МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПОВІТРЯНИХ СУДЕН

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

ВИВЧЕННЯ АВІАЦІЙНОЇ ЗАХИСНОЇ АПАРАТУРИ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ

Виконала: Романець Софія Сергіївна

Перевірив: Захарченко Віктор Панасович

Київ 2022

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 6

ВИВЧЕННЯ АВІАЦІЙНОЇ ЗАХИСНОЇ АПАРАТУРИ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ

Мета роботи

1. Вивчення призначення, конструкції і принципів роботи авіаційної захисної апаратури.

2. Вивчення і дослідження електричних схем і окремих зразків захисної апаратури.

Завдання

1. Вивчити призначення, конструкцію і принципи роботи авіаційної захисної апаратури.

2. Підібрати апарат захисту та пояснити причини його вибору (величину та характер навантаження вказує викладач).

Основні теоретичні відомості

Захисна апаратура є складовою частиною системи передачі q розподілу електричної енергії на ПС. Захисні пристрої призначені для збереження електричних мереж, джерел і споживачів електричної енергії від виходу з ладу при появі аварійних режимів в енергосистемі. При цьому, як правило, несправності, що виникли, не усуваються, а відбувається вимкнення з роботи аварійних ділянок.

До захисної апаратури (ЗА) належать: теплові автомати, плавкі запобіжники, різні автоматичні пристрої і системи. При експлуатації енергоустаткування у мережі ПС можуть з’явитися аварійні режими через обрив проводів, короткі замикання і перевантаження споживачів. Найбільш небезпечними для роботи електросистем є короткі замикання.

Розрізнюють металеві та короткі замикання. Перевантаження споживачів за струмом частіш за все пов’язане з порушенням нормальних умов їх роботи. Якщо перевантаження носить тривалий характер, то це може привести до порушення ізоляції проводів і до виникнення короткого замикання. До апаратури захисту висуваються специфічні вимоги: вона повинна характеризуватися селективністю, інерційністю і чутливістю.

Вимога селективності (вибірковості) означає, що захисна апаратура повинна відключати тільки пошкоджені ділянки мережі. При цьому лише мінімальна споживачів може відчувати відсутність електричної енергії. Вимогу селективності для захисної апаратури порівняно легко виконати в радіальних мережах постійного струму.

Н ехай коротке замикання відбулося в точці А (рис. 6.1). Тоді за наявності селективного захисту спрацює тільки автомат захисту аварійного проводу. Знеструмленим виявиться тільки споживач П3.

Якщо коротке замикання трапиться у точці В, то відімкнутися від мережі повинні лише споживачі ділянки III і при цьому в плюсовому проводі генератора не спрацює захист 1. Отже, захист мережі повинен здійснюватися таким чином, щоб спочатку спрацьовував елемент у місці короткого замикання і тільки у випадку його неспрацьовування – елемент захисту, що розміщений у схемі ближче до джерела електричної енергії. Рис. 6.1

Інерційність захисту необхідна там, де у колах існують короткочасні коливання струмів, наприклад, при запусках електродвигунів різних літакових привідних пристроїв. ЗА повинна реагувати на тривалі, хоч і невеликі перевантаження, тобто характеризуватися високою чутливістю. Для захисту мережі і споживачів можуть застосовуватися різноманітні види захисту: максимальна струменева, теплова, диференціально-струменева, спрямована та ін.

Найпоширенішим є максимальний струменевий захист, який реагує на перевищення струму навантаження над величиною номінального струму. Він реалізується за допомогою плавких запобіжників і теплових (біметалічних) автоматів захисту мереж. У системах електропостачання змінного струму максимальний захист може бути виконаний на трансформаторах струму, які працюють спільно з електромагнітною КА.

Переваги і недоліки плавких запобіжників і біметалічних автоматів захисту визначають за амперсекундними характеристиками. Відомо, що у провіднику зі струмом кількість тепла Q, що виділяється, залежить від величини струму і часу його протікання через провідник: ,

де I – струм, А; r – опір провідника (в цьому випадку робочого елементу апарату захисту), Ом; t – час, с.

Таким чином, швидкість спрацювання теплового апарату буде залежати від величини струму навантаження. Амперсекундні характеристики ЗА виражають залежність часу спрацювання апарата від величини струму перевантаження. За допомогою амперсекундної характеристики можна визначити особливості даного апарату захисту, критичний і номінальний струми. Критичним струмом апарату захисту називається найменший струм, при якому можливе спрацювання апарату захисту. Номінальний струм захисного пристрою завжди менший критичного:

I_ном = (0,8…0,5) I_крит .

Цим обмеженням запобігають помилкових спрацьовувань захисту при зміні умов навколишнього середовища або розкиду параметрів апарату захисту.

