4.2 Расчет защит и выбор проводников

Провода (проволоку) классифицируют по материалу, из которого они изготовлены, сечению, виду изоляции или ее отсутствию, механической прочности и др. В электротехнике применяют главным образом провода и шины из меди и алюминия, реже - из латуни и бронзы.

Для изготовления резистивных элементов - сопротивлений, реостатов, нагревательных элементов используются высокоомные сплавы константан, нихром, фехраль и др.

Для надежного электрического соединения проводов и изделий из меди, латуни и бронзы используются оловянно-свинцовые припои. Для пайка проводов и изделий из алюминия используются оловянно-цинковые и цинково-кадмиевые и другие припои.

Кабели подразделяют по материалу, из которого изготовлены их то-копроводящие жилы (медь, алюминий), изоляции и материалов, из которых она изготовлена, степени герметичности и защищенности кабелей, от механических повреждений и т.д. К классу кабельных изделий относят обычно и изолированные провода, в том числе провода, предназначенные для обмоток электрических машин и трансформаторов.

Шины прямоугольного поперечного сечения изготовляют из алю-мининия или меди. Шины используются для изготовления шинных сборок,1шинопроводов, в распределительных устройствах и т.д.

Припои используются в электротехнике для пайки электрических соединений, сращивания алюминиевых проводов круглого и прямоугольного сечения при намотке обмоток трансформаторов, для лужения, пайки меди и ее сплавов, токопроводящих частей машин и аппаратов: пайки бандажей коллекторов и секций электрических машин, приборов, жестяных деталей и т.д.

Проволока, провода, допустимые токовые нагрузки

Медная и алюминиевая проволока изготавливается круглого и прямоугольного сечения и предназначена для производства проводов, кабелей и других электротехнических целей.

Круглая медная проволока изготавливается в соответствии с ГОСТами 2112-71, 13842-74, 859-78, 839-79 и другими. Круглая проволока имеет диаметр от 0,02 мм до 8,5 мм.

Медная проволока прямоугольного сечения изготавливается в соответствии с ГОСТ 434-78 размерами сечения от 0,8x2 до 4x30 мм.

Круглая алюминиевая проволока (ГОСТы 6132-71, 13848-75, 839-79 и другие) выпускается диаметром от 0,08 до 10,0 мм.

Алюминиевая проволока прямоугольного сечения (ГОСТ 10687-76) имеет размеры сечения от 0,8x2 до 12,5x40 мм. Диапазон сечений алюминиевой проволоки от 1,46 до 561 мм .

Неизолированные провода из меди, алюминия и сталеалюминевые изготавливаются в соответствии с ГОСТ 839-79 и предназначены для передачи электроэнергии в воздушных электрических сетях.

В соответствии с ГОСТ Т434-78 выпускаются следующие виды медных шин и лент: шины медные мягкие, шины медные твердые, шины медные твердые из бескислородной меди, ленты медные мягкие, ленты медные твердые, Алюминиевые шины в соответствии с ТУ 16-705 002-77 выпускаются прямоугольного сечения. Они предназначены для изготовления шинопроводов, шинных сборок, распределительных устройств.

Шинопроводы представляют собой жесткий, составленный из комплектных секций токопроводы. Они подразделяются на магистральные и распределительные шинопроводы. Собраны из прямоугольных алюминиевых шин, изолированных друг о друга, расположенных вертикально и зажатых между специальными изоляторами внутри перфорированного контура

Провода кабели и шины выбирают расчетным путем в соответствии с длительно допустимыми токовыми нагрузками, сведения о которых приведены ниже.

Силовые кабели предназначены для питания силового электрооборудования и выпускаются на 0,66; 1; 3; 6; 10; 20кВ и выше. Их изоляция выполняется из пропитанной маслоканифольным составом кабельной бумаги, поливинилхлорида, полиэтилена или резины. Жила кабеля может быть медной или алюминиевой. Число жил в кабеле составляет от 1 до 4, четвертая жила кабеля служит нулем. Кабели выполняются бронированными или без брони. В зависимости от условий прокладки поверх брони может быть покров из кабельной пропитанной пряжи. Кабели без покрова из соображений противопожарной безопасности применяются для прокладки в помещениях и кабельных сооружениях, а покров защищает броню от коррозии, когда кабель проложен в земле или воде.

Проводники электрического тока выбираются по следующим показателям:

• провода, кабели, шины не должны нагреваться сверх допустимой температуры при протекании по ним расчетного тока нагрузки;

• отклонения напряжения на зажимах электроприемников не должны превышать (-2.5+5%) для осветительной нагрузки и ±5% для силовой;

• провода, кабели и шины должны обладать достаточной для данного вида сети механической прочностью;

• отклонения напряжения из-за кратковременного отклонения (наброса или сброса) нагрузки должны соответствовать значениям, установленным ГОСТ;

• аппараты защиты должны обеспечивать защиту всех участков сети от коротких замыканий;

• для некоторых видов сетей в соответствии с ПУЭ выбор сечения проводов осуществляется по экономической плотности тока.

