного из защитной ха рактеристики в полтора раза. Кроме того , в процессе эксплуатации плавкая вставка окисляется, ее сечение уменьшается, а защитная харак теристика смещается вниз. В результате плавкая вставка постепенно теряет свои защитные свойства. Существенный недостаток предохрани теля состоит и в том, что не удается получить требуемую защитную ха рактеристику для малых кратностей тока, т.к. время перегорания предо хранителя оказывается больше допустимого и он не защищает установку при перегрузках. Возникают трудности обеспечения селектив ности между предохранителем и релейной защитой, что имеет место при наличии в системе электроснабжения устройств АПВ и их неуспешном действии.
Основными характеристиками предохранителя являются: номиналь ный ток плавкой вставки ; номинальный ток предохранителя ; номинальное напряжение предохранителя ; номинальный ток отключения предохранителя . В нормальном режиме плавкая вставка длительно нагревается током нагрузки, наблюдается установившийся тепловой процесс, при котором начиная с предель ной температуры вставки выделяемая в ней теплота полностью отдает ся окружающей среде и температура плавкой вставки не повышается. Допустимая температура и определяет номинальный ток вставки. Но минальным током плавкой вставки называется ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы ее в нормальном режиме. Одновременно с нагревом плавкой вставки нагреваются до устано вившегося состояния и другие элементы предохранителя, например патрон, контакты и др. В нормальном режиме нагрев предохра нителя в целом не должен превышать допустимой температуры дли тельного нагрева, что характеризует номинальный ток предохранителя . Но минальное напряжение предохранителя определяет конструк цию предохранителя и длину плавкой вставки.
В режиме перегрузки или короткого замыкания через плавкую вставку может протекать ток значительно превышающий номинальный.
В результате этого плавкая вставка должна перегореть, а предохранитель должен надежно отключить поврежденный участок. Отключающая способность предохранителя характеризуется номинальным током отключения наибольший ток, при котором предохранитель разрыва ет цепь без каких-либо повреждений, препятствующих его дальнейшей работе после смены плавкой вставки.
Для быстродействующих предо хранителей, используемых в цепях силовых полупроводни ковых приборов, в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) дополнительно введены следую щие характеристики: преддуговое время ; время дуги ; время срабатывания ; джоулев интеграл. Преддуговое время интервал време ни между началом возникновения повреждения защищаемого элемента и моментом возникновения дуги. Время дуги промежуток времени между моментом появления дуги и моментом ее окончательно го погасания. Время срабатывания складывается из преддугового времени и времени дуги. Джоулев интеграл это интеграл от квадрата тока в заданном интервале времени
Различают преддуговой джоулев ин теграл, дуговой джоулев интеграл и джоулев интеграл срабатывания (от ключения). Предохранитель является устройством защиты и коммутации. Его защитные свойства, определяемые защитной характе ристикой, не удовлетворяют ряду указанных требований. Отметим, что при перегрузках и коротких замыканиях возможно перегорание предо хранителя только в одной фазе. При этом создается опасный неполно-фазный режим. Отключающая способность у существующих предохра нителей достаточно высока, и возможности ее дальнейшего повышения еще не исчерпаны, поэтому для усовершенствования предохранителей следует вести работы в направлении повышения их номинального тока отключения.
Существует множество различных конструкции плавких предохранителей, однако по условию гашения электрической дуги их можно разделить на три основные группы: предохранители, гасящие электриче скую дугу в воздухе, в газогенерирующей среде и в мелкозернистом песчаном наполнителе.
Предохранители для электроустановок напряжением до 1 кВ. Широко применяются уже снятые с производства предохранители ПР-2 с плавки ми вставками на номинальный ток (рис. 1). Патрон предохранителя ПР-2 состоит из толстостенной фибровой трубки 1, на концах которой плотно укреплены латунные втулки 2. На втулках име ются колпачки 4, закрепляющие плавкую вставку 3, привинченную к контактным ножам 5. Использование такой конст рукции позволяет в условиях эксплуатации легко производить смену плавкой вставки, выполненной из листового цинка. Она имеет перешейки, которые облегчают гашение дуги при токах короткого замыкания. Гашению дуги спо собствует выделение газов фибровой трубкой, кото рые, поступая в ствол дуги, деионизируют его и созда ют повышенное давление в патроне. При токах корот кого замыкания развивается значительное давление. Отключающая способность предохранителей ПР-2 сравнительно невелика, она не превышает 11 кА. Их допускается применять в небольших, преимуществен но передвижных электроустановках.