П лавкі запобіжники. Основною частиною плавкого запобіжника є металева нитка, через яку протікає струм навантаження електричного кола, яке захищають. Перегорання цієї нитки відбувається при струмах, що перевищують номінальне навантаження, і наявності струмів короткого замикання. На ПС застосовуються запобіжники таких типів (рис. 6.2):

• плавкі вставки ПВ;

• скляноплавкі запобіжники СП;

• тугоплавкі запобіжники ТП;

• інерційно-плавкі запобіжники ІП;

• запобіжники типу ПМ.

Рис. 6.2 Плавкі вставки ПВ розраховані на струми 24…100 А і відповідно маркуються ПВ-2, ПВ-6 і т. д. Плавкі вставки ПВ до 40 А випускаються в закритому виконанні, понад 40 А у відкритому. Плавка вставка закритого виконання (рис. 6.2, а) складається зі скляної трубки 1, двох латунних або мідних ковпачків з контактними ножами 2 і плавкого елемента 3 з каліброваного срібного дроту. Дріт вміщений всередині скляної трубки і припаяний до ковпачків.

У плавких вставок відкритого виконання (рис. 6.2, б) скляної трубки немає, а срібний дріт розміщений на текстолітовій планці 4. Плавкі вставки встановлюються у спеціальні затискачі блоків захисту. Скляноплавкі запобіжники СП (рис. 6.2, в) випускаються в закритому виконанні і без контактних ножів. Вони розраховані на номінальні струми 1…40 А. На струми до 3 А плавкий елемент виготовляється з каліброваного мідного дроту, на струми 5…10 А – з срібного дроту, на струми 15…40 А – з цинкових пластин. Конструкція запобіжників СП подібна до конструкції запобіжників типу ПВ. Уведення в конструкцію запобіжників цинкової нитки збільшує інерційність ЗА.

Критичний струм скляноплавких запобіжників:

I_кр= (1,21…1,37) I_ном.

Тугоплавкі запобіжники ТП (рис. 6.2, г) розраховані на великі робочі струми від 400 до 900 А. У цих запобіжників плавким елементом є мідна пластина 3, укладена в теплостійкому корпусі 5, який виконаний з азбестоцементного складу. При перевантаженнях, коли пластина розплавляється, утворюється електрична дуга, яка гаситься газом, який виділяється з азбестоцементного матеріалу. Критичний струм тугоплавкого запобіжника

I_кр =(1,4…1,7) I_ном.

Запобіжники типу ПМ випускаються закритого типу і розраховані на струми від одиниць до сотень ампер (рис. 6.3).

Їх особливістю є висока механічна міцність і тому вони можуть витримувати великі динамічні навантаження, що спостерігаються в електричних мережах, особливо в перехідних режимах. Крім цього, для зручності експлуатації на корпусах встановлено «віконця» – сигналізатори 1. Сигналізатор виготовляється кольоровим і за допомогою дротяного гачка 3 кріпиться до плавкої пластини 4. При перегоранні запобіжника зусиллями пружини 2 зі свого гнізда виштовхується сигналізатор. За цією ознакою визначається стан запобіжників.

На рис. 6.3, а наведено конструкцію малопотужного запобіжника ПМ, які кріпляться на ПС, як і плавкі вставки, за допомогою блоків захисту. Більш потужні запобіжники (рис. 6.3, б) мають трубчасту конструкцію і кріпляться за допомогою контактних болтів аналогічно запобіжникам типу ТП.

У сі запобіжники є малоінерційними ЗА і при двократних перевантаженнях перегорають майже миттєво. Запобіжники типу ТП більш інерційні. Плавкі запобіжники Рис. 6.3 мають такі недоліки:

• вони малоінерційні, тому не можуть витримувати великих короткочасних перевантажень;

• швидкість їх спрацювання значною мірою залежить від температури і щільності повітря;

• не можна заздалегідь перевірити працездатність запобіжників, а в польоті не завжди можна замінити згорілий запобіжник.

Д о переваг плавких запобіжників можна віднести простоту конструкції, малу вагу, швидкість і надійність спрацювання при коротких замиканнях. Більш універсальними є інерційно-плавкі запобіжники типу ІП. Вони на відміну від звичайних запобіжників характеризуються значною інерційністю дії, захищаючи електричні кола не тільки від перевантажень і коротких замикань, але і від невеликих, але тривалих перевантажень. Запобіжники ІП найбільш зручні для захисту кіл електричних двигунів і випускаються на номінальні струми від 5 до 250 А.

Інерційний запобіжник складається (рис. 6.4, а) з фібрового корпусу 1, до якого приєднані контактні ковпачки 3. Всередині корпусу вміщено плавкий елемент, що складається з двох частин: Рис. 6.4

латунної вставки 9 і припою 7. При великих перевантаженнях і струмах короткого замикання перегорає латунна вставка 9.

