Захист від струмів короткого замикання виконується плавкими запобіжниками та автоматичними вимикачами з електромагнітними або комбінованими розчеплювачами. Крім того, захист від перевантажень виконується тепловими реле, вбудованими у магнітні пускачі.
"Електротема" № 2 (58) 2005 року

Для електродвигунів у мережах з глухозаземленою нейтраллю передбачаються види захисту:

- від однофазних та багатофазних замикань;

- від струмів перевантаження;

- мінімальної напруги.

Захист від струмів короткого замикання виконується плавкими запобіжниками та автоматичними вимикачами з електромагнітними або комбінованими розчеплювачами. Крім того, захист від перевантажень виконується тепловими реле, вбудованими у магнітні пускачі.

Захист мінімальної напруги виконується утримуючими котушками пускачів або спеціальними реле напруги (вмикання пускача можливе тільки при напрузі не менше 85% номінальної).

Запобіжники

При виборі запобіжників для захисту електрообладнання від коротких замикань необхідно враховувати, що мережі працюють із заземленою нейтраллю, тому можливі всі види коротких замикань, в тім числі й однофазні. Тому запобіжники встановлюються в усіх трьох фазах.

Вставка калібрується так, щоб при струмах І_вст ≤ 1,3 І_ном.._вст. вона не перегорала протягом 1-2 год. і перегорала при струмах:

І_вст. = (3÷4) І_ном. _вст. – за 15÷20 сек.;

І_вст. = (4÷5) І_ном. _вст. – за 2÷8 сек.;

І_вст. = (5÷7) І_{ном. вст.} – за 1÷4 сек.

Захисна характеристика запобіжників представлена на рисунку 1. Крім того при виборі запобіжників для захисту електродвигунів необхідно враховувати, що при коротких замиканнях вставка повинна перегоріти за час 0,15÷0,2 сек. Ця вимога визначається тим, що у колах електроживлення двигунів послідовно за запобіжниками встановлюються магнітні пускачі. При короткому замиканні в електродвигуні плавка вставка повинна перегоріти швидше, ніж відпаде магнітний пускач, тому що контакти пускача не розраховані на вимкнення струмів к. з., отже при розриві контактів можливе їх приварювання (контакти не розмикаються (залипають) та пошкоджуються). Також можливі випадки, коли, не перевіривши стан пускача, міняють запобіжники, що може призвести до серйозних пошкоджень електрообладнання і електротравматизму.

Якщо ж вставка перегорає за 0,15-0,2 сек., то пошкоджень контактів практично не буває, і міняти їх не потрібно.

Виходячи із захисної характеристики запобіжників, дотримання часу перегорання 0,15-0,2 сек. відбувається при струмах к. з., які перевищують у 10÷15 раз номінальний струм плавкої вставки:

І_к.з. / І_{ном. вст.} ≥ 10÷15І

Але ця вимога не завжди виконується, тому що струми к. з. на затискачах залежать від потужності трансформатора, довжини і перерізу кабелю від джерела живлення до двигуна тощо.

Тому, для забезпечення зазначеної вище кратності виконується перевірка опору фаза-нуль, який складається з опору фази трансформатора, фазного та заземлюючого проводів.

Z_петлі = Z¹ + Z_тр. / 3

де Z¹ – опір проводів;

Z_тр. – розрахунковий опір фази трансформатора (напр:ТМ100 /10 - Z_тр. = 0,779 Ом). Можливий струм к. з.:

І_к.з. = U_ф / Z_петлі,

де U_ф – фазна напруга.

Опір петлі фаза-нуль перевіряється способом амперметра-вольтметра або приладом типу М-417. Крім того, використовуються прилади прямого вимірювання однофазного струму короткого замикання типу ИПЗ-Т. Коли І_к.з. менший від необхідного, виконують роботи зі зменшення опору петлі фаза-нуль.

Плавкі вставки слід вибирати тільки відповідно до умов захисту електродвигуна від короткого замикання і вони не повинні перегорати від пускових струмів та короткочасних перевантажень.

Таким чином, для вибору номінального струму вставки повинна бути виконана умова:

І_{ном. вст. ≥} І_пуск.

На практиці для електродвигунів з короткозамкнутим ротором з легкими умовами пуску (2-5 сек.) приймається номінальний струм вставки:

І_{ном. вст.≥} І_пуск. / 2,5,

де І_пуск. – пусковий струм двигуна.

Якщо пуски є частими або важкими (5÷20 сек.), номінальний струм вставки:

І_{ном. вст.} ≥ І_пуск. / 1,6÷2.

