Аппараты защиты: назначение, виды, классификация, технические характеристики, установка, особенности эксплуатации, настройки и ремонта

Устройство защиты от кз - это устройство, которое предназначено для защиты электрических цепей, электрооборудования, машин и других агрегатов от любых угроз, мешающих нормальной работе этих устройств, а также для их защиты от перегрузок. Здесь важно отметить, что они должны быть правильно установлены, а эксплуатация должна проводиться точно в соответствии с инструкцией, иначе аппараты защиты сами могут стать причиной выхода оборудования из строя, взрыва, пожара и прочего.

Основные требования к приспособлениям

Для того чтобы прибор мог успешно эксплуатироваться, он должен удовлетворять следующим требованиям:

• Аппараты защиты ни в коем случае не должны иметь температуру сверх допустимой для них под нормальной нагрузкой электрической сети или электрического оборудования.
• Прибор не должен отключать оборудование от питания во время кратковременных перегрузок, к которым часто относится пусковой ток, ток при самозапуске и т. д.

При выборе плавких вставок для предохранителей необходимо основываться на номинальном токе в участке цепи, который и будет защищать данное устройство. Это правило выбора аппаратов защиты актуально в любом случае при выборе любого приспособления для защиты. Также важно понимать, что при длительном перегреве защитные качества значительно снижаются. Это негативно сказывается на приборах, так как в момент критической нагрузки они могут, к примеру, просто не отключиться, что приведет к аварии.

Аппараты защиты должны обязательно отключать сеть при возникновении длительных перегрузок внутри этой цепи. При этом должна обязательно соблюдаться обратная зависимость от тока по времени выдержки.

В любом случае устройство защиты должно отключать цепь в конце при возникновении короткого замыкания (КЗ). Если КЗ происходит в однофазной цепи, то отключение должно происходить в сети с глухозаземленной нейтралью. Если короткое замыкание происходит в двухфазной цепи, то в сети с изолированной нейтралью.

У аппаратов защиты электрических цепей имеется отключающая способность I _пр. Значение этого параметра должно соответствовать току короткого замыкания, который может возникнуть в начале защищаемого участка. Если же это значение будет ниже, чем максимально возможный ток КЗ, то процесс отключения участка цепи может не произойти вовсе или же произойти, но с задержкой. Из-за этого могут быть повреждены не только приборы, подключенные к этой сети, но и сам аппарат защиты электрической цепи. По этой причине коэффициент отключающей способности должен быть больше или же равен максимальному току короткого замыкания.

Предохранители плавкого типа

На сегодняшний день имеется несколько приборов для защиты электрических сетей, которые наиболее распространены. Одно из таких приспособлений - это плавкий предохранитель. Назначение аппарата защиты такого типа заключается в том, что он защищает сеть от перегрузок токового типа и от коротких замыканий.

На сегодняшний день существуют приборы разового применения, а также со сменными вставками. Эксплуатировать такие приспособления можно как в промышленных нуждах, так и в быту. Для этого есть приборы, которые используются в линиях до 1 кВ.

Кроме них есть высоковольтные устройства, применяющиеся на подстанциях, напряжение которых более 1000 В. Примером такого устройства может стать плавкий предохранитель на трансформаторах собственных нужд подстанций с 6/0,4 кВ.

Так как назначение этих аппаратов защиты - это защиты от КЗ и от токовых перегрузок, то они получили довольно широкое применение. Кроме того они очень просты и удобны в эксплуатации, их замена проводится также быстро и легко, а сами по себе они очень надежны. Все это привело к тому, что такие предохранители используются очень часто.

Для рассмотрения технических характеристик можно взять прибор ПР-2. В зависимости от номинального тока данный прибор выпускается с шестью видами патронов, которые отличаются по своему диаметру. В патроне каждого из них может устанавливаться вставка с расчетом на различный номинальный ток. К примеру, патрон, рассчитанный на ток 15 А, может быть снабжен вставкой и на 6 А, и на 10 А.