Более совершенны плавкие предохранители с наполнителем. Среди них наибольшее распространение получила серия ПН-2, рассчитанные на номинальные токи и напряжение . Номинальный ток отключения такого предохранителя достигает (действующее значение).
Предохранитель представлен на рис.2.а. и состоит из фарфорового патрона 3, заполненного кварцевым пес ком (наполнителем), и плавкой вставки 2. Контактные стойки 1 крепятся на изолированном основании 4. Плавкая вставка представляет собой узкие медные ленты с выштампованными отверстиями (рис. 2.б). В середине каждой ленты на широкой части находится оловянный растворитель, позволяющий ускорить процесс плавления вставки. За счет это достигается более приемлемая защитная характеристика при малых кратностях тока (рис. 3.а). Кроме того, при срабатывании предохра нителя наполнитель охлаждает газы, снижает давление внутри патрона и деионизирует ствол дуги.
Предохранитель с наполнителем серии ПП-31 с неразборным патроном является более совершенным. Он выполняется на номинальный ток , номинальное на пряжение при переменном токе , при постоянном токе . Но минальный ток отключения не менее 100 кА. Также некоторое применение получили предохранители ПП-17.
Рис. 3. Защитные характеристики предохранителей:
а) – предохранителя ПН-2;
б) – предохранителя ПП-31
Рис. 4. Предохранитель ПКТ:
а) – конструктивное исполнение;
б) – защитные характеристики
Предохранители для электроустановок напряжением выше 1 кВ. Применение нашли предохранители токоограничивающие ПКТ для закрытых и открытых электроустановок напряжением 3, 6, 10, 20 и 35 кВ. Его конструкция представлена на рис.4.а. Патрон предохранителя состоит из фарфоровой труб ки 1, плотно закрытой металлическими колпачками 2. Для улучшения условий гашения дуги патрон заполнен мелким кварцевым песком. Плавкая вставка 3 представляет собой один или несколько параллельно включенных посеребренных медных проводов. Провода выполнены из нескольких ступеней различного сечения с целью снижения перенапряжения. Благодаря этому предохранитель ПКТ, также как и ПН-2, чувствителен к токам перегрузки, что показано на рис.4.б. Номинальный ток плавкой вставки , номинальный ток отключения находится в зависимости от напряжения и равен 40 кА при напряжении 3 кВ, 8 кА при напряжении 35 кВ.
В сетях напряжением 10, 35 и 110 кВ можно встретить предохранители типа ПС (предохранители стреляющие). В настоящее время они сняты с производства, но на их основе выпускаются предохранители выхлопные серии ПВТ. Для дугогасительной камеры использована газогенерирующая винипластовая трубка, внутри которой размещается заменяемый эле мент, содержащий плавкую вставку.
Конструкция заменяемого элемента (рис. 5.а) и защитные характери стики плавких вставок (рис. 5.б) одинаковы для всех предохранителей серии ПВТ, а конст рукции камер гашения и механическая часть различны. Заменяемый элемент состоит из двух медных держателей 1, в их пазах 2 запрессованы плавкая вставка 3 и натяжной элемент 4. Плавкая встав ка из электротехнической меди выполнена в виде спирали, а натяжной эле мент из нихромовой проволоки. Он необходим для разгрузки плавкой вставки от воздействия отключающей пружины предохранителя. Оловянное покрытие защищает заменяемый элемент от коррозии.
