Предохранитель — самый простой защитный аппарат: плавкая вставка, которая расплавляется от тока КЗ. Из-за простоты к нему и отношение соответственное — «поставил и забыл». А между тем предохранитель является защитой, и к нему предъявляются те же требования, что к реле: селективность, чувствительность, отключающая способность.
Разберу, какие данные нужны для расчёта, как выбирается вставка и почему «взял побольше, чтобы не перегорало» — плохое решение.
Данные, без которых расчёт невозможен
Для расчёта защиты сети и оборудования, выполненной плавкими предохранителями, нужны:
- номинальное напряжение предохранителя;
- максимальный ток КЗ, отключаемый предохранителем;
- номинальный ток предохранителя;
- номинальный ток плавкой вставки;
- защитная характеристика предохранителя.
Большинство этих данных указывается в информационных материалах заводов-изготовителей, часть нормирована соответствующими ГОСТ.
Обратите внимание: это пять параметров, а не один. Самая частая ошибка — выбрать вставку по номинальному току нагрузки и не проверить остальные четыре.
Что означают параметры
Номинальное напряжение предохранителя — указанное на нём напряжение, для продолжительной работы при котором он предназначен. Действительное напряжение сети не должно превышать номинальное напряжение предохранителя больше чем на 10%.
Большинство предохранителей могут работать и при напряжении сети меньшем номинального, но основные данные при этом изменяются — это указывается в информации завода-изготовителя. То есть «поставить на 10 кВ предохранитель на 35 кВ» — не нейтральное решение: характеристики поменяются.
Номинальный ток предохранителя — указанный на нём ток, равный наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя. Практически это максимальный длительный ток, пропускаемый предохранителем по условию нагрева его деталей, кроме вставок.
Различие между номинальным током предохранителя и номинальным током вставки — принципиальное: корпус с патроном имеет свой тепловой предел, и вставку большего номинала в него ставить нельзя.
Максимальный отключаемый ток (разрывная способность) — наибольшее действующее значение периодической составляющей тока, отключаемого предохранителем без разрушения и опасного выброса пламени или продуктов горения электрической дуги.
Это значение для каждого типа предохранителя изменяется в зависимости от напряжения, номинального тока, значения cos φ в отключаемой цепи и прочих условий. Отсюда важный практический вывод: разрывная способность, указанная для одного напряжения, не действует автоматически для другого.
Токоограничивающие предохранители — отдельная конструкция, у которой ограничение тока КЗ достигается тем, что время сгорания вставки и гашения дуги настолько мало, что ток не успевает достигнуть своего амплитудного значения в первый полупериод после начала КЗ. Эта величина называется максимальным пропускаемым предохранителем током.
Практическая ценность токоограничения: оборудование защищается не только от теплового действия полного тока КЗ, но и от электродинамических усилий, которые были бы при полной амплитуде.
Селективность: что это значит для предохранителей
Селективность — это когда при повреждении отключается ближайший к нему аппарат, а не вышестоящий. Для предохранителей она обеспечивается согласованием защитных характеристик: время срабатывания нижестоящего предохранителя при данном токе должно быть меньше времени срабатывания вышестоящего.
Сложность в том, что характеристики предохранителей снимаются с разбросом (по току и по времени), и согласование делается не «по номиналам», а по кривым с учётом разброса. Именно поэтому селективность «на глаз» (взял выше на ступень больше) часто не работает.
Отдельно про селективное включение — термин встречается в разных контекстах: в одних случаях речь о согласовании защит, в других о логике работы автоматики (селективный пуск). Важно не путать: селективность предохранителей — это согласование времятоковых характеристик.
Чувствительность
Защита должна сработать при КЗ в конце защищаемой зоны. Для предохранителя это означает:
- ток КЗ в конце зоны должен быть достаточным для расплавления вставки за приемлемое время;
- при КЗ через переходное сопротивление (через дугу) ток снижается — и это проверяется отдельно;
- для сетей до 1000 В дополнительно проверяется срабатывание при однофазном КЗ, которое может быть существенно меньше трёхфазного.
Если чувствительности не хватает, вставку уменьшают — но тогда проверяют, что она не будет перегорать при нормальной нагрузке и при пусках (двигатели, трансформаторы).