Кроме этой характеристики имеется также понятие нижнего и верхнего испытательного тока. Что касается нижнего значения испытательного тока, то это максимальное значение тока, при протекании которого в цепи на протяжении 1 часа не произойдет отключение участка цепи. Что касается верхнего значения, то это минимальный коэффициент тока, который при протекании в течение 1 часа в цепи расплавит вставку в аппарате защиты и управления.

Автоматические выключатели

Автоматические выключатели играют ту же роль, что и плавкие предохранители, но при этом их конструкция более сложная. Однако это компенсируется тем, что использовать выключатели гораздо удобнее, чем предохранители. К примеру, если в сети появится короткое замыкание по причине старения изоляции, то выключатель способен отключить от питания поврежденный участок электрической цепи. При этом же аппарат управления и защиты сам по себе достаточно легко восстанавливается, после срабатывания он не требует замены на новый, а после проведения ремонтных работ способен снова надежно защищать подконтрольный ему участок цепи. Использовать такого рода выключатели очень удобно, если необходимо провести какие-либо регламентные ремонтные работы.

Что касается производства данных приборов, то основной показатель - это номинальный ток, на который рассчитан прибор. В этом плане наблюдается огромный выбор, что позволяет подобрать под каждую цепь наиболее подходящее устройство. Если говорить о рабочем напряжении, то они, как и предохранители, делятся на два вида: с напряжением до 1 кВ и высоковольтные с рабочим напряжением выше 1 кВ. Здесь важно добавить, что высоковольтные аппараты защиты электрооборудования и электрических цепей производятся вакуумными, с инертным газом или маслонаполненными. Такое исполнение позволяет на более высоком уровне осуществлять расцепление цепи при возникновении такой необходимости. Еще одно существенное отличие автоматических выключателей от предохранителей состоит в том, что они изготавливаются для эксплуатации не только в однофазных, но и в трехфазных цепях.

К примеру, при возникновении короткого замыкания на землю одной из жил электрического двигателя автоматический выключатель отключит все три фазы, а не одну поврежденную. Это существенное и ключевое отличие, так как, если отключить лишь одну фазу, то двигатель будет продолжать функционировать на двух фазах. Такой режим работы является аварийным и сильно снижает срок эксплуатации прибора, а может и вовсе привести к аварийному выходу из строя оборудования. Кроме того, выключатели автоматического типа производятся для работы как с переменным, так и с постоянным напряжением.

Тепловое и токовое реле

На сегодняшний день среди аппаратов защиты электрических сетей имеется и множество разнообразных видов реле.

Тепловое реле - это одно из наиболее распространенных устройств, которое способно защищать электрические двигатели, нагреватели, любые силовые приборы от такой проблемы, как ток перегрузки. Принцип действия данного прибора очень прост, и основан он на том, что электрический ток способен нагревать проводник, по которому он протекает. Основная рабочая деталь любого теплового реле - это биметаллическая пластина. При нагреве до определенной температуры эта пластина изгибается, чем и разрывает электрический контакт в цепи. Естественно, что нагрев пластины будет происходить до тех пор, пока не достигнет критической точки.

Кроме тепловых, имеются и другие типы аппаратов защиты, к примеру токовое реле, которое контролирует величину тока в сети. Есть также реле напряжения, которое будет реагировать на изменение напряжения в сети и реле дифференциального тока. Последний прибор - это аппарат защиты от токов утечки. Здесь важно отметить, что автоматические выключатели, как и плавкие предохранители, не могут среагировать на возникновение утечки тока, так как это значение достаточно мало. Но при этом данного значения вполне хватит, чтобы убить человека при соприкосновении с корпусом прибора, подверженного такой неисправности.