Для групи двигунів вставки, переважно, вибираються:

І_{ном. вст.} ≥ ∑ І_{н. дв.}

та за найбільшим короткочасним струмом:

І_{ном. вст.} ≥ К∑ І_{н. дв.} + (І_пуск. – І_{н. дв.});

де К = 0,4 – двигуни з легким пуском;

К = 0,6 – важкий пуск;

∑ І_{н. дв.} – сума робочих струмів одночасно працюючих двигунів;

І_пуск. – І_{н. дв.} – різниця між пусковим і номінальним струмами найпотужнішого двигуна.

Приклад. Вибрати запобіжники типу НПН2 - 60 для електродвигуна АИР 100S4 (Р = 3,0 кВт, І_ном = 6,7 А, І_пуск. = 46,66 А, режим роботи нормальний).

І_{ном. вст.} = 46,66 / 2,5 = 18,66 А.

Вибираємо найближчу більшу стандартну І_ном = 20А.

Перевіряємо правильність вибору. Відношення І_пуск.до І_{вст. .}становить: 46,9 / 20 = 2,34. Згідно із захисною характеристикою запобіжників, для даної кратності час спрацювання запобіжника становить 15÷20 сек., що значно більше від часу запуску та короткочасних перевантажень.

Формули справедливі для запобіжників із цинковими та мідними плавкими вставками. Свинцеві вставки мають більшу теплову інерцію і нагріваються повільніше і, зазвичай, ставляться у пробкові запобіжники Ц-27). Крім того, не допускається заміна цинкових вставок на мідні.

При виконанні захисту електродвигунів запобіжниками обов`язковою умовою має бути виконання вимог ПУЕ про заборону живлення котушки магнітного пускача від фази і нуля, тому що це може призвести до серйозного пошкодження електродвигуна (робота на двох фазах) або враження людини електричним струмом, наприклад, перегорають два запобіжники, від яких не задіяне коло керування двигуном, і людина, вважаючи, що двигун вимкнений, може потрапити під напругу.

Автоматичні вимикачі

Захисні характеристики автоматичних вимикачів мають більш точні параметри, ніж запобіжники, та багатократність спрацювання, тому вони, незважаючи на більшу вартість, мають значно ширше використання. Струм вставки миттєвого спрацювання, зазвичай, становить 7÷9 І_н.._роз. Гарантований струм спрацювання теплових розчеплювачів становить 1,3÷1,4 І_н.._розч..

Вибір автоматичного вимикача полягає у виконанні вимоги:

І_{ном. авт.} та І_н.._розч. ≥ І_{н. дв.}

Струм уставки електромагнітного розчеплювача, який захищає двигун від коротких замикань, приймається:

І_{уст. ел. маг.} = (1,4÷1,8) І_пуск.

Для групи двигунів:

І_{уст. ел. маг.} = (1,4÷1,8) (∑ І_{н. дв.} + (І¹_пуск. – І¹_{н. дв.}));

де І¹_пуск. – І¹_{н. дв.} – різниця між пусковим та номінальним струмами найпотужнішого двигуна.

Номінальний струм теплового та комбінованого розчеплювачів для двигунів з легким пуском повинен бути:

І_н.._розч. ≥ І_{н. дв.};

при цьому необхідно враховувати, що теплові розчеплювачі не захищають від перевантажень двигуни повторно-короткочасного режиму роботи, а при використанні автоматичних вимикачів, які мають тільки електромагнітні розчеплювачі, необхідно завищувати переріз проводів та кабелів, прокладених до електроспоживача (І_доп. при виборі провідників згідно з ПУЕ гл.1.3). Тому, для провідників, які захищаються такими автоматами, використовується формула:

І_доп.≥ 2 / 9 І_{уст. ел. маг.}

Для більшості автоматів уставка електромагнітного захисту становить 9÷11 номінального струму розчеплювача, тому, за наявності автомата тільки з електромагнітним розчеплювачем, необхідно вибирати провідники на допустимий струм у 2 рази більший, ніж при використанні автомата з комбінованим або тепловим розчеплювачем, вибір якого виконується згідно з формулою:

І_н.._розч. ≥ І_{н. дв.};

Приклад. Вибрати комбінований розчеплювач автомата АП50Б-3МТ для двигуна АИР 100S4 (Р = 3,0 кВт, І_ном = 6,7 А, І_пуск. = 46,66 А, двигун працює у нормальних умовах (легкий пуск)).

Для теплового розчеплювача: І_н.._розч. > 6,7 А.

Вибираємо найближчу більшу стандартну вставку – 10 А.

