Наиболее распространенным способом выполнения полупроводниковых измерительных реле, реагирующих на одну электрическую величину, к которым относятся реле тока и реле напряжения, является сравнение абсолютного значения подводимого к реле тока или напряжения с заданным значением напряжения постоянного тока. Для получения стабильного постоянного напряжения обычно используют стабилитрон. У реле тока воздействующей величиной является ток; его предварительно преобразовывают в напряжение. В остальном реле тока и реле напряжения мало чем отличаются [12]. Для выполнения реле с двумя электрическими величинами используют известные схемы сравнения электрических величин по их абсолютному значению и схемы сравнения электрических величин по фазе.
Реле тока и напряжения. На рис. 3.15 показана схема измерительного реле тока на основе одновибратора, выполненного на транзисторах VT1 и VT2 разной проводимости. В цепь выхода реле включен транзистор VT3. В нормальном режиме, пока амплитуда входного напряжения Uвх ниже напряжения пробоя стабилитрона VD, все транзисторы находятся в закрытом состоянии, конденсатор С разряжен, напряжение на выходе реле отсутствует. Срабатывание реле происходит, если амплитуда входного напряжения превышает напряжение пробоя стабилитрона.
|
|
При этом на базу транзистора VT1 подается открывающий отрицательный потенциал. Одновременно с VT1 открываются транзисторы VT2 и VT3, на выходе реле появляется сигнал, а через открытый VT1 создается цепь заряда конденсатора С. По мере его заряда потенциал базы VT2 повышается, что ведет к его закрытию. Если к этому моменту сигнал на входе реле исчезает, то закрывается и VT1. При этом цепь заряда конденсатора размыкается и конденсатор начинает разряжаться через эмиттерный переход транзистора VT3 и резисторы RI и R2. В связи с этим VT3 продолжает оставаться открытым до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не уменьшится почти до нуля.
Параметры схемы выбирают так, чтобы время от начала заряда конденсатора до момента закрытия транзистора VT3 было больше периода повторения входных импульсов. При этом на выходе реле получают дискретный потенциальный сигнал Uвых. Реле возвращается в начальное состояние только при снижении амплитуды входного напряжения ниже напряжения пробоя стабилитрона. Коэффициент возврата реле близок к единице.
Реле тока типа РТЗ-50 используют в схемах защиты от замыкания на землю в сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями. Реле состоит из входного насыщающегося трансформатора тока TLAT, выпрямителя VS1, двухкаскадного усилителя релейного действия на транзисторах VT1 и VT2 и блока питания (рис. 3.16). Первичная обмотка TLAT имеет четыре вывода для дискретного изменения трех диапазонов уставок тока срабатывания. Непрерывное изменение тока срабатывания в пределах выбранного диапазона осуществляется резистором R7.
|
|
При больших кратностях тока на вторичной обмотке TLAT вследствие его насыщения появляются значительные пики напряжений. Для защиты схемы предусмотрен газовый разрядник F. Резистор R2 ограничивает ток при действии разрядника. Конденсатор С1 служит для сглаживания выпрямленного напряжения. Диод VD2 и резистор R5 предназначены для компенсации изменения чувствительности реле при изменении температуры. Для устранения помех со стороны входных цепей к переходу эмиттер — коллектор VT1 подключен конденсатор С2.
Исполнительный элемент - электромагнитное реле К - включен в цепь коллектора транзистора VT2. При возврате реле, когда транзистор VT2 закрывается, разрывая цепь обмотки исполнительного элемента, могут возникнуть перенапряжения, опасные для VT2. Для их исключения к обмотке реле К подключена цепь VD4, СЗ, R10. Блок питания состоит из выпрямителя VS2, конденсатора С4, сглаживающего выпрямленное напряжение, стабилитронов VD5, VD6, обеспечивающих стабильность напряжения питания реле, и ограничивающих резисторов R12-R14.
Работа двухкаскадного усилителя рассмотрена выше (см. § 3.2). Реле РТЗ-50 имеет коэффициент возврата не менее rв=0,9, время срабатывания при двукратном токе - не более tc.p = 0,1 с [13].
Реле тока с ограниченно зависимой выдержкой времени устанавливается на выключателях типа автомата «Электрон». Блок защиты содержит два полупроводниковых реле - с ограниченно зависимой характеристикой (реле перегрузки) и с независимой характеристикой (реле отсечки). Он является полупроводниковым аналогом рассмотренного выше (см. § 2.6) индукционного реле РТ-80. Исполнительным элементом защиты является максимальный расцепитель, катушка которого подключена к источнику оперативного тока через тиристор, закрытый в нормальном режиме. В режимах, требующих отключения автомата, на тиристор поступают отпирающие импульсы, вырабатываемые блокинг-генератором.