Если наблюдается большое количество электрических приборов, которые нуждаются в подключении реле дифференциального тока, то часто используются комбинированные автоматы, чтобы уменьшить габариты силового щита. Такими устройствами стали приспособления, сочетающие в себе автоматический выключатель и реле дифференциального тока - автоматы дифференциальной защиты, или же дифавтоматы. При использовании таких устройств не только снижается размер силового щита, но и сильно облегчается процесс установки аппарата защиты, что, в свою очередь, делает их более экономичными.

Характеристики теплового реле

Основная характеристика для тепловых реле - это время срабатывания, которое зависит от тока нагрузки. Другими словами, данная характеристика называется время-токовой. Если рассматривать общий случай, то до подачи нагрузки через реле будет протекать ток I₀. В таком случае нагрев биметаллической пластины будет составлять q₀. Во время проверки данной характеристики очень важно учитывать, из какого состояния (перегретого или холодного) осуществляется срабатывание прибора. Кроме того, при проверке данных устройств очень важно помнить, что пластина не является термически устойчивой при возникновении тока короткого замыкания.

Выбор тепловых реле осуществляется следующим образом. Номинальный ток такого защитного устройства выбирается исходя из номинальной нагрузки электрического двигателя. Выбранный ток реле должен составлять 1,2-1,3 от номинального тока электродвигателя (тока нагрузки). Другими словами, такое устройство сработает в том случае, если в течение 20 минут нагрузка будет составлять от 20 до 30 %.

Очень важно понимать, что на работу теплового реле значительное влияние оказывает окружающая температура воздуха. Из-за роста температуры окружающей среды будет уменьшаться ток срабатывания данного приспособления. Если данный показатель будет слишком сильно отличаться от номинального, то нужно будет либо провести дополнительную плавную регулировку реле, либо же покупать новый прибор, но с учетом реальной температуры окружающей среды в рабочей зоне этого агрегата.

Чтобы уменьшить влияние окружающей температуры на величину срабатывания тока, необходимо приобретать реле с большим номинальным значением нагрузки. Для того чтобы добиться правильного функционирования теплого устройства, устанавливать его стоит в том же помещении, в котором находится и контролируемый объект. Однако нужно помнить, что реле реагирует на температуру, а потому располагать его вблизи концентрированных источников тепла запрещается. Таким источниками считаются котлы, источники отопления и прочие похожие системы и приборы.

Выбор устройств

При выборе оборудования для защиты электроприемников и электрических сетей необходимо основываться на номинальных токах, на которые рассчитаны эти приспособления, а также на ток, питающий сеть, где будут установлены такие агрегаты.

Во время выбора аппарата защиты очень важно иметь в виду возникновение таких ненормальных режимов работы, как:

• короткие замыкания междуфазного типа;
• замыкание фазы на корпус;
• сильное увеличение тока, которое может быть вызвано неполным коротким замыканием или же перегрузкой технологического оборудования;
• полное исчезновение или слишком сильное снижение напряжения.

Что касается защиты от короткого замыкания, то она должна выполняться для всех электрических приемников. Основное требование заключается в том, что отключение прибора от сети при возникновении КЗ должно быть минимальным из возможных. При выборе аппаратов защиты также важно знать, что должна быть предусмотрена полная защита от тока перегрузки, за исключением нескольких следующих случаев:

• когда перегрузка электрических приемников по технологическим причинам просто невозможна или же маловероятна;
• если мощность электрического двигателя меньше 1 кВт.

Кроме того, аппарат защиты электроустановок может не иметь функции защиты от перегрузки, если он устанавливается для слежения за электрическим двигателем, который эксплуатируется в кратковременном или же повторно-кратковременном режиме. Исключением является установка любых электрических приборов в комнатах с повышенной пожароопасностью. В таких помещениях защита от перегрузки должна устанавливаться на все приборы без исключения.

Защита минимального напряжения должна быть установлена в ряде следующих случаев:

• для электрических двигателей, которые не допускают включения в сеть при полном напряжении;
• для электрических двигателей, у которых самопуск не допускается по ряду технологических причин, или же он является опасным для сотрудников;
• для любых других электрических двигателей, отключение питания которых необходимо для того, чтобы снизить до допустимой величины суммарную мощность всех подключенных электрических приемников в этой сети.