Для електромагнітного розчеплювача: І_{уст. ел. маг.} = 1,4 х 46,66 = 65,32 А. Перевіряємо правильність вибору: для автомата із вставкою 10 А та електромагнітною вставкою І_ел._маг.= 10 І_роб. маємо:

І_{уст. ел. маг.} = 10 х 10 = 100 А,

що більше від пускового струму двигуна і достатньо для надійного спрацювання при струмах короткого замикання.

Теплова вставка: Згідно з паспортними даними автомата АП50Б-3МТ, тепловий розчеплювач спрацьовує за 1,5÷15 сек. при струмові 6І_роб., і становить:

І_спр⁼6 х 10 = 60А, що достатньо для захисту від перевантажень, при цьому відсутнє спрацюваннявід пускового струму.

Перевантаження

Оскільки запобіжники через великі розбіжності у захисних характеристиках вставки, не завжди адекватно реагують на струми перевантаження, а саме: при струмах, які перевищують номінальні на 20÷30%, вставка може не перегорати невизначено довго. Крім того, часто ставлять запобіжники і автомати на групу двигунів, вибираючи при цьому вставку за струмом двигуна найбільшої потужності.

Виходячи з вищевикладеного, для двигунів з довготривалим режимом роботи (робочий період яких більше 30 хв.) з метою їх захисту від нагріву до небезпечних температур при перевантаженнях доцільно у коло живлення електродвигуна встановлювати теплові реле. Найчастіше теплові реле встановлюють у магнітний пускач чи контактор.

Теплові реле використовуються також і для захисту двигуна від роботи на двох фазах (при перегоранні запобіжника у одній фазі чи пошкодженні фазного проводу). Тому їх встановлюють у дві фази після магнітного пускача, а розмикаючі контакти послідовно у коло котушки магнітного пускача.

Характеристикою теплового реле є залежність часу спрацювання реле від струму нагрівання І_нагр, який проходить через нагрівальний елемент. При збільшенні струму нагрівання понад номінальний струм нагрівача, реле спрацює тим швидше, чим більший струм нагрівання.

Реле не повинне спрацьовувати при пуску двигуна та короткочасних перевантаженнях. При перевантаженні на 25% реле спрацьовує приблизно через 20-30 хв.

Виходячи з цього, і вибирається нагрівач:

І_{н. реле} ≥ І_{н. нагр.} ≈ І_{н. дв.},

де І_{н. реле} – номінальний струм реле (найбільший струм нагрівача, який може бути встановлений у даному реле);

І_{н. нагр.} – номінальний струм нагрівача (найбільший струм, при якому реле не спрацьовує).

Налагодження реле виконується за формулою:

І_{н. дв.} / (0,75÷0,8) > І_{н. нагр.} > І_{н. дв.} / (1,15÷1,25).

При виборі реле необхідно керуватись тим, що двигун і теплове реле можуть працювати при різних температурах навколишнього середовища. Так, якщо температура повітря біля двигуна на 15-20 ⁰С вища, ніж біля реле, вибирається реле на номер менше, і навпаки, якщо температура біля двигуна нижча на 15-20 ⁰С - на номер більше. Це правило справедливе для температур у межах 10-35 ⁰С.

Вибрані таким чином реле досить надійно захищають електродвигуни від довготривалих перевантажень що перевищують І_ном на 20-25%.

Більшість теплових реле не захищають двигун від коротких замикань, вони самі потребують такого захисту, тому що нагрівач реле перегорить швидше, ніж реле вимкне двигун. Тому установка теплових реле допускається тільки за наявності максимального миттєвого захисту (запобіжники, автоматичні вимикачі).

Приклад. Вибрати теплове реле для захисту електродвигуна АИР 100S4 (Р = 3,0 кВт, І_ном = 6,7 А, магнітний пускач типу ПМЛ-1).

За формулою маємо:

6,7 / 0,8 > І_{н. нагр.} > 6,7 / 1,2;

8,37 > І_{н. нагр.} > 5,58.

Виходячи з вищевикладеного, вибираємо реле типу РТЛ-1012-04, яке має згідно з паспортними даними: І_н._р. - 25А, І_{макс. нагр.} - 8,0 А, діапазон регулювання - 5,5÷8,0 А, тривалість спрацювання реле при нагріванні з холодного стану шестикратним номінальним струмом при t_{навк.сер.} + 20 ⁰С становить 4,5÷12 сек., що достатньо для неспрацювання при пускові двигуна.

М. Гнєдков,

директор навчально-курсового комбінату ВАТ „Черкасиобленерго`.