Упрощенная схема реле с ограниченно зависимой выдержкой времени показана на рис. 3.17. Реле выполнено на основе триггера, отличающегося от рассмотренного выше симметричного триггера (см. рис. 3.8) тем, что на эмиттерный переход одного из транзисторов (VT1) подано закрывающее напряжение (с делителя R5 - R6). На вход триггера (базу VT1) подано напряжение U, выпрямленного тока, пропорциональное току первичной цепи автомата, а к выходу триггера (коллектору VT2} присоединена времязадающая цепь RIO, CI. Кроме того, имеется вторая времязадающая цепь R11, R12, С2, входное напряжение U2 которой также пропорционально току автомата. Выходы указанных цепей подключены к диоду VD3 (выход второй цепи через R14 а обмотку обратной связи блокинг-генератора). Полярность напряжений на конденсаторах CI и С2 является открывающей для диода VD3, однако в нормальном режиме он закрыт, так как к его аноду через резистор R13 подан закрывающий потенциал. При ртом напряжение на конденсаторе С1 близко к нулю, так как он закорочен открытым транзистором VT2 и диодом VD1, а напряжение на конденсаторе С2 невелико. На закрытом диоде VD3 размыкается цепь положительной обратной связи блокинг-генератора и он затормаживается.
Когда напряжение U1 соответствует току срабатывания, триггер переключается и начинается заряд конденсатора С1. Через некоторое время напряжение на конденсаторе С1 оказывается достаточным для открывания диода VD3; при его открывании запускается блокинг-генератор, тиристор отпирается и автомат отключается. Большему току автомата соответствует большее зарядное напряжение U2, поэтому с возрастанием тока напряжение на конденсаторе С2 измеменяется быстрее, а время действия защиты сокращается.
|
|
В независимой части характеристики срабатывания зарядное напряжение конденсатора С2 не должно зависеть от тока первичной цепи. Для выполнения этого условия в схему включен стабилитрон VD2. Диод VD1 служит для быстрого разряда конденсатора С1 после исчезновения кратковременной перегрузки.
Если из рассмотренной схемы исключить элементы, изображенные ниже нулевой шинки, и соединить с ней нижний вывод резистора R.14, то получится схема реле с независимой характеристикой. Такую схему имеет реле отсечки, которая может быть мгновенной или иметь небольшую выдержку времени.
Реле направления мощности. Полупроводниковые элементы позволяют выполнить реле направления мощности на основе сравнения двух электрических величин как по их абсолютному значению, так и по фазе.
Сравнение двух векторов А и В по абсолютному значению можно произвести, например, с помощью схемы с циркуляцией выпрямленных токов (рис. 3.18, а). Схема состоит из двух выпрямительных мостов, выпрямляющих сравниваемые величины А и Б, н реагирующего элемента - нуль-индикатора ЕА. В зависимости от соотношения А и В направление постоянной составляющей /о тока в реагирующем элементе может измениться на противоположное.
При |А| > |Б| ток имеет одно направление - положительное, показанное на рис. 3.18,а, а при |А| < |Б| - отрицательное. Изменение направления тока используется для действия реле направления мощности. Для этого реагирующий элемент должен обладать направленностью действия, т. е. срабатывать только при одном определенном направлении тока. Таким свойством, как указывалось выше (см. § 2.7), обладают высокочувствительные магнитоэлектрические или поляризованные реле. Для этой цели могут быть также использованы, например, электромагнитные реле с транзисторными усилителями постоянного тока.
|
|
На рис. 3.18, б дана векторная диаграмма, характеризующая работу реле, сравнивающая абсолютное значение величины Å = Ůреja + kİp c абсолютным значением величины B = Ůреja - kİp. Здесь коэффициенты k1 = k3 = еja, а k2 = - k4 = k. Реле срабатывает если |А| > |Б|. При построении за исходный принят вектор напряжения Ůреja, повернутый относительно вектора Ůр на угол a.При этом вектор тока İp отсекает от вектора напряжения Ůреja на некоторый угол, равный (jр + a). При изменении угла jр концы векторов Å и В перемещаются по окружности радиусом kİp с центром в конце вектора Ůреja, а их модули изменяются так, что |А| оказывается равным, меньшим или большим |В|. Таким образом, рассматриваемая схема представляет орган направления мощности, так как действует в пределах узлов – (p/2 + a) £ jp £ (p/2 - a).
