Апаратом захисту (АЗ) називається апарат, що автоматично відключає електричне коло, яке захищається від ненормальних режимів роботи.
Самі апарати захисту утворюють не дуже велику пожежну небезпеку (як свідчать статистичні дані - 5% пожеж від усіх пожеж від електричних виробів). Проте неправильний вибір і експлуатація апаратів захисту електричних мереж призводить до пожеж від перевантажень і коротких замикань в електропроводках. А пожежі від електропроводок - це вже біля 50% пожеж від електричних виробів.
Апарати захисту призначені для запобігання небезпечних наслідків струмових перевантажень, коротких замикань та струмів витоку, як-от:
- розплавлення і запалення ізоляційних матеріалів;
- розплавлення металу провідників і розлітання крапель, нагрітих до високої температури;
- тривалого горіння електричної дуги (температура до 4000оС) при КЗ;
- обриву ділянок електропроводки в результаті динамічного впливу струмів КЗ;
- передчасного старіння ізоляції провідників.
Класифікація АЗ за принципом роботи:
- роз'єднання кола в результаті розплавлення струмоведучого елемента (запобіжники);
- роз'єднання кола в результаті спрацьовування електромагніту (електромагнітні розчеплювачі автоматичних вимикачів, струмові реле);
- роз'єднання кола в результаті безпосереднього або непрямого нагрівання і вигинання біметалічного елемента АЗ (тепловий розчеплювач автоматичного вимикача і теплове реле магнітного пускача);
- роз'єднання кола за допомогою напівпровідникового силового приладу (його зачинення) і спрацьовування мінімального струмового захисту (напівпровідникові розчеплювачі автоматичних вимикачів або електромагнітні реле);
- диференційні реле.
Класифікація за видом аварійного режиму, від виникнення якого проводиться захист:
- захист від коротких замикань (запобіжники з плавкими вставками, автоматичні вимикачі з електромагнітним або напівпровідниковим розчеплювачем);
- захист від перевантажень (запобіжники з плавкою вставкою, автоматичні вимикачі з напівпровідниковим, тепловим або комбінованим розчеплювачами, теплові реле магнітних пускачів);
- захист від струмів витоку (пристрій захисного відключення (ПЗВ);
- пристрій захисту при однофазних замиканнях на землю ЗЗП-1 (спрацьовують при струмі 0,07-2 А);
- пристрій сигналізації замикання на землю УСЗ 2/2 (спрацьовують при струмі 5-50 А).
Обрані АЗ повинні забезпечити відключення ушкодженої ділянки при КЗ наприкінці лінії, що захищається, - одно-, дво і трифазних - у мережах із глухозаземленою нейтраллю; дво- і трифазних - у мережах з ізольованою нейтраллю.
Відношення найменшого розрахункового струму КЗ до номінального струму плавкої вставки запобіжника (номінального струму розчеплювача автоматичного вимикача) повинно бути не менше значень, приведених у ПУЕ та ПБЕ.
Захист від КЗ повинні мати всі споживачі мережі.
Захист від перевантажень повинні мати мережі житлових і громадських будинків, службово-побутових приміщень промпідприємств, торгових установ, електромережі у вибухо- та пожежонебезпечних зонах. Силові мережі повинні мати захист від перевантажень, тільки якщо за умовами технологічного процесу може виникнути тривале перевантаження провідників.
За виконанням оболонки АЗ повинні відповідати умовам навколишнього середовища (у вибухозахищеному виконанні АЗ не випускаються).
Установка запобіжників у нульових робочих провідниках не припускається. Порушення цієї вимоги може призвести до обриву кола занулення і враження людини електричним струмом, а також до перекосу фаз за напругою.
АЗ слід встановлювати, як правило, у місцях мережі, де переріз провідника зменшується (у напрямку до місця споживання електроенергії) або там, де це необхідно для забезпечення чутливості і селективності.
Застосування некаліброваних плавких вставок у запобіжниках забороняється. Плавкі вставки повинні строго відповідати типу запобіжника. На зовнішніх дверях електрошафи вказується їхнє найменування. Всі проводи, кабелі, шини, запобіжники маркируються за єдиною системою (биркою або написом на щитку під або над затискачами або запобіжником). На запобіжниках або захисних щитках повинен бути зазначений номінальний струм плавкої вставки запобіжника. На панелях розподільчих пристроїв виконуються чіткі написи, що вказують на призначення окремих кіл, приводів.