Рис.5. Предохранители серии ПВТ:
а) – конструкция заменяемого элемента;
б) – защитные характеристики;
в) – общий вид предохранителя ПВТ-35-100-3,2У1
В качестве примера рассмотрим предохранитель ПВТ 104-35-100-3.2У1 для сетей напряжением 35 кВ, показанный на рис. 5. в. Патрон предохранителя состоит из соединен ных между собой корпуса 1, выполненного из винипластовой трубки, и патрубка 2, создающего поперечное дутье. Патрон образует дугогасительную камеру, внутри которой расположены заменяемый элемент, гибкая токоведущая связь и от ключающая пружина. При перегорании заменяемого элемента контактный нож 4 под действием собственной пружины тянет за собой гибкую связь 3. Электрическая дуга, возникающая на месте перегорания заменяемого эле мента, вызывает выделение газа из стенок винипластового корпуса 1. Давление в камере гашения повышается и создается продольно-поперечное дутье, гася щее дугу. Для повышения давления в камере при гашении дуги с малыми тока ми в патрубке 2 предусмотрен медный клапан, закрывающий поперечное дутье вое отверстие патрубка. При гашении больших токов короткого замыкания дуга развивается интенсивно, давление в дугогасительной камере быстро возрастает и выбрасывает клапан, закрывающий отверстие патрубка. Предохранитель спо собен отключить токи .
В практических условиях также встречаются открытые плавкие вставки. Так, например Челябэнерго разработана конструкция открытых плавких вставок для за щиты трансформаторов напряжением 110 и 35 кВ тупиковых и отпаечных под станций. Использование таких плавких вставок позволяет отказаться от короткозамыкателей и от делителей, что способствует упрощению и удешевлению подстанции. В сети напряжением 35 кВ токи замыкания на землю сравнительно малы, поэтому для защиты питающей линии требуется при перегорании предохранителей искусственно созда вать междуфазные короткие замыкания. Это можно реализовать за счет особенного конструктив ного исполнения предохранителя одной из фаз, как показано на рис. 6. Плавкая вставка предохранителя 1 представляет собой V-образную петлю, концы которой закрепляются в верхней части держателя 2, а средняя часть на держателе седьмого изолятора 3. В результате такого исполнения она дважды на высоте 600 мм пересекает вставки других фаз 4, активная длина которых равна 1200 мм. Часть V-образной петли 5 со стороны, транс форматора имеет сечение, которое в 5-8 раз больше расчетного. При перегора нии плавкой вставки эта утолщенная часть падает вниз, производя короткое за мыкание с нижними вставками. В свою очередь, сгорание любой из двух нижних вставок вызывает короткое замыкание через дугу с верхней V-образной вставкой.
Защитная характеристика открытых плавких вставок изображена на рис. 7
Рис. 6. Эскиз установки открытых плавких вставок напряжением 35 кВ
Рис.7. Защитная характеристика открытых плавких вставок
Предохранитель принципиально несовер шенен и имеет множество недостатков. В связи с этим защитные функции предохранителя, особенно на на пряжения 35 -110 кВ, следует возложить на более совершенные уст ройства, в том числе на релейную защиту. Целесообразным является использование управ ляемых предохранителей. Для защиты силовых полупроводниковых приборов перспективны жидкометаллические самовостанавливающиеся предохранители (ЖСП).
Электротепловые реле. В релейной защите и автоматике находят применение электротепловые реле, принцип действия которых основан на явле ниях выделения теплоты при прохождении электрического тока. Основным элементом являются биметаллические элементы. В зависи мости от конструктивного исполнения реле они могут иметь непосредственный, косвенный или комбинированный нагрев.
Защитная характеристика электротеплового реле должна удовлетво рять требованиям, предъявляемым к защитным характеристикам предо хранителей. По сравнению с предохранителями у электротепловых реле защитная характеристика бо лее удовлетворительна при малых кратностях тока. Однако электротепловое реле имеют недостаточное быстродействие, поэтому их нельзя использовать для защиты от короткого замыкания. Это объясняется тем, что нагревательные элементы и биметаллический элемент могут сгореть раньше, чем сработает реле. Поэтому необходимо или защищать реле, включая последовательно с ним плавкий предохранитель, или, как это выполне но у автоматических выключателей, предусматривать максимальный электромагнитный расцепитель мгновенного действия. Кроме того, недостатком реле является также зависимость его защитной характеристики от окру жающей среды. Аналитическое выражение защитной характеристики электротепло вого реле получить весьма сложно, поэтому её определяют опытным путем.
