Испытание предохранителей, автоматических выключателей и тепловых реле

Цель работы: ознакомиться с конструкцией предохранителей, автоматических выключателей и тепловых реле; определить зависимость времени срабатывания автоматических выключателей и тепловых реле от тока аварийного режима.

Теоретические сведения

Плавкие предохранители

Для защиты электрических сетей и приемников от токов короткого замыкания и перегрузок применяются предохранители.

По конструкции плавкие предохранители подразделяются на резьбовые (пробковые) и трубчатые. Рабочим элементом любого предохранителя служит металлическая плавкая вставка. Основными параметрами предохранителя являются номинальные значения токов и напряжения. Не разрешается устанавливать в сеть предохранители, параметры которых превышают номинальные значения. Номинальный ток предохранителя должен соответствовать наибольшему номинальному току плавкой вставки, которая в нем установлена. Так, в предохранителях на номинальный ток 15 А могут быть установлены плавкие вставки на 6, 10 и 15 А.

Трубчатый предохранитель состоит из двух ножей с присоединенной к ним плавкой вставкой, гаек и изоляционного патрона. Ножи вставляются в губки неподвижных контактов, к одному из которых подведен провод сети, а к другому — провод от электроприемника. У некоторых предохранителей роль ножей играют гайки, которые контактируют с неподвижными губками. Трубчатые предохранители заполнены кварцевым песком, облегчающем гашение дуги при плавлении вставки.

Плавкая вставка предохранителей расплавляется почти мгновенно при токах, величины которых в 5 и более раз превышают номинальную величину. Если же ток в цепи равен номинальному току плавления вставки, то она не расплавляется. При токах в 1,5 раза превышающих номинальный, плавкая вставка расплавляется примерно через 1 час, а в 2,5 раза — через 10 секунд. Плавкий предохранитель после срабатывания следует заменить новым.

Время расплавления вставки сильно зависит от состояния контактов предохранителя и самой плавкой вставки. Если контактные поверхности плохо пригнаны и сильно окислены, если контактные болты плохо затянуты, то вследствие повышенного переходного сопротивления контактов перегреваются не только контакты предохранителя, но и его плавкая вставка. То же может произойти и вследствие высокой температуры окружающего воздуха и так называемого «старения» металла вставки — со временем поверхность вставки окисляется и часто перегревается. Время отключения цепи плавким предохранителем зависит также от металла, из которого изготовлена плавкая вставка и типа примененного дугогасительного устройства.

Наибольший ток, который предохранитель может отключить без каких-либо деформаций, препятствующих его дальнейшей исправной работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключения предохранителя.

Недостатком некоторых типов предохранителей является также невозможность смены плавких вставок после их перегорания. Применение самодельных вставок приводит к неправильным отключениям цепей и нарушению питания потребителей.

Плавкие вставки предохранителей изготавливаются из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, алюминия, меди, серебра и некоторых других металлов. Для ускорения плавления вставки используется металлургический эффект — явление растворения тугоплавких металлов в расплавленных, менее тугоплавких.

Ускорение плавления вставки достигается также применением плавкой вставки специальной формы. При коротком замыкании узкие участки нагреваются настолько быстро, что отвод тепла почти не происходит. Вставка перегорает одновременно в нескольких суженных местах.

К достоинствам предохранителей можно отнести:

1. Небольшая стоимость.

2. Простота устройства и обслуживания.

3. Небольшие размеры.

Конструкции плавких предохранителей:

1. Пластинчатые.

2. Пробочные.

3. С открытыми фарфоровыми трубками.

4. Роговые предохранители (на опорных изоляторах).

5. Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме (типа ПР без наполнителя). Состоят из фибровой трубки, латунной втулки, колпачка, ножа, шайбы. Плавкая вставка из цинка. При перегорании возникает давление, что и гасит дугу. Эти предохранители относятся к токоограничивающим.

6. С закрытыми трубками и наполнителем типа ПН—2 на напряжение до 500 В и токи до 600 А. Плавкая вставка из мягких ленточек. Наполнитель — чистый кварцевый песок.

Выбор предохранителей производится по следующим условиям:

1. По номинальному напряжению U_ПР≥U_НОМ.