Запобіжники. Це найбільше поширений вид АЗ через простоту конструкції і відносну дешевину.
Конструкція складається з трьох основних частин:
- діелектричного корпусу (негорючі полімери, скло, кераміка);
- контактних наконечників, призначених для вмикання запобіжника в коло;
- плавкої вставки (виготовляється з цинку, міді, олова, свин-ця).
Запобіжником з плавкою вставкою називають електричний апарат, який автоматично розмикає електричне коло шляхом розплавлення плавкої вставки, яка вмикається послідовно в електричне коло та безпосередньо нагрівається струмом до температури плавлення. Принцип дії плавких запобіжників заснований на виділенні тепла струмом, що проходить по плавкій вставці. У нормальних умовах це тепло розсіюється в навколишнє середовище. Якщо кількість виділеного тепла перевищує ту кількість тепла, що відводиться, то надлишок його викликає підвищення температури вставки і вона перегоряє (плавиться). Сучасні запобіжники звичайно виконуються з закритим патроном.
Розрізняють запобіжники трубчасті (рис.8.4), пластинчаті (рис.8.5.) і пробочні (рис.8.6).
|
|
Рис.8.4 - Запобіжник трубчастий серії ПР-2
1 - фібровий циліндр, 2 - плавка вставка, 3 - латунна втулка, 4 - латунний ковпачок, 5 - шайба, 6 - мідний ніж.
|
|
Рис.8.5 - Запобіжник пластинчатий серії ПН-2.
1. - контактні ножі, 2, 3 - гвинти, 4 - пластини, що кріплять, 5 - диски, 6 - плавка вставка, 7 - порцелянова трубка, 8 - азбестова прокладка, 9 - кварцовий пісок, 10 - свинцево-олов'яна напайка.
Запобіжники з закритим патроном можуть бути з наповнювачем і без нього. У запобіжниках із наповнювачем дуга гаситься в порошкоподібному або зернистому наповнювачі, а в запобіжниках без наповнювача - внаслідок високого тиску газів у патроні.
|
|
Рис.8.6 - Запобіжник пробочний серії ПД.
1 - порцелянова голівка, 2 - порцелянова трубка, 3 - плавка вставка, 4 - порцелянова підстава, 5 - скло, 6 - фіксуюче кільце, 7 - пружина, 8 - ущільнення, 9 - металевий верхній контакт плавкої вставки, 10 - різьбовий контакт, 11 - затиск контактний, 12- контрольна порцелянова гільза, 13 - контакт, 14 - металевий нижній контакт плавкої вставки, 15 - кварцовий пісок, 16 – покажчик.
Матеріали для плавких вставок повинні мати малий питомий електричний опір, невеличку температуру плавлення і, крім того, повинні бути стійкими до окислювання.
У сучасних запобіжниках для плавких вставок звичайно застосовують мідь або цинк, рідше свинець. У відповідальних пристроях, коли необхідно мати повну гарантію від помилкових спрацьовувань через окислювання вставки, застосовують срібло. Проте мідь має дуже високу температуру плавлення (1083оС) і схильна до окислювання. У процесі експлуатації окисли міді відшаровуються і перетин вставки поступово зменшується. У результаті змінюються і значення струмів, за яких починається процес перегоряння плавкої вставки.
Срібло так само, як і мідь, має малий питомий електричний опір і, крім того, не окислюється, що обумовлює високу стабільність мінімальних струмів плавлення срібних вставок.
Температура ж плавлення срібла, хоча і дещо нижча, ніж у міді, але усе ж є достатньо високою (961оС). У запобіжниках із мідними або срібними плавкими вставками при невеликих струмах перевантаження, за яких потрібен дуже тривалий час для розплавлення плавкої вставки, можливий значний нагрів патрону запобіжника і його руйнація. Одним із способів зниження температури плавлення вставки є застосування металургійного ефекту, коли на мідну або срібну вставку напаюють кульки з металу з низькою температурою плавлення (олово, свинець). При нагріванні від струму перевантаження кулька плавиться і розчиняє в собі метал вставки, що призводить нарешті до зміни перетину вставки та її розплавлення в цьому місці. Металургійний ефект сприяє помітному зниженню часу перегоряння вставок при невеликих струмах перевантаження.
До позитивних якостей цинкових вставок слід віднести, крім невисокої температури плавлення (4190С), незмінність їхнього перетину при експлуатації. Цинк на повітрі утворює плівку окислів, яка має достатню механічну тривкість та захищає плавку вставку від подальшого окислювання.