Одной из разновидностей электротепловых реле является термобиметаллический расцепитель автоматического выключателя А3100, представленный на рис.8.а. Биметаллический элемент реле 1 имеет форму полукольца с выступом, на котором расположен установочный винт 2. Биметаллический элемент реле 1 соединен заклепками с токоведущими шинами 5 и 6. Нагреватель 4, позволяющий увеличить выдержку времени реле при перегрузках (см. рис.8.б), соединен параллельно биметаллическому элементу 1. Принцип действия заключается в следующем. В режиме перегрузки биметаллический элемент прогибается под действием теплоты, выделяемой в нем и нагревателе. В результате этого установочный винт 2 оказывает воздействует на рейку 3, которая поворачивается, за счет этого освобождает удерживающие рычаги механизма свободного расцепления и под действием пружин автоматический выключатель отключается.
Рис.8. Термобиметаллический расцепитель автоматического выключателя А3100
а) – конструкция;
б) – защитная характеристика
Температурные реле. Обычно применяются для защиты низковольт ных электродвигателей. Измерительной частью реле является встраи ваемый в обмотку электродвигателя датчик, преобразующий температуру нагрева обмотки в дискретный сигнал. Применяются биме таллические элементы и элементы из терморезисторов. Сопротивление терморезисторов при определенной температуре изменяется практиче ски скачкообразно (уменьшается или увеличивается в зависимости от типа терморезистора). В температурных реле обычно используют термо резисторы (позисторы), у которых сопротивление возрастает. Сопротивление позистора при допустимых температурах может составлять менее 1650 Ом, а при повышенных возрастает до 4000 Ом.
Рис.9. Измерительная часть температурного реле термодатчика ДТР-3МУ
В качестве примера рассмотрим реле, предназначен ное для защиты от недопустимого нагрева изоляции статорных обмоток взрывобезопасных асинхронных электродвигателей. В качестве измерительного элемента используется термодатчик ДТР-ЗМУ(Т) (рис. 9), а исполнительным органом является электромеханическое промежуточное реле. Термодатчик состоит из теплоизоля ционного корпуса 1, теплопроводящей крышки 2 с укрепленными на ней упру гой пластиной 3 и биметаллической пластиной 4, а также контактной группы 5, в состав которой входят биметаллические пластины 6 и 7, контакты 8 и 9, пру жина 10 и электроизоляционная прокладка 11. Для ограничения перемещения конца биметаллической пластины 6 в заданных пределах при повышении или понижении температуры служат винты 12 и 13. Винтом 12 устанавливается ус тавка срабатывания. На конце биметаллической пластины 4 размещается регу лировочный винт 14 для регулировки чувствительности термодатчика к скоро сти роста температуры. Принцип действия реле заключается в следующем. При небольших по продолжительности пе регрузках электродвигателя температура в его обмотках растет медленно и би металлические пластины, изгибаясь равномерно, перемещаются вниз. Когда величина температуру достигнет значения температуры срабатывания, биметаллическая пластина 6 упрется в винт 12, а биметаллическая пластина 4 будет продолжать перемещаться вниз, размыкая контакты 8 и 9. При быстром росте температуры степень изгиба пластин 4 и 6 различна. В этом случае контакты размыкаются независимо от стопорения пластины 6 винтом 12.
Управляемые предохранители. Это предохранитель, работающий как коммутационный аппарат и управляемый устройствами релейной защиты. Современный уровень технологий позволяет создать управляемые предохранители на напряжения до 110 кВ. Существует множество конструкций управляемых предохранителей, однако все они выполнены на основе принципа механическо го разрыва токоведущей цепи предохранителя по сигналу релейной заши ты. В одних конструкциях разрывается или разрезается сама плавкая вставка, в других размыкается контакт, включенный последовательно с плавкой вставкой.
Управляемый предохранитель напряжением до 1 кВ, выполненный на основе предохранителя ПН-2. Его конструктивное исполнение представлено на рис.10.
Рис. 10. Управляемый предохранитель напряжением до 1 кВ, выполненный на базе предохранителя ПН-2
Пояснения к рис.10. Ленточная плав кая вставка 1 зажимается между контактным ножом 2 и сталь ной пластинкой (режущим ножом) 3. Плавкая вставка проходит через прорезь во втулке из диэлектрического материала, соединенной с механическим приво дом, который не представлен на приведенном рисунке. Для обеспечения герметизации и предотвращения по падания частиц кварцевого песка 5 в зазор между втулкой и патроном предохра нителя 6 предусмотрены уплотнения 7. При перегрузке защищаемого элемента срабатывает устройство релейной защиты и приходит в действие привод; связанная с ним втулка 4 поворачивает ся и натягивает плавкую вставку 1, а режущие ножи 3 врезаются в плавкую встав ку и разрывают ее. Возникшая дуга гаснет и происходит отключение в соответ ствии с характеристикой релейной защиты. В случае короткого замыкания управляе мый предохранитель работает как обычный, так как его плавкая вставка сгорает раньше, чем сработает релейная защита и подействует привод.