Сравнить две величины по фазе можно путем определения доли полупериода, в течение которой мгновенные значения сравниваемых величин совпадают по знаку. Так, если две величины совпадают по фазе, то знаки их мгновенных значений одинаковы в течение всего полупериода. С увеличением расхождения по фазе доля полупериода, в течение которой знаки величин совпадают, уменьшается и при расхождении их по фазе на угол л равна нулю.
На рис. 3.19,а показано изменение во времени двух синусоидальных величин А и В, причем В отстает от А на угол j, который определяет время совпадения
tc = (T/2)(1 - |j| / p). (3.1)
Устройство можно выполнить таким образом, что оно будет действовать в случае когда время совпадения tc сравняется с временем несовпадения tнс или будет больше него: tc ³ tнс. Время tнс определяется выражением
tнс = T/2 – tc – (T/2p)|j| (3.2)
На рис 3.19,6 приведены зависимости tc = f |j| и ktнс = f |j|, гае k - постоянный коэффициент. Точки пересечения этих характеристик определяют зону, в которой удовлетворяется условие срабатывания реле; отсюда
|j| < p / (k + 1) или - p / (k + 1) < j < p / (k + 1) (3.3)
При k = 1 выражение (3.3) принимает вид - p / 2 £ j £ p / 2. Таким образом, реле, действующее в зависимости от соотношения между tc и tнс, действует как реле направления мощности.
Так выполнено, в частности, реле для автомата обратной мощности [14]. Можно так же выполнить реле, в котором время tc сравнивается с некоторым заданным временем, или использовать импульсный способ сравнения фаз [8].
Дифференциальное реле тока с торможением. В некоторых защитах, например дифференциальных, для повышения чувствительности используют реле, ток срабатывания которых автоматически изменяется с изменением тока управления, называемого тормозным током Iтрм. Зависимость эта может иметь вид, указанный на рис. 3.20. Реле с такой характеристикой называют дифференциальным реле тока с торможением (см. § 1.5). Степень торможения определяется наклоном характеристики, т. е. отношением Iс.р/Iтрм, которое называют коэффициентом торможения kтрм.
На рис. 3.30 ток срабатывания
Ic.p = I`c.p + Ic.p min + kтрм Iтрм + Ic.p min
Таким образом, реле с торможением срабатывает при условии
Ic.p - kтрм Iтрм - Ic.p min = 0 (3.4)
где Ic.p min – минимальный ток срабатывания реле при отсутствии торможения.
Из (3.4) следует, что реле с торможением основано на сравнении двух электрических величин. Поэтому для ее выполнения можно использовать уже рассмотренную схему (см. рис. 3.18, а), сравнивающую электрические величины А и В по их абсолютному значению.
Если принять A = kp İраб, a B = kтIтрм , то при Ic.p min = 0 реле срабатывает при |А| - |В| = 0, т.е. при условии
kp İраб - kтIтрм = 0. Реагирующий элемент выполняется с конечной чувствительностью, некоторым напряжением действия, для преодоления которого при Iтрм = 0, необходимо чтобы A = kp Ic.p min. С учетом этого условие срабатывания принимает вид
kp Ic.p - kтIтрм - kp Ic.p min = 0,
откуда
Ic.p - kтрмIтрм - Ic.p min = 0
Реле сопротивления. На рис. 3.21 показана упрощенная схема реле со смещенной характеристикой (см. рис. 2.17, в). Реле выполнено на основе сравнения двух величин А и Б по абсолютному значению. При этом коэффициенты k1 и k3, приняты вещественными, k4 = 0, а k2 должен быть комплексным. Соответственно величина В подводится к схеме сравнения непосредственно через трансформатор напряжения TLV, а величина A получается путем суммирования слагаемого k1 Up с двумя составляющими: вещественной частью слагаемого k2 Ip, получаемой от трансформатора тока TLA, нагруженного резистором, и мнимой частью, получаемой от трансреактора TAV. Схема сравнения содержит два двухполупериодных выпрямителя VS1 и VS2 и реагирующий элемент ЕА. Для сглаживания пульсации выпрямленных токов предусмотрен конденсатор С. Время действия такого реле сопротивления составляет tс.р = 0,04 - 0,06 с и не зависит от Zp.
В сельских сетях напряжением 6 - 20 кВ для защиты секционированных линий с двусторонним питанием и многократно секционированных радиальных линий с односторонним питанием применяется дистанционная защита типа ДЗ -10.