2. По номинальному току предохранителя I_ПР≥I_MAX.

3. По номинальному току плавкой вставки I_ВСТ≥I_MAX.

4. По предельному отключаемому току I_ОТКЛ≥I_ПО.

5. По току срабатывания I_ВСТ3.

Автоматические выключатели и тепловые реле

В отличие от плавких предохранителей электромагнитные и тепловые реле, а также автоматические выключатели максимального тока после их срабатывания можно вновь использовать для защиты цепей, для чего их контакты нужно вручную вернуть в исходное положение.

Действие электромагнитных реле и выключателей максимального тока основано на втягивании сердечника электромагнита при прохождении по его обмотке тока, величина которого превышает величину тока уставки.

При этом усилие через толкатель передается на удерживающую защелку контактной группы, в результате чего контакты аппарата под действием пружины размыкаются.

Если электромагнитные реле максимального тока размыкают цепь управления, то автоматические выключатели размыкают силовую цепь приемника электроэнергии. У автоматического выключателя номинальный ток значительно больше, чем у электромагнитного реле, поэтому и размеры его также больше.

Не всегда нужно отключать электрическую цепь при значительных, но кратковременных перегрузках, Например, не нужно отключать цепь электродвигателя при нормальном его запуске, хотя пусковой ток в 5...7 раз превышает номинальный. В электромагнитном аппарате защиты такой цепи предусматривают выдержку времени. При токе значительной перегрузки сердечник втягивается в обмотку электромагнита, но толкатель не сразу приподнимает защелку, поскольку усилие на рейку от сердечника передается пружиной. Рейка же находится в зацеплении с зубчатой передачей, последнее колесо которой имеет лопасти. Только через определенный промежуток времени защелка поднимается и контакты разомкнутся. Если же за это время ток в цепи уменьшится и сердечник возвратится в исходное положение, контакты не разомкнуться.

Работа тепловых реле и автоматов защиты основана на изгибе биметаллических пластин при нагреве. Биметаллическая пластина состоит из двух механически соединенных слоев различных металлов, один из которых обладает малым коэффициентом теплового расширения (пассивный слой), а другой — большим (активный слой). Поэтому прямая биметаллическая пластина при нагревании изгибается в сторону пассивного слоя. Когда по защищаемой цепи проходит ток, величина которого превышает номинальную величину, в нагревательном элементе (активном сопротивлении) тепла выделяется больше, чем при номинальном токе и биметаллическая пластина изгибается так, что ее незакрепленный конец через толкатель приподнимает защелку. При этом пружина разомкнет контакт. Роль нагревательного элемента может выполнить и сама биметаллическая пластина. Тогда к одному ее концу присоединяют провод сети, а к другому — провод приемника электроэнергии. Скорость увеличения температуры (следовательно, и изгибания) биметаллической пластины пропорциональна величине тока перегрузки.

Автоматические выключатели обладают рядом преимуществ перед плавкими предохранителями:

1. Использование не только как защитного, но и как коммутационного аппарата (некоторые марки автоматов имеют дистанционное управление).

2. Меньшие габариты и улучшенная электробезопасность при обслуживании.

3. После срабатывания через непродолжительное время (необходимое для остывания биметаллической пластины) вновь готов к повторному включению.

4. Благодаря регулируемому механизму защелки можно в некоторых пределах изменять уставку срабатывания.

5. При трехполюсном исполнении отключает сразу все фазы сети и не допускает несимметричного режима работы трехфазных приемников.

К недостаткам можно отнести более высокую стоимость и меньшую надежность в эксплуатации.

Тепловые реле используются в основном для защиты электродвигателей от ненормальных режимов работы: перегрузки, обрыва фазы, межвитковых замыканий и т.п., при которых потребляемый двигателем ток ненамного превышает номинальный и основная защита (предохранители или автоматические выключатели) не срабатывает. Это и является их основным преимуществом перед предохранителями или автоматическими выключателями.

Тепловые реле, как правило, не имеют силовых контактов, поэтому устанавливаются в комплекте с магнитными пускателями и воздействуют на цепь управления двигателем.