Разновидности токов и подбор защитного устройства

Наиболее опасным является ток короткого замыкания. Основная опасность заключается в том, что он намного больше, чем нормальный пусковой ток, а также его значение может сильно отличаться в зависимости от участка цепи, где он возникает. Таким образом, при проверке аппарата защиты, который предохраняет цепь от КЗ, он должен максимально быстро производить разъединение цепи при возникновении такой проблемы. При этом он ни в коем случае не должен срабатывать при возникновении в цепи нормального значения пускового тока любого электрического прибора.

Что касается тока перегрузки, то здесь все довольно понятно. Таким током считается любое значение характеристики, которое превышает номинальное значение тока электрического двигателя. Но здесь очень важно понимать, что не при каждом возникновении тока перегрузки защитное устройство должно осуществлять отключение контактов цепи. Это важно еще и потому, что кратковременная перегрузка как электродвигателя, так и электрической сети в некоторых случаях допустима. Здесь стоит добавить, что чем более кратковременна нагрузка, тем больших значений она может достигать. Исходя из этого становится понятно, в чем заключается основное преимущество некоторых приборов. Степень защиты аппаратов с "зависимой характеристикой" в данном случае является максимальной, так как время их срабатывания будет уменьшаться с увеличением кратности нагрузки в этот момент. Таким образом, такие приборы является идеальными для защиты от тока перегрузки.

Если подвести небольшой итог, то можно сказать следующее. Для защиты от короткого замыкания должен быть выбран безынерционный аппарат, который будет настроен на срабатывание тока, который значительно выше пускового значения. Для защиты от перегрузки, наоборот, коммутационный аппарат защиты должен обладать инерцией, а также зависимой характеристикой. Он должен быть подобран таким образом, чтобы он не срабатывал за то время, пока происходит нормальный пуск электрического устройства.

Недостатки разных видов защитных устройств

Плавкие предохранители, которые ранее широко применялись в качестве аппаратов защиты распределительных устройств, обладают следующим рядом недостатков:

• довольно ограниченная возможность для применения в качестве защиты от тока перегрузки, так как отстройка от пусковых токов достаточно сложна;
• электродвигатель продолжит работу на двух фазах, даже если третью отключит предохранитель, из-за чего двигатель часто выходит из строя;
• в определенных случаях отключаемая предельная мощность является недостаточной;
• отсутствует возможность быстро восстановить подачу питания после отключения.

Что касается воздушных типов автоматов, то они более совершенны, чем плавкие предохранители, но и они не лишены недостатков. Основная проблема использования электрических аппаратов защиты заключается в том, что они не избирательны в плане действия. Особенно это заметно, если возникает нерегулируемый ток отсечки у установочного автомата.

Есть установочные автоматы, в которых защита от перегрузки осуществляется при помощи тепловых расцепителей. Чувствительность и задержка у них хуже, чем у тепловых реле, но при этом они действую на все три фазы сразу. Что касается универсальных автоматов для защиты, то здесь она еще хуже. Это обосновано тем, что в наличии имеются только электромагнитные расцепители.

Часто используются магнитные пускатели, в которые встроены реле теплового типа. Такие защитные средства способны защитить электрическую цепь от тока перегрузки в двух фазах. Но так как тепловые реле обладают большой инерционностью, они не способны обеспечить защиту от короткого замыкания. Если установить в пускатель удерживающую катушку, то можно обеспечить защиту от минимального напряжения.

Качественную защиту и от тока перегрузки, и от короткого замыкания могут обеспечить лишь индукционные реле или же электромагнитные реле. Однако они способны работать лишь через отключающий аппарат, из-за чего схема с их подключением получается более сложной.