Защита содержит пусковой орган - трехфазное реле полного сопротивления (или реле тока) мгновенного срабатывания и измерительный орган - трехфазное реле полного сопротивления, имеющее непрерывно зависимую от удаленности места повреждения (от Zp) выдержку времени. Реле выполнено на основе схемы сравнения величин A и В по их абсолютному значению. Причем сравниваются минимальное значение одной величины с максимальным значением другой. Этим достигается независимость Zp от видa многофазного короткого замыкания Выделение минимального; и максимального значений сравниваемых величин производят с помощью миниселектора и максиселектора.
У измерительного органа защиты ДЗ-10 (рис. 3.22, а) миниселектор состоит из диодов VD1 - VD3 и представляет собой устройство, на вход которого подаются выпрямленные напряжения (U01, U02, U03) пропорциональные линейным напряжениям Uab, Ubc, Uca, а на выходе всегда выделяется наименьшее из напряжений U01 - U03. Таким образом, выходное напряжение миниселектора всегда пропорционально напряжению поврежденных фаз kuUk - максиселектор состоит из диодов VD10 - VD15 и представляет собой устройство, на вход которого подаются с трансреакторов TAVI - TAV3 напряжения,
пропорциональные разности фазных токов (1а - 1б), (1б - 1с) и (1с - 1а), а на выходе выделяется наибольшее из указанных напряжений. Оно пропорционально токам поврежденных фаз k1Ik. Выходы селекторов соединены с рассмотренной выше схемой сравнения. Реагирующим элементом схемы является магнитоэлектрическое реле К. Напряжение на его обмотке ограничивает диод VD7, конденсатор С4 сглаживает пульсации сравниваемых величин, а резистор К7 создает режим критического успокоения рамки реле.
Для получения зависимой от Zр выдержки времени срабатывания реле сравниваемая величина k1Ik подводится к реагирующему элементу через цепь К8 - С5. При этом напряжение на конденсаторе С5 возрастает по закону uc = k1Ik (1 - еt/(RC)) (при разомкнутом контакте КА.1). Сравниваются между собой uc и kuUk. Граничным условием срабатывания реле сопротивления является равенство
kuUk = k1Ik (1 - e –tср/(RC)),
или
Zcp = Zу (1 - e –tср/(RC)).
Отсюда
tc.p = RC ln [Zу(Zу - Zcp)],
где Zу = k1Ru - сопротивление уставки реле.
Характеристика tс.р=f(Zр) показана на рис. 3.22, в. Выражение (3.5) для tс.р справедливо, если перед зарядом конденсатора С5 напряжение uc = 0. Это условие обеспечивается тем, что конденсатор С5 закорочен размыкающим контактом КА.1 пускового органа защиты, содержащего реле тока. Работу ми-ниселектора поясняет эквивалентная схема цепи сравнения (рис. 3.22,6), на которой К - сопротивление реагирующего элемента, U01, U02, U03 - напряжения на входах миниселектора, uc - напряжение, подаваемое к цепи сравнения от конденсатора С5. Пусть выполняется условие U01 < U02 < U03 . Если при этом uc < U01, то все диоды VD1 - VDЗ оказываются закрытыми (такое состояние схема имеет до срабатывания пускового органа). После срабатывания пускового органа (КА.1 размыкается) напряжение ис начинает нарастать. С момента времени, когда оно достигает значения ис >U01, диод VD1 открывается и под действием напряжения ис - U01 начинает проходить ток i в направлении, показанном на рис. 3.22, б стрелкой. Диоды VD2 и VDЗ продолжают оставаться закрытыми, так как к первому из них прикладывается запирающее напряжение U02 - uc, а ко второму - напряжение U03 - uc. Таким образом, ток в реагирующем элементе определяется разностью напряжения uc и наименьшего из напряжений U01 - U01.
Так как до срабатывания пускового органа защиты диоды миниселектора VD1 - VDЗ закрыты, то контактом КА.2 пускового органа к схеме сравнения подключаются цепи VD4 - К4, VD5 - К5, VD6 - К6, создающие тормозной ток. Этот ток необходим для надежного возврата реле К.
Диоды VD10 - VD15 в режиме максиселектора работают по обычной схеме выпрямления. Выходное напряжение U`0 этой схемы при двухфазных замыканиях оказывается меньшим, чем при трехфазных. Чтобы сравниваемая величина не зависела от вида повреждения, при двухфазных замыканиях к напряжению V прибавляется выпрямленное напряжение U"0 второй гармонической, выпрямитель которой собран на диодах VD8 и VD9.