Управляемый предохранитель на основе кварцевого предохранителя ПКТ на напряжение 3, 6, 10, 20, 35 кВ. В этом устройстве объединены плавкая вставка и биметаллический элемент. При перегрузках защитная характеристика определяется биметаллическим эле ментом, а при коротких замыканиях плавкой вставкой.
Рис.11. Управляемый предохранитель, выполненный на основе предохранителя ПКТ
В контактный колпак (рис. 4.11, а), состоящий из контактного кольца 1 и крышки 4, помещается изо ляционный диск 13, имеющий отверстия 2 для прохождения плавких вставок 19. На изоляционный диск 13 крепится с помощью токопроводящей шпильки 8 и гаек 3 биметаллическая мембрана 7. В изоляционном кольце 10 имеются от верстия для неподвижных контактов 5 и пружины 6, количество которых соот ветствует количеству элементов плавкой вставки 19. Пружины 6 обеспечивают малое переходное сопротивление между неподвижными контактами 5 и мем браной 7. Контакты 5 соединяются с элементами плавкой вставки 19 проводни ками 9. Контактная шайба 11 образует искровой промежуток 14 с элементами плавкой вставки 19. Стальной проводник 15, удерживающий указатель срабаты вания, присоединяется к токоведущей шпильке 8. Крышка 4 крепится к кон тактному кольцу 1 болтами 12. Предохранитель содержит патрон 16, указатель срабатывания 18 и крышку 17, закрывающую отверстие для засыпки патрона предохранителя песком.
В нормальном режиме ток проходит через контактную шайбу 11, шпильку 8, мембрану 7, неподвижные контакты 5, проводники 9, соединенные парал лельно плавкие вставки 19 и стальной проводник 15. При токах пе регрузки мембрана 7 нагревается до критической температуры и мгновенно пе реходит из положения I в положение II (рис. 11.а), размыкая (контактами 5) цепи плавких вставок (рис. 11.б). Ток перегрузки проходит только по сталь ному проводнику 15, после выгорания которого поочередно пробиваются ис кровые промежутки 14 и поочередно выгорают плавкие вставки 19. Таким обра зом, в каждой из плавких вставок проходит весь ток перегрузки, способствуя быстрому ее выгоранию. В связи с этим защитная характеристика предохранителя при токах пере грузки располагается более полого (более плавно), чем предохранителя типа ПКТ. При корот ком замыкании управляемый предохранитель действует обычным способом. Также существует конструкция управляемого предохранителя с приводом. При перегрузках предохранитель отключается релейной защитой.
Управляемый предохранитель УПС-35У1. Содержит контактное устройство, разрывающее цепь и отключающее защищаемый элемент под действием при вода в случае срабатывания релейной защиты. При необходимости последова тельно с контактом включается плавкая вставка, которая вследствие тока короткого замыка ния перегорает раньше, чем срабатывает релейная защита. Т.е. при этом управляемый предохранитель работает аналогично обычному предохранителю. Если срабатывает релейная защита, то под действием расцепителя освобождает ся вал 4 (рис. 12). Вследствие этого жестко связанные между собой изолятор-толка тель 3, контактный нож 2 и гибкая связь перемещаются вниз, а контактная сис тема, расположенная внутри патрона 1, размыкается. Возникает электрическая дуга, которая гасится. Следует отметить, что условия её гашения аналогичны условиям гашения дуги при перегорании плавкой вставки. При наличии контактного устройства и плавкой вставки номинальный ток управляемого предохранителя . Предо хранитель отключает токи в диапазоне . Отсутствие плавкой вставки исключает дополнительный подогрев предохранителя. За счет этого можно повысить номинальный ток до величины , а отключаемый номинальный ток до значения
Рис. 12. Управляемый предохранитель УПС-35У1
Управляемый предохранитель напряжением 110 кВ. Существует несколько видов конструкции управляемого предохранителя, в том числе со светооптической сис темой управления. Такие конструкции довольно сложны, громоздки и поэтому несовершенны. Это объясняется необходимостью применения громоздкого электромеханического привода и использования высоковольтных трансформаторов тока для подключения устройств ре лейной защиты.
