Как защитить тепловое реле от токов короткого замыкания

Особенности применения и срабатывания разных защит трансформатора

Источником питания электрооборудования на предприятиях являются силовые трансформаторы, чаще всего их работа связана с высоким напряжением (более 1000 В) и большими токами. Поэтому их габариты, стоимость, а также затраты на ремонт являются ощутимыми даже для крупного производства. В связи с этим соответственно, чтобы и сами эти дорогостоящие устройства и электрооборудование, которое с помощью их питается, были надёжно защищены применяется целый рад защит. Выбор их и настройка дело довольно непростое, поэтому стоит подробно разобрать каждый из них. Конечно же, это касается только крупных трёхфазных трансформаторов на подстанциях. Для питания и защиты маломощных трансформаторов достаточно автоматического выключателя или же предохранителей. Слишком дорого и неоправданно устанавливать полный список защит, например, на все сварочные трансформаторы, применяемые в цехе.

Автоматические выключатели

Они разрывают электрические цепи при коротком замыкании или повышенной нагрузке на электропроводку.

Важно знать: АВ защищают от пожара и короткого замыкания, но не спасают от поражения током!

Автоматические выключатели устанавливаются в распределительном щите. Они группируют бытовые приборы по мощности и месту расположения в доме. Например, группа из десяти ламп накаливания по 100 Вт каждая потребляет суммарный ток мощностью 1000 Вт и силой 4,5 А (сила тока тоже суммируется). Значит, для этой группы нужно использовать защитный автомат с номинальным током не больше 6 А. Если при аварии нагрузка вырастет выше 6 А, автомат отключит повреждённый участок.

Для каждой группы электропотребления рекомендуется ставить отдельный автомат. Например, для группы верхнего освещения на кухне, для посудомоечной или стиральной машины, для кухонных розеток и т. д. Это удобно: если случится проблема на одном из участков сети — отключится именно он, а не вся квартира.

Ниже в таблице приведён пример подбора автоматических выключателей и УЗО от Schneider electric серии Easy9, исходя из мощности потребителей, номинального тока и типа отключения.

Когда включается любой электроприбор, сила тока в сети кратковременно возрастает (пусковой ток). У одних приборов он меньше (чайник), у других больше (холодильник). Эта функция автомата предотвращает ложные срабатывания при включении/выключении потребителей тока.

Нажмите на изображение, чтобы раскрыть таблицу

От поражения током спасает УЗО — автоматическое устройство отключения. Это второй уровень безопасности. Например, по ряду причин произошла утечка тока, и под напряжением оказывается металлический корпус стиральной машины. Корпус изолирован, и ничего ужасного не произойдёт до тех пор, пока человек не прикоснётся к нему, — тогда ток пройдёт в «землю» сквозь тело человека и нанесёт серьёзную травму. Но если для подключения стиральной машины использовано УЗО, то в момент появления утечки тока на корпус машины сработает автоматика, цепь разорвётся и опасность будет устранена. Если человек случайно прикоснётся к части электрической сети под напряжением, УЗО также отключит питание этой цепи до того, как человек получит удар током, тем самым сохранив жизнь и здоровье.

Главный критерий выбора УЗО — это чувствительность к токам утечки (указан на корпусе в мА) Наиболее чувствительные — 10 мА, такие устанавливаются во влажных помещениях и детских. В остальных бытовых помещениях принято использовать устройства на 30 мА (см. таблицу).

Отдельного разговора заслуживают противопожарные УЗО, которые имеют более низкую чувствительность к токам утечки — как правило, 100 или 300 мА. Устанавливаются такие УЗО, как правило, в самом начале электрической сети и предотвращают ситуации, когда значительный ток утечки может нагреть, например, оболочку провода или часть стены, по которой этот провод проложен, и вызвать возгорание. Более низкая чувствительность позволяет организовать согласованную работу с другими УЗО, установленными ниже, и избежать ложных отключений электрической сети.

Примеры схем и их описание

Схемы защиты блока питания от замыкания на выходе или перегрузки строятся на разной элементной базе. Их можно разделить по типу применяемого в качестве ключа элемента.

На биполярном транзисторе

Несложную защиту от КЗ можно собрать на биполярном транзисторе. В качестве измерительного шунта применено сопротивление на 0,5 Ом.

В исходном положении транзистор T1 открыт (через резистор R1). Транзистор T2 закрыт. При увеличении тока через шунт и достижения на нем напряжения, достаточного для открывания транзистора T2, на базе T1 напряжение падает почти до нуля, он закрывается, прерывая ток. При этом загорается светодиод, сигнализируя о КЗ. При уменьшении тока ниже предела, схема возвращается в исходное положение.

При напряжении БП выше 25 и ниже 8 вольт, возможно, придется подобрать резистор R1 так, чтобы ключевой транзистор был надежно открыт. Резистор R3 можно применить готовый керамический или сделать из нихрома.