Реле частоты. Рассмотренное выше индукционное реле частоты имеет два существенных недостатка: оно чувствительно к изменению напряжения и может ложно срабатывать при его резких изменениях. Более совершенными являются реле понижения частоты типа РЧ-1 и реле повышения частоты типа РЧ-2, выполненные на основе полупроводниковых элементов. Схемы этих реле аналогичны. Реле РЧ-1 содержит частотно-зависимый элемент, рассмотренный выше (см. § 1.6). Изменение частоты напряжения Uр на входе, схемы сопровождается изменением угла j между напряжением U1 и U2 на выходе схемы.
Структурная схема реле показана на рис. 3.23, а, а временные диаграммы, поясняющие его работу, - на на рис.3.23,б,в. Напряжение Up через разделительный трансформатор ТL и частотный фильтр ZР, устраняющий влияние высших гармонических на работу реле, подается на фазоповоротную схему, состоящую из делителя напряжения АV и двух частотно-зависимых элементов АF1 и АF2. Первый из них служит для изменения частоты срабатывания, а второй - для изменения частоты возврата реле. В случае необходимости элемент АF2 можно подключить к схеме через внешний контакт К.
Напряжения U1 и U2 подаются на входы идентичных формирователей импульсов, соответственно F1 и F2, которые преобразуют синусоидальные напряжения u 1 и и2 в импульсы ии1 и ии2 прямоугольной формы длительностью до половины периода каждый. Дифференцирующий элемент АD формирует из переднего фронта импульса ии2 короткий импульс ии2, который вместе с прямоугольным импульсом ии1 подается на логический элемент D, выполняющий логическую операцию запрет. Способность предохранителя характеризуется номинальным током отключения I пр.откл, являющимся наибольшим током, при котором предохранитель разрывает цепь без каких-либо повреждений, препятствующих его дальнейшей работе после смены плавкой вставки.
Таким образом, предохранитель является устройством защиты и коммутации. Его защитные свойства, определяемые защитной характеристикой, не удовлетворяют ряду указанных требований. Отметим, что при перегрузках и коротких замыканиях возможно перегорание предохранителя только в одной фазе. При этом создается опасный неполнофазный режим. Отключающая способность у существующих предохранителей достаточно высокая, и возможности ее дальнейшего повышения еще не исчерпаны. Поэтому для усовершенствования предохранителей следует вести работы в направлении повышения их номинального тока отключения.
Как защитное устройство предохранитель принципиально несовершенен. Поэтому защитные функции предохранителя, особенно на напряжения 35 - 110 кВ, следует возложить на более совершенные устройства, например релейную защиту. Эта идея реализована в управляемом предохранителе [17 - 19].
В релейной защите и автоматике находят применение электротепловые реле, работа которых основана на явлениях выделения теплоты при прохождении электрического тока. В них, в частности, используют биметаллические элементы, которые в зависимости от конструкции реле могут иметь непосредственный, косвенный или комбинированный нагрев.
Защитная характеристика электротеплового реле должна удовлетворять требованиям, которые предъявляются к защитным характеристикам предохранителей. Необходимо отметить, что у электротепловых реле она более удовлетворительна при малых кратностях тока, чем у предохранителей. Однако в связи с недостаточным быстродействием электротепловое реле нельзя использовать для защиты от короткого замыкания, так как нагревательные элементы и биметаллический элемент могут сгореть раньше, чем сработает реле. Необходимо или защищать реле, включая последовательно с ним плавкий предохранитель, или, как это выполнено у автоматических выключателей, предусматривать максимальный электромагнитный расцепитель мгновенного действия. Недостатком реле является также зависимость его защитной характеристики от окружающей среды.
Аналитическое выражение защитной характеристики электротеплового реле получить весьма сложно. Поэтому в каждом отдельном случае защитную характеристику находят опытным путем.
4.2. Конструкции плавких предохранителей и электротепловых реле
Предохранители для установок напряжением до 1000 В. В настоящее время широко применяются предохранители серии ПР-2 с плавкими вставками на номинальный ток /вс. ном = 6 - 1000 А (рис. 4.1). Патрон предохранителя ПР-2 состоит из толстостенной фибровой трубки 1, на концах которой плотно укреплены латунные втулки 2. На втулках имеются колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 3, привинченную к контактным ножам 5. Такая конструкция позволяет легко производить смену плавкой вставки в условиях эксплуатации. Плавкая вставка предохранителя выполнена из листового цинка. Она имеет перешейки, которые облегчают гашение дуги при токах короткого замыкания. Гашению дуги способствует выделение газов фибровой трубкой, которые, поступая в ствол дуги, деионизируют его и создают повышенное давление в патроне. При токах короткого замыкания развивается значительное давление. Отключающая способность предохранителей серии ПР-2 сравнительно невелика. Их допускается применять в небольших, преимущественно передвижных установках.