Существенно упростить конструкцию можно за счет непосредственного расположения на каждом полюсе предохранителя устройства релейной зашиты и электромагнита отключения. Это позволяет исключить при вод и ис пользовать низковольтные трансформаторы тока. Управляемый предохранитель такой конструкции, оснащенный трех ступенчатой токовой защитой на микроэлектронной элементной базе, разработан Ульяновским политехническим институтом в сотрудничестве с НИИ ПО «Уралэлектротяжмаш». В распределительном устройстве предохранитель устанавливается вертикально, его конструкция представлена на рис.13. Дугогасительная каме ра, расположенная в патроне предохранителя, выполнена из винипластовой трубки.
При подаче сигнала от уст ройства релейной защиты на электромагнит отключения 16 гибкая тяга 13 с кли новидным упором 11 перемещается вверх, преодолевая сопротивление пружины 12, при этом шарик 6 выходит из сферической выемки нижнего конца контакта 10 и контактное устройство, состоящее из верхнего основания цилиндрической части розеточного контакта 5 и нижнего конца контакта 10, размыкается под действием пружины 15. Возникшая электрическая дуга гасится, как у обычного выхлопного предохранителя.
Рис. 13. Управляемый предохранитель на напряжение 110 кВ
Рис. 14. Принципиальная схема реле тока защиты управляемого предохранителя 110 кВ
Устройство мак симальной токовой защиты этого предохранителя приведено на рис.14. Измерительный орган защиты выполнен на основе операци онных усилителей А1 и А2. В блоке защиты совмещены ис точники питания и входного сигнала. Для этого к вторичной обмотке трансформатора TLA подключены мостовой выпрямитель VS и конденсатор С1. После выпрямления и сглаживания конденсатором С2 напряжение подается на стабилизирующие диоды VD8 и VD9, фор мирующие напряжения питания, и на неуравновешенный мост R1, R2, RЗ, VD8, VD9, в диагональ которого включен измерительный орган операционный усилитель А1. В нормальном режиме напряжение на его входе близко к нулю. С увеличением тока в первичной обмотке транс форматора TLA напряжение на входе А1 возрастает, и при достижении током заданного значения (уставки) на выходе появляется напряжение, которое подается на входную цепь операционного усилителя А2. Она состоит из R6, R7 и СЗ, имеет постоянную времени и обеспечивает необходимую выдержку времени, которая устанавливается потенциометром R9 от 0,1 до 1,5 или от 4 до 5 с. При размыкании накладки SX защита действует без выдержки вре мени. Уставка по току регулируется потенциометром R2 в пределах (0,5...3)Iном. После появления сигнала на выходе А2 открывается тиристор VD5 и срабатывает выходное реле К.
Жидкометаллические самовосстанавливающиеся предохранители. Основным недостатком плавких и управляемых предохранителей является однократность действия. При использовать плавкой вставки из жидкого металла возможно создание предохранителя многократного действия. Под действием тока повреждения жидкий металл испаряется, вызывая взрывообразное повы шение давления в дугогасительной камере, при котором пары металла имеют значительное сопротивление, что позволяет ограничить аварий ный ток и погасить дугу. После остыва ния и конденсации паров металла цепь плавкой вставки в течение 2-4 мс самопроизволь но восстанавливается. При установившемся коротком замыкании ЖСП будет многократно отключать и повторно включать защищаемый элемент, что значительно сокращает его ресурс. Для устранения этого негативного влияния ЖСП используют с другим коммутационным аппаратом, который отключает защищаемый элемент при срабатывании пре дохранителя. Также известны конструкции ЖСП, в которых предусмотрено управление процессом восстановления плавкой вставки.