Свинець має невисоку температуру плавлення (3270С), але великий питомий електричний опір і з цієї причини в якості матеріалу для плавких вставок застосовується вкрай рідко.
Основними параметрами запобіжника є:
- номінальна напруга запобіжника - напруга, зазначена на корпусі запобіжника і відповідна найбільшій номінальній напрузі мережі, у якій дозволяється установка даного запобіжника;
- номінальний струм запобіжника, рівний найбільшому з номінальних струмів плавких вставок, призначених для даного запобіжника (указується на запобіжнику);
- номінальний струм плавкої вставки запобіжника, на який вона розрахована за тривалої роботи (зазначений на плавкій вставці);
- граничний струм плавкої вставки - це струм, за якого плавка вставка розплавиться через інтервал часу, достатній для досягнення нею постійної температури. Цей час повинен дорівнювати 1-2 годинам. Значення 
співвідношення повинно знаходитися в проміжку 1,25-1,6.
- максимальний струм відключення за даної напруги - найбільше значення струму короткого замикання мережі, при якому гарантується надійна робота запобіжника, тобто забезпечується гасіння дуги без яких-небудь ушкоджень запобіжника.
Залежність повного часу відключення кола плавким запобіжником від відношення струму І, що протікає через вставку, до номінального струму вставки називають "захисною"
або "часо-струмовою характеристикою" 
. Графічне зображення приведене на рисунку 8.7. На горизонтальній осі відкладена кратність перевантаження, а на вертикальній осі - час повного відключення . Така характеристика розповсюджується не на один запобіжник, а на серію однотипних запобіжників з різними номінальними струмами. Характеристика у виді смуги пояснюється наявністю похибок і допусків при виготовленні запобіжників.
Графічне зображення захисної характеристики дозволяє визначити надійність захисту елементів електроустановок плавкими запобіжниками від струмів перевантаження і коротких замикань. Для цього на сполученому графіку необхідно порівняти захисну характеристику запобіжника і теплову характеристику елемента електроустановки (проводу, кабеля, електродвигуна). Теплова характеристика елемента електричної установки зображується кривою, що виражає залежність інтервалу часу, протягом якого температура цього елемента досягає гранично припустимого значення, від кратності струму І, який при цьому протікає, відносно номінального струму 
, тобто 
.Умовою безпеки і надійного захисту елемента електроустановки запобіжником є: 
|
|
Рис. 8.8 - Сімейство захисних характеристик плавких вставок запобіжнику ПН-2.
Більш докладну характеристику окремої плавкої вставки можна одержати з сімейства захисних характеристик. Для побудови цієї характеристики на горизонтальній осі відкладається не кратність перевантаження, а сила струму, при якій спрацьовує запобіжник. На вертикальній осі – інтервал часу, за який перегоряє плавка вставка. Для кожної плавкої вставки є окрема крива. Сімейство захисних характеристик для різних плавких вставок розміщується на одному графіку. Приклад такого графіка приведений на рисунку 8.8.
Запобіжники поряд із своєю простотою мають ряд недоліків:
- при перегорянні плавкої вставки запобіжника можливі неповнофазні режими роботи електродвигунів;
- при перегорянні каліброваної плавкої вставки запобіжника в практичній діяльності часто її заміняють некаліброваними вставками, що призводить до загрублення захисту мереж;
- погано захищають електромережі при виникненні незначних перевантажень кратністю
Всі ці недоліки виключаються у випадку застосування для захисту електромережі автоматичних вимикачів за умови правильного їх вибору.
Автоматичний вимикач (автомат) є більш універсальним, у порівнянні з запобіжником, апаратом захисту, що одночасно виконує функцію ручного вимикача для рідких комутацій мережі.
Розрізняють такі види автоматичних вимикачів: установчі, універсальні і швидкодіючі. На підприємствах найбільш розповсюджені установчі автомати.
Автомати складаються з таких основних частин: корпусу, кришки, дугогасної камери, механізму керування, механізму вільного розчеплювання і розчеплювача. Корпус автомата виконаний із сталі, порцеляни і пластмаси. На корпусі монтуються всі частини автомата і закриваються кришкою. Дугогасні камери складаються з керамічних перегородок і обміднених пластин, вставлених у ці камери головних контактів автомата. Електрична дуга під дією магнітного поля, збуджуваного струмом самої дуги, втягується в дугогасні камери, розривається на окремі частини, які там деіонизуються й інтенсивно гасяться.