Более совершенными являются плавкие предохранители с наполнителем, распространенной серией которых являются предохранители ПН-2 на номинальные токи /пр. ном = 100 - 1000 А и напряжение Uпр. ном = 380 - 500 В. Номинальный ток отключения достигает Iпр. отоп = 50 кА (действующее значение). Предохранитель (рис. 4.2, а) состоит из фарфорового патрона 3, заполненного кварцевым песком (наполнителем), и плавкой вставки 2. Контактные стойки 1 крепятся на изолированном основании 4. Плавкая вставка представляет собой узкие ленты с выштампованными отверстиями (рис. 4.2,6). В середине каждой ленты на широкой части находится оловяный растворитель, ускоряющий процесс плавления чугунной вставки. Это делает защитную характеристику более приемлемой при малых кратностях тока. Наполнитель охлаждает газы, снижает давление внутри патрона, деионизирует ствол дуги при срабатывании предохранителя.
Более совершенными являются насыпные предохранители серии ПП-31 с неразборным патроном на ток Iпр. ном = 32 - 1000 А, напряжение Uпр. ном = 660 В переменного и Uпр.ном = 440 В постоянного тока. Все токоведущие части предохранителей, в том числе плавкая вставка, выполнены из алюминия. Номинальный ток отключения не менее Iпр.откл = 100 кА. Замена предохранителей общепромышленного исполнения серии ПН-2 на предохранители ПП-31 позволит сэкономить большое количество медного проката. Защитные характеристики - зависимости времени перегорания tпр от тока предохранителей с наполнителем - представлены на рис. 4.3. Предохранители для установок напряжением выше 1000 В. Отечественная промышленность выпускает кварцевые предохранители типа ПК для внутренней и наружной установки (рис. 4.4, а). Патрон предохранителя состоит ил фарфоровой трубки 1, плотно закрытой металлическими колпачками 2. Для улучшения условий гашения дуги патрон заполнен мелким кварцевым песком (наполнителем). Плавкая вставка 3 состоит из одной или нескольких параллельно включенных медных проволок. Для улучшения защитной характеристики (рис. 4.4, б) используют оловянный растворитель плавкой вставки. Перегорание предохранителя сопровождается срабатыванием указателя 4. Предохранители типа ПК используются в установках напряжением 6, 10 и 35 кВ.
Выпускается также стреляющий (газогенерирующий) предохранитель типа ПС-35МУ1 для защиты сетей и электрооборудования наружных установок напряжением 35кВ. Предохранитель создан на основе разработок Ульяновского политехнического института [20, 21]. Конструкция и защитные характеристики предохранителя показаны на рис. 4.5, а, б. Плавкая вставка расположена внутри патрона 1. При перегорании плавкой вставки контактный нож 4 под действием пружины тянет за собой гибкую связь 3. Электрическая дуга, возникающая на месте перегоревшей плавкой вставки, вызывает выделение газа из стенок винипластового патрона 1. Давление в трубке повышается и создается продольно-поперечное дутье, гасящее дугу.
Для повышения давления в патроне при гашении дуги с малыми токами в металлическом патрубке 2 предохранителя предусмотрен медный клапан, закрывающий поперечное дутьевое отверстие патрубка. При гашении больших токов короткого замыкания дуга развивается интенсивно, давление в патроне быстро возрастает и выбрасывает клапан, открывающий отверстие патрубка. Предохранитель способен отключить токи Iпр. откл = 0,015 - 3,2 кА.
Выпускается также предохранитель ПС-110У1 [22] для защиты установок 110 кВ на номинальный ток Iпр.ном = 50 А. В отличие от предохранителя ПС-35МУ1 используется патрон без бокового патрубка и отсутствует контактный нож. Сравнительно высокая отключающая способность предохранителя достигнута за счет специальной конструкции дугогасительной камеры. Предохранитель отключает токи Iпр.откл = 0,01 - 2,5 кА.