Если подвести краткий итог вышесказанному, то можно сделать два следующих вывода:

1. Для защиты электрических двигателей, чья мощность не превышает 55 кВт, от тока перегрузки чаще всего используются именно магнитные пускатели с плавкими предохранителями или же с воздушными аппаратами.
2. Если мощность электрического двигателя более 55 кВт, то для их защиты используются электромагнитные контакторы с воздушными аппаратами или защитными реле. Здесь очень важно помнить о том, что контактор не допустит разрыва цепи при возникновении короткого замыкания.

При подборе нужного устройства очень важно проводить расчет аппаратов защиты. Наиболее важная формула - это расчет номинального тока двигателя, которая позволит подобрать средство защиты с подходящими показателями. Формула имеет следующий вид:

I_н=Р_дв ÷(√3*U_н*cos ц*n), где:

I_н - это номинальный ток двигателя, который будет иметь размерность в А;

Р_дв - это мощность двигателя, которая представляется в кВт;

U_н - это номинальное напряжение в В;

cos ц - это коэффициент активной мощности;

n - это коэффициент полезного действия.

Зная эти данные, можно без труда рассчитать номинальный ток двигателя, а далее без труда подобрать подходящий по назначению аппарат защиты.

Разновидности повреждений средств защиты

Основное отличие средств защиты электрический цепей от других приборов заключается в том, что они не только фиксируют дефект, но и разъединяют цепь, если значения характеристик выходят за определенные пределы. Наиболее опасной проблемой, которая часто выводит из строя средства защиты, стало глухое короткое замыкание. Во время возникновения такого КЗ показатели тока достигают наиболее высоких значений.

Когда происходит разрыв цепи при возникновении такой проблемы, часто возникает электрическая дуга, которая за короткий промежуток времени вполне способна разрушить изоляцию и оплавить металлические детали аппарата.

Если возникает слишком большой ток перегрузки, то он может привести к тому, что возникнет перегрев токопроводящих деталей. Кроме того, возникают механические силы, которые значительно увеличивают износ отдельных элементов у оборудования, что иногда может привести даже к поломке приспособления.

Есть быстродействующие выключатели, которые подвержены таким проблемам, как задевание подвижного рычага и подвижного контакта о стенки дугогасительной камеры, а также замыкание шины размагничивающего витка на корпус. Достаточно часто наблюдается слишком сильный износ контактных поверхностей, поршней и цилиндров приводов.

Ремонт быстродействующих аппаратов

Ремонт аппарата защиты быстродействующего типа любого вида необходимо выполнять в одной и той же последовательности. Быстродействующий выключатель, или БВ, продувается чистым сжатым воздухом под давлением не более 300 кПа (3кгс/см²). После этого прибор протирается салфетками. Далее необходимо снять такие элементы, как дугогасительная камера, блокировочное устройство, пневматический привод, якорь с подвижным контактом, индуктивный шунт и другие.

Непосредственно ремонт прибора осуществляется на специальном ремонтном стенде. Дугогасительная камера разбирается, ее стенки очищаются в специальной дробеструйной установке, после чего они протираются и осматриваются. В верхней части данной камеры могут быть допущены сколы, если их размеры не превышают показателей 50х50 мм.Толщина стенок в местах разрыва должна быть от 4 до 8 мм. Необходимо провести измерение сопротивления между рогами дугогасительной камеры. Для некоторых образцов показатель должен быть не менее 5 МОм, а для некоторых не менее 10 МОм.

Поврежденная перегородка должна быть срублена по всей ее длине. Все похожие места срубов должны быть тщательно зачищены. После этого смазывают склеиваемые поверхности при помощи клеящего раствора на основе эпоксидной смолы. Если были обнаружены изломанные веерные листы, то их заменяют. Если находятся изогнутые, то их необходимо выровнять и вернуть в эксплуатацию. Имеется также дугогасительная катушка, которая должна быть очищена от нагара и оплавлений, если таковые имеются.