Расчетная максимальная токовая нагрузка I_max

• для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сети:

;

• для двухфазной сети с нулевым проводом

;

• для однофазной сети

где Р_тах - расчетная максимальная нагрузка, кВт;

U_нф, U_нл- номинальное фазное и линейное напряжение, В;

cos - коэффициент мощности нагрузки.

При укладке кабелей в траншеях вводится коэффициент снижения нагрузки К=(0,75 - 0,9), а существенное отклонение температуры окружающей среды от определенных ГОСТом, учитываются дополнительным коэффициентом Km, определяемым ПУЭ.

Таким образом, длительно допустимая токовая нагрузка , и расчетная максимальная связаны соотношением:

Расчет и выбор сечений с учетом потери напряжения для линий напряжением менее 1000В можно выполнять по упрошенной формуле:

,

где Р_к - мощность приемника, присоединенного к сети длиной l на участке длиной l_k(l_k=l₁+l₂+…+l_n), кВт;

l_n- длина участка сети между точками присоединения (к-1) и к-гo приемников, м;

S - сечение фазных проводов, жил кабелей, шин, мм²;

 - удельная проводимость (Омм)^-1,

U_нл - линейное номинальное напряжение, В.

При заданной потере напряжения U% сечение проводов S можно определить:

Выбранные провода, кабели и шины проверяют по термической устойчивости.

Площадь сечения кабеля определяем по номинальному току нагрузки (номинальному току статора асинхронного двигателя.

,

где – ток при длительном режиме работы.

По справочнику выбирается кабель. Выбранная по нагреву площадь сечения кабелей должна быть проверена по экономической плотности тока по формуле:

,

где – расчетный ток при максимальной нагрузке энергосистемы в нормальном режиме;

– нормированное значение экономической плотности тока.

В данной схеме электропривода возможно применение различных видов защиты, которые при изменении нормальной работы электропривода путем отключения силовой части электропривода исключают выход из строя электрооборудования, тем самым повышая надежность схемы. Защита электроприводов с двигателями напряжением питания до 1000 В выполняется простой и дешевой, так как сами двигатели стоят относительно не дорогу, и поэтому применение более дорогих систем защит экономически не выгодно.

Рассмотрим примененные защиты в данной схеме.

М аксимально-токовая защита – обеспечивает защиту двигателя, преобразователя от короткого замыкания. Данная защита выполняется при помощи плавких предохранителей FU1, FU2, FU3, а также при помощи автоматического выключателя (рисунок 4).

Рисунок 4 Узел максимально-токовой защиты

При возникновении аварийнова режима, максимально-токовая защита отключает потребителя от сети. Плавкие предохранители включаются между контактами линейного контактора и выключателя напряжения сети, чтобы производить замену предохранителей в обесточенной цепи.

Определим ток плавкой вставки предохранителя:

I_П = (11,25)I_н.д , А

Предохранитель выбираем по номинальному напряжению и по номинальному току плавкой вставки:

U_н.п  U_н.д

I_н.п  I_п.в

Н улевая защита – обеспечивает защиту от самозапуска двигателя при чрезмерном снижении или кратковременном исчезновении напряжения питающей сети. Защита осуществляется линейными контакторами (рисунок 5).

Рисунок 5. Узел нулевой защиты

В схемах с линейными контактами при питании силовых схем и схем управления от одной питающей сети с управлением от кнопок контроль напряжения осуществляет сам контактор

Тепловая защита – обеспечивает защиту двигателя от перегрузки (перегрева). В повторно-кратковременных режимах работы электропривода, когда характеристики нагрева реле и двигателя различны, защита двигателя от перегрузки осуществляется с помощью максимально-токовых реле FA1. В качестве таких реле используется реле типов РЭ570 и РЭ70. Контакты реле включаются в цепь катушки линейного контактора.

В схеме электропривода можно применить контрольную и аварийную сигнализацию. Контрольная служит для контроля наличия того или иного сигнала или напряжения питания (рисунок 6а). Аварийная сигнализация указывает аварийное состояние схемы или действие той или иной защиты в схеме (рисунок 6б).

Рисунок 6. Узлы схем сигнализации

Расчет токов короткого замыкания необходим для правильного выбора и отстройки защитной аппаратуры. Ток короткого замыкания возникает при соединении токоведущих частей фаз между собой или с заземленным корпусом электроприемника в схемах с глухо-заземленной нейтралью и нулевым проводом. Его величина может быть определена по формуле:

А,

где Uф - фазное напряжение сети, В,

Z_П • сопротивление петли фаза-нуль, Ом, ,

R_П - активное сопротивление одного провода цепи короткого замыкания,

Х_П - индуктивное сопротивление, рассчитываемое по удельному индуктивному сопротивлению, равному 0,6 Ом/км,

Z_Т - полное сопротивление фазной обмотки трансформатора на стороне низшего напряжения:

U_h, I_h - номинальные напряжение и ток трансформатора,

Ur% - напряжение короткого замыкания трансформатора в %,

Выбор электрического аппарата осуществляется по его функциональному назначению, по роду напряжения и тока, по величине мощности.