Электротепловое реле. Разновидностью электротеплового реле является термобиметаллический расцепитель автомата типа А-3100 (рис. 4.6, а). Биметаллический элемент реле 1 имеет форму полукольца с выступом, на котором расположен установочный винт 2. Элемент соединен заклепками с токоведущими шинами 5 и 6. Параллельно биметаллу подключен нагреватель 4. Наличие нагревателя позволяет увеличить выдержки времени реле Iс.р при перегрузках (рис. 4,6, б). Расцепитель действует следующим образом. При перегрузке термобиметаллический элемент прогибается под действием теплоты, выделяемой непосредственно в нем и в нагревателе. Установочный винт 2 воздействует на рейку 3, которая, поворачиваясь, освобождает удерживающие рычаги механизма свободного расцепления и под действием пружин автомат отключается.
В настоящее время для защиты асинхронных электродвигателей, работающих в условиях сельскохозяйственного производства, применяется температурная защита, основным элементом которой являются терморезисторы, встраиваемые в лобовые части обмотки статора [23]. При определенной температуре сопротивление терморезисторов скачкообразно изменяется в 100 раз и более. Это их свойство и положено в основу температурной защиты. Различают терморезисторы с отрицательным и положительным температурными коэффициентами сопротивления. У первых при повышении температуры сопротивление уменьшается, а у вторых, называемых позисторами, - увеличивается. Существуют различные схемы температурной защиты на основе терморезисторов.
§ 4.3. Управляемые предохранители
Предохранитель выполняет две функции - коммутационного аппарата, заменяя выключатель, и защитного устройства, заменяя устройство простейшей (токовой) релейной защиты. Во всех случаях, когда предохранитель может успешно выполнить указанные функции, его рекомендуется применять, так как он значительно дешевле выключателя и релейной защиты, вместе взятых.
Область применения предохранителя ограничена главным образом его недостатками как защитного устройства. Поэтому целесообразно использовать предохранитель как коммутационный аппарат, управляемый устройствами релейной защиты.
Принципы управления предохранителями рассмотрены в [17]. В настоящее время имеются разработки, позволяющие создать управляемые предохранители на напряжения до 110 кВ. Отечественная промышленность выпускает аппарат УПС-35У1, предназначенный для защиты понижающих трансформаторов 35/6 - 10 кВ мощностью до 6,3 MB-А [24, 25].
Разработанные конструкции управляемых предохранителей выполнены на основе принципа механического разрыва цепи плавкой вставки по сигналу релейной защиты.
Управляемый предохранитель напряжением до 1000 В. Он выполнен на основе предохранителя ПН-2 [26]. Устройство (рис. 4.7) состоит из ленточной плавкой вставки 1, концы которой зажимаются между контактным ножом 2 и стальной пластинкой (режущим ножом) 3. Плавкая вставка проходит через прорезь во втулке из диэлектрического материала, соединенной с механическим приводом (привод не показан). Для обеспечения герметизации и предотвращения попадания частиц кварцевого песка 5 в зазор между втулкой и патроном предохранителя 6 предусмотрены уплотнения 7.
При перегрузке защищаемого элемента срабатывает максимальная токовая защита и приходит в действие привод; связанная с ним втулка 4 поворачивается и натягивает плавкую вставку 1. Режущие ножи 5 врезаются в плавкую вставку и разрывают ее. Возникшая дуга гаснет и происходит отключение в соответствии с характеристикой релейной защиты. При коротком замыкании управляемый предохранитель работает как обычный, так как его плавкая вставка сгорает раньше, чем сработает релейная защита и подействует привод.
Управляемый предохранитель на основе кварцевого предохранителя типа ПК [27]. В этом устройстве объединены плавкая вставка и биметаллический элемент. При перегрузках защитная характеристика определяется биметаллическим элементом, а при коротких замыканиях - плавкой вставкой. В контактный колпак (рис. 4.8, а), состоящий из контактного кольца 1 и крышки 4, помещается изоляционный 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 отверстия для неподвижных контактов 5 и пружины 6, количество которых соответствует количеству элементов плавкой вставки 19. Пружины 6 обеспечивают малое переходное сопротивление между неподвижными контактами 5 и мембраной 7. Контакты 5 соединяются с элементами плавкой вставки 19 проводниками 9. Контактная шайба 11 образует искровой промежуток 14 с элементами плавкой вставки 19. Стальной проводник 15, удерживающий указатель срабатывания, присоединяется к токоведущей шпильке 8. Крышка 4 крепится к контактному 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 параллельно плавкие вставки 19 и стальной проводник 15 (рис. 4.8,6). При токах перегрузки мембрана 7 нагревается до критической температуры и мгновенно переходит из положения 1 в положение 2 (рис. 4.8, а), размыкая (контактами 5) цепи плавких вставок (рис. 4.8,6). Ток перегрузки проходит только по стальному проводнику 15, после выгорания которого поочередно пробиваются искровые промежутки 14 и поочередно выгорают плавкие вставки 19. Таким образом, в каждой из плавких вставок проходит весь ток перегрузки, способствуя быстрому ее выгоранию.