Розчеплювач є основною частиною, що забезпечує автоматичне спрацьовування автомата.
У залежності від типу вбудованого розчеплювача, автоматичні вимикачі бувають:
- тільки з електромагнітним розчеплювачем (М);
- тільки з тепловим розчеплювачем (Т);
- з комбінованим (тобто, з електромагнітним і тепловим розчеплювачами, включеними послідовно один до одного в одному автоматі) розчеплювачем (МТ);
- з напівпровідниковим розчеплювачем.
Автомати з електромагнітним розчеплювачем служать для захисту електроустановок від небезпечних наслідків коротких замикань. Принципова схема електромагнітного розчеплювача максимального струму без витримки часу показана на рисунку 8.9.
|
|
Рис. 8.9 - Принципова схема електромагнітного розчеплювача.
У включеному стані автомат утримується засувкою 4, зчепленою з важелем 3. Пружина 7 забезпечує надійність цього зчеплення. При короткому замиканні в колі якір 8 притягається до осердя котушки 9, засувка 4 повертається на осі 5 і звільняє важіль 3. Під дією пружини 2 рухливий контакт 1 розмикає коло, положення засувки 4 при цьому фіксується упором 6.
Автомати з тепловим розчеплювачем служать для захисту електроустановок від перевантажень. Схема теплового розчеплювача показана на рисунку 8.10.
Тепловий розчеплювач має біметалеву пластину 1, нагрівальний елемент 2, включений послідовно в електричне коло. При перевантаженні електричного кола біметалева пластина нагрівається, вигинається нагору і звільняє засувку 3, яка під дією пружини 4 повертається навколо осі 5 у напрямку стрілки годинника, розмикає контакти 7 у колі керування за допомогою тяги 6. Автомати з тепловим розчеплювачем здійснюють захист електроустановок від перевантажень зі зворотно-залежною від струму витримкою часу. Тепловий розчеплювач відразу після спрацьовування повторно включати не можна. Слід зачекати, поки біметалева пластинка не вистигне.
|
|
Рис. 8.10 - Принципова схема теплового розчеплювача.
Автомати з комбінованим розчеплювачем забезпечують автоматичний захист електроустановок від наслідків перевантажень і коротких замикань. За невеликих струмів перевантаження діє тепловий розчеплювач із витримкою часу. При коротких замиканнях спрацьовує електромагнітний розчеплювач миттєвої дії. Відключення автомата відбувається при спрацьовуванні будь-якого розчеплювача. Багато автоматів мають спеціальні пристрої для регулювання струму спрацьовування розчеплювачів – струму уставки (
). Струмом уставки називають значення величини струму спрацьовування, на яке відрегульований розчеплювач автомата:
- для автоматів із тепловими розчеплювачами:
;
- для автоматів з електромагнітними розчеплювачами:
.
Номінальні струми розчеплювачів автоматів і струми спрацьовування (уставки) їх зазначені на автоматах.
Захисна або часо-струмова характеристика автомата будується аналогічно до захисної характеристики запобіжника. На вертикальній осі відкладається інтервал часу, за який відключається електроустановка від джерела живлення при виникненні перевантаження чи короткого замикання. На горизонтальній осі відкладається кратність перевантаження, тобто значення співвідношення фактичного струму кола до номінального струму розчеплювача. Приклад захисної характеристики автомата серії АЕ1000 приведений на рисунку 8.11.
Автоматичні вимикачі характеризуються наступними номінальними параметрами:
– номінальна напруга автомата, В; найбільша напруга мережі, у якій може використовуватися даний апарат захисту;
– номінальний струм автомата, А; найбільший струм, на який розраховані струмоведучі частини та контакти автоматичного вимикача і який дорівнює найбільшому номінальному струму розчеплювача;
,
,
– номінальний струм розчеплювача, А; найбільший струм, при протіканні якого через розчеплювач останній не спрацьовує;
– номінальний струм уставки, А; струм, на який відрегульований розчеплювач автомата і при якому він не спрацьовує; звичайно він знаходиться в межах
;
, 
– струм спрацьовування розчеплювача, А; найменший струм, при якому спрацьовує розчеплювач автомата; для більшості автоматів з електромагнітними розчеплювачами 
; для автоматів з тепловими розчеплювачами 
.
|
|
Рис. 8.11 - Типова захисна характеристика автомата серії АЕ1000.