ЖСП обладают хорошими токоограничивающими способностями, возможностью многократно самовосстанавливаться и осуществлять АПВ. В качестве дугогасительной камеры используется ди электрическая втулка, в канале которой герметизирована жидкометаллическая плавкая вставка. Такое исполнение исключает окисление плавкой вставки и способствует стабилизации ее защитной характеристики, что позволяет существенно увеличить срок службы ЖСП и приблизить номинальный ток плавкой вставки к значению пограничного тока, т.е. мак симального испытательного тока. Для ЖСП отношение пограничного тока к номинальному не превышает 1,1, а для плавких вставок из серебра или меди оно составляет 1,3 и 2 соответственно. Поэтому ЖСП обладают лучшими характеристиками защиты от перегрузок и могут быть использованы для силовых полупро водниковых приборов.
Впервые упоминания об опытных образцах ЖСП появились в 1971-1975 гг. Конструкции ЖСП были разработаны японскими фирмами «Мицубиси», «Тарасаки», американской «Дже нерал электрик» и некоторыми фирмами других стран. В зарубежной практике ЖСП применяется как токоограничивающее устройство совместно с дру гим коммутационным аппаратом, например автоматическим выключате лем для повышения его отключающей способности. Номинальный ток таких аппаратов не превышает 800 А, а отключающая способность достигает 200 кА. Японские фирмы гарантируют срок службы ЖСП не менее 30 лет.
В нашей стране ЖСП пока не выпускаются и по существу нет публикаций, освещающих эту проблему. Однако, некоторый опыт теоретических и экспериментальных исследований ЖСП накоплен в Ульяновском и Самарском технических университетах, а также в МЭИ и других организациях.
Создание ЖСП в России связано с необходимостью решения ряда сложных проблем, важнейшая из которых выбор материала диэлектрической втулки, способной многократно выдерживать воздействие электрической дуги при сраба тывании ЖСП без повреждений и недопустимого износа канала. За рубежом ди электрическая втулка выполняется из керамики, однако состав зарубежных и оте чественных керамических материалов и технология их изготовления, даже при одинаковой основе, отличаются. В связи с этим нельзя без соответствующих ис следований использовать для ЖСП отечественную керамику с основой, рекомен дуемой в публикациях зарубежных авторов. Кроме керамики могут быть исполь зованы и другие материалы. У нас в стране на основе эксперимен тальных исследований показана возможность использования для ЖСП некоторых отечественных материалов в сочетании с такими жидкими металлами, как эвтектика галлия, натрии, калий, ртуть.
Существенным недостатком ЖСП является увеличение диаметра канала ди электрической втулки, т. е. сечения плавкой вставки, при многократных сраба тываниях предохранителя, что приводит к увеличению пограничного тока и ин теграл отключения. В результате этого предохранитель может утратить одно из основных своих достоинств быстродействие. Для стабилизации защитной характеристики японские фирмы предложили шунтировать ЖСП низкоомным резистором. С уменьшением его сопротивления условия ра боты ЖСП улучшаются, так как ток повреждения после срабатывания предо хранителя будет проходить в основном через резистор. Однако, снижение шунтирующего сопротивления приводит к увеличению тока в защи щаемом элементе, что допустимо до определенных пределов. Поэтому представляет интерес отыскание альтернативных способов решения указанной проблемы.
Один из таких способов заключается в следующем. Канал с одного из тор цов диэлектрической втулки выполняют суженным. Сюда помещают твердоме-таллический высокоомный электрод. Он образует участок плавкой вставки с повышенным по отношению к жидкому металлу сопротивлением. Испарение жидкого металла и разрыв электрической цепи с последующим гашением элек трической дуги всегда происходят в месте соприкосновения электрода с жидким металлом. При этом значение преддугового интеграла будет определяться вре менем нагрева электрода до температуры кипения жидкого металла и площадью соприкосновения электрода и жидкого металла. Эта площадь определяется диа метром электрода и не изменяется при изменении диаметра жидкометалличе-ской части плавкой вставки в результате дуговой эрозии. Этим достигается по стоянство преддугового интеграла при многократных срабатываниях ЖСП и без шунтирования его низкоомным резистором.
Быстродействие ЖСП оценивается величиной интеграла отключения, представляющего собой сумму преддугового интеграла и интеграла дуги
Чем меньше , тем выше быстродействие. Все ЖСП являются более быстродействующими, чем обычные предохранители, в том числе с серебряными плавкими вставками. Следует отметить, что быстродействие ЖСП с плавкими вставка ми из щелочных металлов выше, чем из ртути.
ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