В связи с этим защитная характеристика предохранителя при токах перегрузки располагается более полого, чем предохранителя типа ПК. При коротком замыкании управляемый предохранитель действует обычным способом. Разработана также конструкция управляемого предохранителя с приводом. При перегрузках предохранитель отключается релейной защитой [28].
Управляемый предохранитель УПС-35У1. Он содержит контактное устройство, которое разрывает цепь и отключает защищаемый элемент под действием привода при срабатывании релейной защиты. В случае необходимости последовательно с контактом включается плавкая вставка [24, 25]. При коротком замыкании она перегорает раньше, чем срабатывает релейная защита и действует на отключение электромеханического привода выключателя. В таких случаях управляемый предохранитель работает аналогично предохранителю ПС-35МУ1. Если срабатывает релейная защита, то под действием расцепителя освобождается вал 4 (рис. 4.9). При этом жестко связанные между собой изолятор-толкатель 3, контактный нож 2 и гибкая связь перемещаются вниз и контактная система, расположенная внутри патрона 1, размыкается. Возникшая электрическая дуга гасится. Условия гашения в основном аналогичны условиям гашения при перегорании плавкой вставки. При наличии контактного устройства и плавкой вставки номинальный ток управляемого предохранителя Iпр. ном = 50 А. Предохранитель отключает токи Iпр.откл = 0,015 - 1,6 кА. Отсутствие плавкой вставки исключает дополнительный подогрев предохранителя. При этом номинальный ток можно повысить до Iпр.ном = 130 А, а отключаемый номинальный ток - до Iпр.откл = 2кА. Рис. 4.8. Управляемый предохранитель, выполненный на основе предохранителя типа ПК
Управляемый предохранитель на 110 кВ. Он выполнен на основе предохранителя ПС-110У1 и может применяться для защиты трансформаторов до 16 MB-А [29, 30]. В отличие от управляемого предохранителя УПС-35У1 здесь целесообразно иметь светооптическую систему управления. Это существенно повышает быстродействие привода и обеспечивает полную механическую развязку элементов, имеющих высокий и низкий потенциалы.
Упрощенная конструкция предохранителя показана на рис. 4.10. Внутри патрона стандартного предохранителя на верхнем конце гибкой токоведущей связи 6 последовательно с плавкой вставкой 8 включен контакт розеточного типа 7. Гибкая токоведущая связь натянута спиральной пружиной, расположенной на поворотной оси подвижного контактного ножа 5. Появление значительных токов к.з. вызывает расплавление плавкой вставки. В этом случае работа аппарата не отличается от работы предохранителя. Наличие контакта позволяет отключить предохранитель при срабатывании релейной защиты, например газовой. При этом пофазно подается электрический импульс на зажигание источника света 10, находящегося со стороны заземления полого, герметически закрытого опорного изолятора. В верхней части изолятора расположен фотоэлемент 9, включенный в цепь управления усилительного устройства 2. Под воздействием светового потока фотоэлемент открывает силовую цепь усилительного устройства, обеспечивая срабатывание электромагнита отключения 12, поворот защелки 3 и освобождение рабочей пружины 11. Пружина 11 с помощью рычагов 4 поворачивает подвижный контактный нож, вытягивающий при этом из патрона гибкую токоведущую связь. Электрическая цепь разрывается контактным устройством. Гашение дуги происходит, как у обычного предохранителя. В качестве источника оперативного тока используется трансформатор тока 1, который вместе с усилительным устройством, электромагнитом отключения и рабочей пружиной закрывается кожухом 13.
Конструкция управляемого предохранителя значительно упрощается, если устройство релейной защиты и электромагнит отключения расположить непосредственно на каждом полюсе предохранителя. При этом отпадает необходимость иметь сложный привод, а в качестве первичных измерительных преобразователей тока можно использовать низковольтные трансформаторы тока. Работа по созданию таких предохранителей для сетей напряжением 35 - 110 кВ проводится Ульяновским политехническим институтом в содружестве с НПО «Уралэлек-тротяжмаш».
Раздел II