Порядок выбора вставки
- Определить номинальный ток нагрузки (расчётный максимальный длительный).
- Выбрать номинальный ток вставки выше номинального тока нагрузки с учётом условий (перегрузка, пуски, температура окружающей среды).
- Проверить по пусковым токам — вставка не должна перегорать при пуске двигателя или броске тока намагничивания трансформатора.
- Проверить отключающую способность — максимальный ток КЗ не должен превышать разрывную способность при рабочем напряжении.
- Проверить селективность — согласовать с вышестоящим аппаратом по кривым с учётом разброса.
- Проверить чувствительность — при КЗ в конце зоны (в том числе через переходное сопротивление) вставка должна расплавиться за приемлемое время.
- Проверить номинальное напряжение — напряжение сети не более номинального напряжения предохранителя, с допуском не более 10% превышения.
[практика] Пункты 3 и 6 в реальной работе «воюют» друг с другом: чтобы не перегорало при пуске — вставку увеличивают, чтобы ловить КЗ в конце линии — уменьшают. Решение всегда компромиссное, и именно поэтому нужен расчёт, а не «как у соседей». И ещё: если вставка перегорает регулярно, это не «плохая вставка», а сигнал о проблеме в сети — её надо искать, а не увеличивать номинал.
Типовые ошибки
- Выбор только по номинальному току нагрузки — без проверки отключающей способности и селективности.
- «Поставлю побольше, чтобы не перегорало» — потеря чувствительности, повреждение может не отключиться.
- Предохранитель на 35 кВ в сети 10 кВ — характеристики меняются, расчёт недействителен.
- Вставка больше номинального тока предохранителя — перегрев корпуса и патрона.
- Селективность «по номиналам» — без учёта разброса характеристик.
- Не проверена чувствительность при КЗ через переходное сопротивление.
- Замена перегоревшей вставки без выяснения причины — повреждение остаётся, вставка перегорит снова.
Частые вопросы
Почему предохранитель не всегда защищает от перегрузки? Защитная характеристика предохранителя рассчитана так, чтобы не срабатывать при допустимых перегрузках. Поэтому в сетях до 1000 В защиту от перегрузки предохранителями применяют только там, где это допускается по условиям, а чаще для этого используют автоматы или тепловые реле.
Что такое токоограничивающий предохранитель? Предохранитель, у которого время сгорания вставки и гашения дуги настолько мало, что ток КЗ не успевает достигнуть амплитудного значения в первый полупериод. Это снижает и тепловое, и динамическое воздействие на оборудование.
Можно ли ставить предохранитель на меньшее напряжение? Нельзя. Номинальное напряжение сети не должно превышать номинальное напряжение предохранителя. Работа при меньшем напряжении сети, чем номинальное предохранителя, допустима, но характеристики меняются по данным изготовителя.
Как обеспечить селективность двух предохранителей? Согласовать их защитные характеристики: при любом токе КЗ время срабатывания нижестоящего должно быть меньше времени срабатывания вышестоящего с учётом разброса. Проверяется по кривым, а не по номиналам.
Что делать, если вставка перегорает регулярно? Искать причину: перегрузка, неисправность оборудования, пусковые режимы, неверно выбранный номинал. Увеличение номинала без анализа — путь к тому, что повреждение не будет отключаться.
Итог
Предохранитель — полноценная защита, а не «пробка». Для выбора нужны пять параметров (напряжение, максимальный ток КЗ, номинальные токи предохранителя и вставки, защитная характеристика), а проверяются отключающая способность, селективность и чувствительность. Токоограничивающие предохранители дополнительно снижают динамическое воздействие тока КЗ на оборудование.
Нужен расчёт плавких вставок, проверка селективности или анализ причин перегорания — напишите, посчитаем по схеме.
Источники: В. В. Овчинников, «Защита электрических сетей 0,4–35 кВ», ч. 1 (Библиотечка электротехника, вып. 43, 2002) — разд. «Защита предохранителями»: основные данные предохранителей, номинальное напряжение и допуск 10%, номинальный ток предохранителя и вставки, максимальный отключаемый ток, токоограничивающие предохранители и максимальный пропускаемый ток, проверка селективности и чувствительности; М. Л. Голубев, «Расчёт уставок релейной защиты и предохранителей в сетях 0,4–35 кВ» (вып. 297); практика.