Ток срабатывания устанавливается подбором сопротивления шунта – чем оно выше, тем при меньшем токе сработает защита. Также на ток срабатывания влияет сопротивление резистора R2 и коэффициент усиления транзистора T2, в качестве которого может быть применен любой маломощный прибор структуры n-p-n. Рабочий ток ограничен наибольшим током коллектора ключа, в качестве которого может быть применен мощный транзистор n-p-n.

Врожденный недостаток подобного схемотехнического решения – через ключ течет полный ток нагрузки (и ток КЗ до момента закрывания транзистора). Поэтому ключевой элемент надо устанавливать на радиатор соответствующих размеров.

На полевом транзисторе

Этот недостаток можно несколько сгладить применением в качестве ключа полевого транзистора. Его сопротивление в открытом состоянии заметно ниже, значит, и рассеиваемая на нем мощность также меньше. Да и ток нагрузки ограничивается в меньшей степени.

Здесь ключ находится в отрицательной шине выходного напряжения. В исходном положении полевой транзистор открыт напряжением, поступающим через светодиод. Ток в этой цепи очень мал, светодиод не светится. Транзистор Т2 закрыт. При увеличении тока потребления напряжение на шунте R1 начинает расти, когда оно увеличится до уровня открывания Т2, ключ T1 закроется, а ток через светодиод увеличится, индицируя об активации защиты. Уровень срабатывания регулируется выбором сопротивления шунта.

Ток защиты можно настраивать и изменением сопротивления R4. Если вместо него установить потенциометр, можно сделать регулируемую защиту по току. Использовать в качестве R1 переменный или подстроечный элемент нельзя.

Транзистор T2 любой маломощный. Т1 должен быть рассчитан на полный ток нагрузки. Можно применить транзисторы из таблицы или другие подходящие по току и напряжению.

Если рабочий ток превышает 8..10 ампер, ключ надо установить на радиатор.

На тиристоре

Если нет мощного транзистора, защиту можно собрать и на тиристоре. Особенности данной схемы:

• используется второй признак короткого замыкания – снижение напряжения;
• защита работает в цепи выпрямленного (пульсирующего) напряжения (без сглаживающих конденсаторов).

Вторая особенность обусловлена тем, что тиристор выключается во время очередного снижения напряжения до нуля в конце полупериода. При постоянном напряжении он не закроется, пока не будет отключена нагрузка (или не выключится блок питания). Поэтому сфера применения этой схемы ограничена трансформаторными зарядными устройствами (аккумуляторам сглаживание напряжения не нужно).

Во время работы схемы, в начале каждого полупериода напряжение на делителе P1R4 возрастает, транзистор Т1 открывается, подавая напряжение на управляющий электрод тиристора. VS1 тоже открывается, пропуская полуволну синусоиды в нагрузку. Когда напряжение спадает, транзистор закрывается. Закрывается и тиристор, ведь в момент перехода через ноль ток через него падает до уровня, меньшего тока удержания. В новом полупериоде все повторяется снова. Если в результате КЗ напряжение на выходе снизится, транзистор не сможет открыться, не откроется и тиристор. Когда ток упадет номинального уровня, напряжение на выходе восстановится, и тиристор вновь откроется. Ток (точнее, напряжение) срабатывания устанавливается потенциометром Р1.

К недостаткам схемы можно отнести низкое быстродействие – если замыкание произойдет в начале полупериода, до отключения придется ждать его окончания – это 0,01 секунды (плюс время срабатывания тиристора), что достаточно много. Другая проблема – если замыкание произойдет в электрически удаленной точке и мощность источника будет высокой, необходимого снижения напряжения может и не произойти. Кроме того, снижение напряжения может произойти и не по причине сверхтока, и произойдет ложное срабатывание.

На реле

Несложную защиту моно выполнить на одном электромагнитном реле. Ее особенность в том, что реле является измерительным органом, пороговой схемой и ключевым элементом одновременно.

В исходном положении контакты реле находятся в положении, указанном на схеме. Положительная шина разомкнута, напряжения на выходе нет. При нажатии на кнопку S1 реле срабатывает, перекидной контакт переключается и обмотка реле самоблокируется во включенном положении. Загорится зеленый светодиод.

При возникновении короткого замыкания или перегрузки, достаточной для просадки выходного напряжения, напряжение снизится до уровня ниже напряжения удержания реле (оно всегда ниже напряжения срабатывания), реле отпустит, напряжение на потребителе исчезнет, зеленый светодиод погаснет, а красный загорится. Схема вернется в исходное положение, а для подачи напряжения на выход потребуется вновь нажать кнопку.

Кроме недостатков, характерных для всех схем, отслеживающих падение напряжение в результате сверхтока, данное решение имеет свои минусы. Ток срабатывания невозможно настроить — только подбором реле. Для выбора надо иметь запас элементов. Второе – точность настройки уровня отключения будет низкой. Ток срабатывания зависит от состояния механической части реле – упругости пружины, трения в поворотном механизме якоря и т.п. А оно может меняться при воздействии окружающей среды или просто со временем. Также следует учитывать механический износ и подгорание контактов реле при многократных срабатываниях.

Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.

Приведенные схемы не являются исчерпывающими. В литературе и интернете можно найти и другие узлы, но рассмотренные принципы построения являются базовыми, и понимание их работы позволит разобраться и в работе других, более сложных схем.

Подключаем схему в цепь. В роли нагрузки используется лампа накаливания. В роли источника — регулируемый источник постоянного тока на напряжение 5-15 В.

Пока устройство выключено — горит светодиод. Если нажать на кнопку, а лампа не загорится, значит на переменном резисторе установлен слишком большой порог. Нужно взять отвертку и выставить нужный.

Теперь если нажать на кнопку, то загорится лампочка. Схема работает. Стоит только замкнуть вывода лампы, как устройство тут же отключит ее от питания. И будет ждать повторного включения кнопкой.

Защита от короткого замыкания

Большинство современных способов защиты от короткого замыкания основаны на принципе разрыва электрической цепи, при обнаружении КЗ.

Самые простые устройства, которые есть во многих электроприборах, защищающие от последствий коротких замыканий – это плавкие предохранители.

Чаще всего, плавкий предохранитель представляет собой проводник, рассчитанный на определенный предельный ток, который он сможет пропускать через себя, при превышении этого значения, проводник разрушается, тем самым разрывая электрическую цепь. Плавкий предохранитель — это самый слабый участок электрической цепи, который первый выходит из строя под действием высокого тока, тем самым защищает все остальные элементы.

Для защиты от коротких замыканий в квартире или доме, используются автоматические выключатели -АВ (чаще всего их называют просто автоматы), они устанавливаются на каждую группу электрической сети.

Каждый автоматический выключатель рассчитан на определенный рабочий ток, при превышении которого он разрывает цепь. Это происходит либо с помощью теплового расцепителя, который при нагреве, вследствие протекания высокого тока, механически разъединяет контакты, либо с помощью электромагнитного.

Принцип работы автоматических выключателей — это тема отдельной статьи, о них мы поговорим в другой раз. Сейчас же, хочу еще раз напомнить, что от короткого замыкания не спасает УЗО, его предназначение совсем в другом.

Для того, чтобы правильно выбрать защитный автоматический выключатель, делаются расчеты величины возможного тока короткого замыкания для конкретной электроустановки. Чтобы в случае, если КЗ произойдёт, автоматика сработала оперативно, не пропустив резко возросший ток и не сгорев от него, не успев разорвав цепь.

Принцип действия

Принцип действия электромагнитного токового реле

Электромагнитный прибор срабатывает за счет э/м связи, создаваемой при протекании переменного тока через катушку и вызывающей притягивание обеих половинок сердечника. В этом простом на первый взгляд действии скрыты некоторые нюансы:

• имеющаяся на подвижной части пружина противодействует сближению двух его половинок;
• преодолеть ее сопротивление удается только при определенной силе тока в катушке;
• это значение и является основным показателем, характеризующим работу токового реле.

При появлении тока в катушке в сердечнике наводится ЭДС, за счет которой половинки притягиваются, но не до конца – сделать это им мешает пружина. При достижении им определенного значения ЭДС становится настолько большой, что преодолевает ее сопротивление.

Для возврата системы в первоначальное положение силу тока в реле потребуется уменьшить до определенной величины, зависящей от коэффициента возврата. Этот показатель связан с особенностями конструкции реле токов и напряжений и настраивается для каждого из них индивидуально. Для этого достаточно отрегулировать силу натяжения пружины, что можно сделать самостоятельно.

3.Централизованная защита с параллельным синхронизированным опросом каналов.

Следующий шаг в развитии защит от ОЗЗ требовал разработку устройств защиты, работающих в режиме импульсного сравнения токов нулевой последовательности во всех присоединениях, тем самым устраняя влияния несинфазности и несинхронности сравниваемых сигналов. Одной из таких разработок является защита типа Геум производства НПП «Микропроцессорные технологии» для сетей с изолированной (также способно работать и с резистивно-заземленной нейтралью) и компенсированной (комбинированной) нейтралью. Защита по принципу действия является централизованной токовой ненаправленной, сравнивающей амплитуды бросков емкостных токов нулевой последовательности во всех присоединениях защищаемой секции в момент срабатывания пускового органа, включенного на напряжение нулевой последовательности и определяющей повреждённое присоединение по наибольшей амплитуде. Ток срабатывания этой защиты не требуется отстраивать от ёмкостного тока каждого из защищаемых присоединений, что существенно повышает чувствительность защиты и тем самым выгодно отличает её от описанных ранее устройств ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности. Являясь передовой разработкой в выявлении ОЗЗ данная защита, основываясь только на алгоритме относительного замера не способна охватить все многообразие режимов связанных с процессами, влияющими на работу защит от ОЗЗ, которые описаны выше. Таким образом, в данную защиту были внедрены еще дополнительные алгоритмы.