Методика приближенного расцета ПП.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

«Технические седства автоматизации и управления»

Разработчик: доц. Назаров А.А.

Владимир, 2012

Изучение и исследование аппаратуры защиты электрических цепей.

 

Методические указания к лабораторной работе № 1

Цель работы: знакомство с принципом действия автоматического воздушного выключателя(АВК), теплового реле (ТР) и плавких предохранителей(ПП);изучение их основных характеристик; исследование работы ТР в длительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах.

 

Общие положения.

АВК,ТР,ПП относятся к группе коммутационных аппаратов распределительных устройств, предназначеных для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ.По области применения названные аппараты для электрических систем и электроснабжения объединяют в подгруппу аппаратов низкого напряжения (с номинальным напряжением до1000 В) и высокого напряжения(с номинальным напряжением более 1000 В).В данной лабораторной работе рассматриваются аппараты распределительных устройств низкого напряжения.

Основной характеристикой АВК,ТР,и ПП является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки(времятоковая характеристика).

Основные требования для аппаратов данной группы:

- времятоковая характеристика должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта;

- время срабатывания при КЗ должно быть минимально возможным;

- характеристики аппаратов должны быть стабильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежности защиты.

Автоматический воздушный выключатель.

АВК служит для автоматического отключения электрической цепи при перегрузках, КЗ, чрезмерном понижении напряжения питания, изменения направления мощности, а также для редких включений и отключений вручную номинальных токов нагрузки. В зависимости отвида воздействующей величины АВК делятся на максимальные автоматы по току, минимальные автоматы по напряжению, автоматы обратного тока, максимальные автоматы,работающие по производной тока, поляризованные максимальные автоматы и неполяризованные. АВК, обеспечивающие комбинированную защиту(максимальную по току и минимальную по напряжению), называются универсальными. АВК общепромышленного и бытового применения, имеющие лишь максимально токовую защиту, отрегулированную на заводе, называются установочными.

В любом АВК есть следующие основные узлы: токоведущая цепь дугогасительная система, привод АВК, механизм автомата, механизм свободного расцепления и элементы защиты - расцепители.

В автомате на ток более 200 А ( рис. 1 ) токоведущая цепь имеет главные 3 и дугогасительные 1 контакты. Включение АВК может производиться вручную рукоядкой 10 и электромагнитом 9. Звенья 11, 13 и упор 12 образуют механизм свободного расцепления. Откючение автомата может производиться рукояткой 10 или спомощью тепловых или электромагнитных расцепителей 4,5,6,8. Необходимую скорость расхождения контактов обеспечивает пружина 14.Гашение дуги происходит в камере 2.

Основными параметрами АВК являются: собственное и полное время откючения, номинальный двигательный ток, номинальное напряжение, придельный ток отключения.

 

Рис.1. Принципиальная схема АВК.

Тепловые реле.

Для защиты энергетического оборудования от токовых перегрузок широко распространены ТР с биметаллическим элементом. Биметаллический элемент состоит из двух пластин с различным коэффициентом линейного расширения α. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены за счет проката в горячем состоянии либо сваркой. Если такой элемент закрепить неподвижно и нагреть, то произойдет его изгиб в сторону материала с меньшим α. Нагрев биметаллического элемента может производиться за счет тепла, выделяемого током нагрузки в самой пластине или в специальном нагревателе. В современных ТР биметаллическая пластина имеет комбинированную систему нагрева. Как правило, ток срабатывания выбирается в пределах(1,1-1,4) I_н, где I_н - номинальный ток в цепи нагрузки, а время срабатывания составляет несколько секунд или минут и зависит от типа ТР и его конструкции.

Любые тепловые воздействия инерционны по своей природе, и прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Поэтому воздействие пластины на контакт передается, как правило, через ускоряющие устройства, наиболее совершенным из которых является “прыгающий” контакт (рис.2, а). В холодном состоянии биметаллическая пластина 3 занимает крайнее левое положение. Пружина 1 создает силу P, которая замыкает контакты 2. В момент, когда при нагреве пластины 3 нагревательным элементом 4 она изгибается вправо(по стрелке) и направлена на центр 0, пружина 1 развивает максимальную силу. При дальнейшем нагреве пружина 1 быстро переходит в крайнее правое положение и контакты 2 размыкаются с большой скоростью, обеспечивая надежное гашение дуги. После срабатывания ТР для нового включения в цепь нагрузки необходимо возвратить его контакты в исходное положение нажатием на кнопку возврата 5.