Программа работы и порядок ее выполнения

1. Ознакомьтесь с конструкциями низковольтных предохранителей, находящихся на стенде и снимите времятоковую характеристику медной проволоки диаметром 0,25 мм.

1.1. Заготовьте из медной проволоки вставки длиной 70 мм.

1.2. Установите вставку в патрон и заверните крышки предохранителя, затем вставьте предохранитель в гнезда стенда.

1.3. Ключ SA2 в левое положение. Включить автомат SF1.

1.4. Тумблерами SA3… SA7 установите ток вторичной цепи 35 А. для включения нагрузки нажмите кнопку SBC. Одновременно включите секундомер. Лампа HL1 сигнализирует о подаче напряжения на стенд, HL2 — наличие тока в цепи предохранителя.

1.6. При погасании HL2 остановите секундомер и запишите показания — время срабатывания предохранителя.

1.7. Отключите автомат SF1. Установите в предохранитель новую плавкую вставку.

1.8. В той же последовательности определите время срабатывания предохранителя при токах 15, 20, 25 А.

1.9. По результатам эксперимента постройте зависимость =f(I).

1.10. На этом же графике постройте расчетную зависимость

=f(I),

где  — расчетное время плавления вставки, определяемое по формуле: =(S²/I_Р)10⁵; с,

где S — сечение медной проволоки, мм²;

I_Р — рабочий ток вставки, А.

2. Ознакомьтесь с конструкцией автоматических выключателей АП-50 и ВА47-29 и определите время срабатывания их при различных токах перегрузки.

2.1. Включите автоматический выключатель SF-2 (ВА47-29; I_НОМ=6 А). Ключ SA1 — в левое положение. Установите ток во вторичной цепи 30 А, нажмите кнопку SBC и засеките время по секундомеру.

2.2. Определите время срабатывания теплового расцепителя SF-2.

2.3. Отключите автомат SF1.

2.4. Полученные результаты запишите в табл. 1. Посчитайте кратность перегрузки по формуле:

K=I/I_НОМ,

где I — ток нагрузки;

I_НОМ — номинальный ток автомата.

2.5. Через 3...5 минут, необходимых для остывания биметаллической пластины, включите автомат SF1 и и тумблерами SA3… SA7 установите ток вторичной цепи 35 А.

2.6. Повторите измерения для значений тока в цепи автомата 40, 45 и 50 А.

2.7. После подсчета величины I/I_НОМ постройте график =f(I/I_НОМ).

3. Ознакомьтесь с устройством автомата АП-50 (SF-3; I_НОМ=4 А), сняв с него крышку. Разберитесь во взаимодействии рычагов, пружин и расцепителей. На примере этого автомата убедитесь в действии электромагнитного расцепителя.

3.1. Включите автомат SF-3. Ключ SA1 – в правое положение.

3.2. Тумблерами SA3… SA7 установите ток вторичной цепи 50 А. Нажмите кнопку SBC — автомат отключится почти мгновенно.

3.3. Теперь проведите опыты с тепловым расцепителем. Порядок проведения опыта тот же, что и для п. 2.

3.4. Результаты измерений и расчетов запишите в табл. 1.

3.5. Постройте график зависимости =f(I/I_НОМ) и сравните его с таким же графиком для автомата ВА47-29.

4. Ознакомьтесь с устройством реле защиты ТРН-25-04 (I_НОМ=25 А). Для этого снимите изоляционную скобу, закрывающую нагреватель элемента с биметаллическими пластинами. Обратите внимание на клеммы, к которым присоединяются проводники от электроприемников и сети. Нажатием на биметаллическую пластину вызовите срабатывание реле, т.е. размыкание реле, а нажатием на кнопку «возврат» включите реле для проведения эксперимента.

4.1. Для определения времени срабатывания реле при различных токах перегрузки и для построения графика =f(I/I_НОМ) поставьте ключ SA2 в правое положение. Установите ток 30 А.

4.2. Запишите величину тока и время срабатывания реле при токах 35, 40, 45 А в последовательности, указанной в п.п.2, 3.

4.3. Подсчитайте величину I/I_НОМ и постройте график =f(I/I_НОМ).

Таблица 9