Найбільш поширеними автоматичними вимикачами є автомати серій А3700,АЕ 1000,АЕ 2000,А3100,АП 50,АБ 25.
У структурі умовного позначення серії автоматичних вимикачів міститься інформація про ступінь захисту оболонки вимикача від впливу навколишнього середовища, про види розчеплювачів, номінальний струм вимикачів, можливість регулювання номінального струму розчеплювача.
Теплові реле. У теплових реле, що вбудовуються в магнітні пускачі, чутливим елементом є біметалічна пластина, що нагрівається струмом, який проходить через її або через спеціальний нагрівальний елемент. Теплові реле застосовуються для захисту електродвигунів від перевантаження й електронагрівальних приладів від перегріву. Теплові реле надійно здійснюють захист від струмових перевантажень кратністю не більше 10. Вибір номінальних параметрів реле проводиться за такої умови: 
.
Зараз випускаються теплові реле серій РТЛ, ТРП, ТРН й інші з регулюванням струму спрацьовування.
Крім теплових реле, в магнітні пускачі серії ПМА вмонтовані пристрої температурного позисторного захисту УВТЗ-1М, призначені для відключення двигуна, що захищається, від мережі при нагріванні його обмотки, викликаному будь-якими причинами.
Пристрої захисного відключення. Захисним відключенням в електроустановках називається автоматичне відключення усіх фаз ділянок мережі, яке забезпечує безпечні для людини співвідношення струму і часу його проходження при замкненнях на корпус або зниження рівня опору ізоляції нижче визначеного значення.
В Україні з 1 січня 1998 р при розробці проектів на будівництво, капітальний ремонт та реконструкцію житлових будинків, будівель та споруд громадського призначення установка пристроїв захисного відключення (ПЗВ) в схемах електропостачання є обов'язковою.
ПЗВ здійснює:
- захист від глухих замкнень на землю;
- захист від неповних замкнень на землю;
- автоматичний контроль ізоляції;
- автоматичний контроль кола заземлення або занулення;
- самоконтроль.
Існує багато схемотехнічних рішень ПЗВ:
- схеми на напрузі корпусу відносно землі;
- схеми на струм замкнення на землю;
- схеми на напрузі нульової послідовності;
- схеми на напрузі фази відносно землі;
- схеми на струмі нульової послідовності;
- вентильні схеми;
- схеми на постійному оперативному струмі;
- схеми на оперативному змінному струмі;
- комбіновані схеми.
Конкретне схемотехнічне рішення ПЗВ є ноу-хау фірми-виготовлювача.
ПЗВ, як правило, монтується у три-провідну однофазну (фазний (L), нульовий (N) та захисний (PE) провідники) або п'яти-провідну трифазну (3 фазних (L1, L2, L3), нульовий (N) та захисний (PE) провідники) мережу (за європейським стандартом мережа TN-S). Однак є і ПЗВ, що встановлюються в усім відому "радянську" двопровідну однофазну (фазний (L), поєднаний нульовий та захисний провідники (PEN)) або чотири-провідну трифазну (3 фазних (L1, L2, L3), поєднаний нульовий та захисний провідники (PEN)) мережу (за європейським стандартом мережа TN-С).
Найкраще зарекомендували себе пристрої захисного відключення керовані диференціальним струмом (ПЗВД). ПЗВД – комутаційний апарат, який при досягненні (перевищенні) диференціальним струмом заданого значення за певних умов експлуатації повинний викликати відключення мережі. ПЗВД одержали широке поширення в усьому світі, у першу чергу в країнах-членах МЕК.
Основним параметром, що характеризує ПЗВД, є диференційний струм спрацьовування. Відрізняють прилади за струмами спрацьовування 10 мА, 30 мА, 300 мА (нагадаємо, що смертельним для людини вважається струм 100 мА, але час спрацьовування ПЗВ не перебільшує десятків мілісекунд). ПЗВД зі струмом спрацьовування 10 мА застосовуються при підвищеній електронебезпеці, 30 мА - у звичайних випадках, 300 мА - застосовується для захисту групи споживачів для забезпечення виконання умови селективності. ПЗВД 300 мА фактично забезпечують пожежну безпеку при виникненні струмів витоку, наприклад внаслідок погіршення властивостей ізоляції.
| « 8.3 Вимоги пожежної безпеки до електропроводок. | 8.5 Заземлення електроустановок. » |