Следует иметь в виду современную тенденцию, заключающуюся в том, что, при выборе между предохранителями и автоматическими выключателями, предпочтение отдается последнему в силу их большей надежности, лучшей защиты от неполнофазных режимов, универсальности и т.д.

Выбор аппаратов по напряжению заключается в соответствии номинального напряжения, указанного в паспорте аппарата, и его рода (переменное, постоянное) номинальному напряжению питающей сети. При выборе аппарата по току следует учесть, что его номинальный ток должен быть не меньше рабочего тока уставки.

Защита силовой цепи от токов короткого замыкания со стороны питающей сети осуществляется с помощью автоматического выключателя и предохранителей. Предохранитель является наиболее простым и дешевым аппаратом защиты от коротких замыканий, получившим широкое применение в схемах электроприводов. Он характеризуется номинальным напряжением, номинальными и предельно отключаемыми токами U_н.пр должно быть равным U_н.цепи. Патрон и плавкая вставка выбираются исходя из условия:

, А.

Автоматический воздушный выключатель выбирается по номинальному напряжению и току так, чтобы соблюдались условия:

Ток уставки электромагнитного расцепителя для двигателя с контактными кольцами выбирается исходя из условия:

Защита от перегрузок осуществляется контактором, который выбирается по номинальному току и напряжению защищаемой цепи.

Путевые выключатели

Путевые выключатели ВПК 2010, ВПК 2110, ВПК 2111, ВПК 2112 предназначены для коммутации электрических цепей управления переменного напряжения до 660 В, частоты 50-60 Гц и постоянного напряжения до 440 В под воздействием управляющих упоров в определенных точках пути контролируемого объекта. Автоматические выключатели имеют следующие технические характеристики:

Тип	Напряжение, В		Номинальный ток, А	Рабочий ход привода, мм	Усилие прямого срабатывания, Н	Коммутац. износостойк., циклов ВО	Масса, кг
	перем.	постоян.
ВПК2010	660	440	10	5,3	13	2,0 х 106	0,04
ВПК2110	660	440	10	5,3	13	2,0 х 106	0,3
ВПК2111	660	440	10	5,3	13	2,0 х 106	0,3
ВПК2112	660	440	10	7,5	13	2,0 х 106
ВК-300	660	440	16	10,5	80	2,0 х 106	0,3

Рабочее положение выключателей в пространстве любое.

ВПК 2111 выключатель конечный (шток-ролик)	ВП15 221-2.8 выключатель конечный (шток-ролик)	ВУ 150 выключатель конечный	ВП-15К21Б.211.8 путевой выключатель	ВПК-2110Б путевой выключатель

Конечные выключатели рычажные серии КУ - 700А

Выключатели серии КУ-700А предназначены для включения и выключения цепей управления механизмов и применяются в качестве путевых.

О сновные технические характеристики

Частота включений в час - до 600

Ток продолжительного режима, А - 16

Раствор контактов, мм - 9t

Контактное нажатие, Н - 0,25+0,025

Предельная скорость привода, м/мин:

КУ-701А(рычаг с роликом) - 150

КУ-703А(груз с противовесом) - не ограничена

КУ-704А(рычаг пластинчатый) - 100

Включаемый ток, А:

Переменное напряжение до 500В - 50

Постоянное напряжение 100 В; 220 В; 440 В - 25

Отключаемый ток, А:

Переменное напряжение до 500 В - 16

Постоянное напряжение - (100В)2,5; (220В)1,5; (440В)0,5

Габаритные размеры, мм / масса, кг

КУ-701А 133х158х202 / 2,7

КУ-703А 133х178х202 / 9,9

КУ-704А 133х158х202 / 2,7

Выключатели путевые (конечные) мгновенного действия серии ВК 200 Г и ВК 300 Г предназначаются для срабатывания в электрических цепях управления переменного тока напряжением до 500 В частоты 50-60 Гц и постоянного тока напряжением до 220 В, под воздействием управляющих упоров (кулачков) в определенных точках пути контролируемого объекта. Допускается применение выключателей при напряжении 500 В переменного тока. Выключатели допускают установку в любом положении в местах, не защищенных от попадания пыли и случайного попадания брызг воды или масла, попадающих вертикально или под углом к вертикали (для ВК 200) или случайного обливания водой или маслом (для ВК 300)

Наименование: ВП 15 (Д; Е; К) 21А-211

Номинальное напряжение: 660 В, 50 Гц

Номинальный ток, А: 10

Рабочий ход, мм: не более 2,6

Конструктивное исполнение: толкатель

Контактная группа: 1"з" + 1"р"

Степень защиты: IP 54

Габаритные размеры, мм: 103х40х46