 

 

а) б)

Рис.2. Тепловое реле: а)-принципиальная схема; б)-зависимость времени срабатывания от тока при длительной нагрузке.

 

При длительной нагрузке (рис. 2, б) время срабатывания реле

где Т – постоянная времени нагрева;

I₀ – ток предварительной нагрузки;

I_∾ - ток, при котором реле срабатывает за время t_ср ››T;

I_ср - ток, при котором реле срабатывает за время t_ср , величина которого в относительных единицах

где X=I / I_н , X_ср=I_m / I_н , ɛ=I₀ / I_{н .}

Если реле включается в холодном состоянии(ɛ=0),то

При повторно-кратковременной нагрузке (рис.3) эквивалентный ток I_эдолжен соответствовать току срабатывания ТР

где ПВ=t_н / (t_н+t_п) 100% , θ_т=S²ɣC/(к_трs-I²℘₀ℒ_c)

℘₀–удельное сопротивление проводника, Ом∙м;

ℒ_c–температурный коэффициент сопротивления, I/град;

к_т - коэффициент теплопередачи, Вт/см²;

р – периметр поперечного сечения проводника, см²;

C – удельная теплоемкость материала проводника, Дж/(кг∙К) ;

ɣ - удельный вес материала проводника, кг/см³.

При кратковременной нагрузке эквивалентный ток

При коротком замыкании процесс нагрева идет без отдачи тепла, время срабатывания

Методика приближенного расцета ПП.

Расчот пограничного тока и защитной характеристики ПП ( рис 4) обычно довольно сложен, если учитывать влияние всех определяющих факторов. Остиановимся лишь на некоторых, наиболее простых расчетах, относящихся к открытым плавким вставкам в воздухе и к засыпным предохранителем.

Расчетный пограничный ток I_погр берется несклько больше номинального I_н. Отношение К₀=I_погр/ I_н для различных вставок равно: медные К₀= 1,6 – 2,0 ;серебряные К₀ =1,1 – 1,6; цинковые и свинцовые К₀=1,25 – 1,45.

Этот запас расчетного пограничного тока ПП в отношениях к номинальному току определяется возможностью снижения пограничного тока из-за уменьшения сечения плавкой вставки в процессе эксплуатации вследствие ее коррозии и технологических отклонений при изготовлении.Плавкая вставка не должна иметь заниженное сечение еще и потому, что в длительном режиме протекания номинального тока изоляционные и контактные детали ПП могли бы нагреться до недопустимо высокой температуры. Учет этого обстоятельства также приводит к повышению пограничного тока по отношению к номинальному. Пограничный ток бесконечно длинной открытой плавкой вставки в воздухе можно рассчитать на основе уравнения баланса подводимой и отводимой мощностей:

где К_т– коэффициент теплопередачи с наружной поверхности вставки;

Т_пл – температура плавления материала вставки, которая достигаеся при пограничном токе;

Т_окр – температура окружающей среды.

Сопротивление R плавкой вставки связано с удельным сопротивлением ρ₀материала плавкой вставки , его температурным коэффициентом α_c ,длиной ℓ и сечением Sсоотношением

R=ρ₀ (1+α_c Т_пл) ℓ/ S

Боковая поверхность охлаждения выражается через периметр поперечного сечения р и длину ℓ следующим образом:

S_бок= р ℓ

С учетом проведения зависимостей из (1) получаем

 

Для круглой плавкой вставки диаметром d(2) приобретает вид

 

С учетом того, что I_погр=К₀ I_н ,из (3) можно получить связь между диаметром dи номинальным токомI_нплавкой вставки .Одна из эмпирических формул для определения пограничного тока открытых плавких вставок в воздухе имеет вид, А

I_погр=А₀ d^3/2 ,

где d – диаметр вставки, мм.

Константа А₀ имеет следующие значения: 60- для меди, 44- для серебра, 128 – для олова, 24,6 – для свинца.

Другая эмпирическая формула для пограничного тока учитывает поправку на коэффициент теплопередачи, который при малом диаметре плавкой вставки имеет значение

Коэффициент к₁для различных материалов равен: 36 – для меди, 28 – для серебра, 6,2 – для цинка, 4,4 – для свинца. Зависимость коэффициента к₂от диаметра плавкой вставки приведена на рис. 5. Свойства наиболее употребительных материалов для плавких вставок даны в таблице.