У разі невеликих, але тривалих перевантаженнях температура нагрівального елемента (спіралі) 2 підвищується і тепло передається мідній пластині 10, яка виконує роль інерційного елемента. Досягнувши певної температури припій 7, що утримує скобу 6, плавиться, а пружина 5 відтягує скобу, і електричне коло розривається. Кріплення інерційних запобіжників на ПС здійснюється за допомогою кріплень 4 і 8. Амперсекундна характеристика інерційного запобіжника (рис. 6.4,б) складається з двох ділянок 1 і 2. Ділянка 1 відповідає відносно невеликим струмам, є амперсекундною характеристикою інерційної частини запобіжника і визначається в основному часом нагріву мідної пластини 10. Ділянка 2 характеристики відповідає великим струмам короткого замикання, при яких перегорає латунна плавка вставка 9.

Інерційні запобіжники значною мірою задовольняють вимоги селективності, інерційності і чутливості захисту невеликих, але тривалих перевантажень.

Теплові автомати захисту використовуються для захисту електричних кіл від перевантажень і коротких замикань. Чутливим елементом теплового автомата є біметалічна пластина, що складається з двох зварених металевих пластин з різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення. Пластини з малим коефіцієнтом лінійного розширення виготовляються з інвару або платиніту, а для пластин з великим коефіцієнтом – немагнітної сталі, нікелю, латуні, константану та інших матеріалів.

При протіканні по біметалічній пластині струму вона нагрівається і прогинається. Ця властивість використовується для впливу на кінематику автомата захисту при надмірному збільшенні струму, що протікає через його чутливий елемент і контакти.

Найпоширенішими на ПС автоматами є АЗР і АЗС. За типом кінематичної схеми теплові автомати першої групи виготовлені з вільним розчепленням органу управління і контактної системи, а другої групи – без вільного розчеплення. Після спрацювання АЗР не можна знову замкнути їх струменеві контакти важелем управління доти, поки біметалічна пластина не охолодиться до певної температури. В АЗС допускається примусове втримування струмових контактів в замкненому стані важелем управління незалежно від величини струму, що протікає через автомат. Вони розраховані на номінальні струми 2, 5, 10, 15, 20, 30 і 50 А.

Б удь-який автомат без вільного розчеплення у своїй конструкції складається з таких основних частин (рис. 6.5): пластмасовий корпус 6, ручку управління 2, контактний важіль 4, контакти 5, упорний штифт з пружиною 3, біметалічна пластина 9, пружинний стопор 10, пружина 7, рухома пластмасова Рис. 6.5 колодка 12, мідні канатики 8 і 11. Автомат вмикається перекладом ручки 2 ліворуч. При цьому контактний важіль 4 повертається біля опори 1 і замикає контакти 5. Одночасно колодка 12 зміщується праворуч і фіксується у цьому положенні пружинним стопором 10. Якщо після цього ручку 2 повернути у початкове положення, то контакти 5 розімкнуться, але колодка 12 не змінить свого положення. Після увімкнення АЗС струм буде протікати через струмопровідні шинки, контакти 5 і біметалічну пластину. При перевантаженнях біметалічна пластина прогинається вниз і пружинний стопор 10 звільняє колодку 12, яка під дією поворотної пружини 7 переміщується в початковий стан. При цьому перекидається одночасно ручка 2 в положення «вимкнено», і контакти автомата розмикаються.

Автомати захисту типу АЗР (рис. 6.6) випускаються на номі­нальні струми 6, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 150 А. Конструкція автоматів цього типу з таких основних частин: важіль ручного управління 1, закріплений на осі, спусковий важіль з сережкою 2, рухома вісь 3, упорний важіль 4, допоміжна пружина 5, поворотна пружина 6, біметалічна пластина 7 (П-подібної форми), демпферна пружина 8, контакти 9, допоміжний важіль 10.

Для увімкнення автомата важіль управління 1 необхідно повернути до упора ліворуч. При цьому рухома вісь 3, переміщуючись у сережці спускового важеля 2, викликає спочатку стиснення допоміжної пружини 5. При розтисненні пружина переміщає допоміжний важіль 10 у крайнє ліве положення, а пов’язані з ним рухомі електричні контакти замикають коло. Поворотна пружина 6 при зведенні автомата розтягується і накопичує потенційну енергію, а спусковий важіль 2 впирається своїм кінцем в упорний важіль 4. Тому рухома система автомата не може повернутися в початкове положення.

а б

Рис. 6.6

Якщо після ввімкнення АЗР повернути важіль управління 1 праворуч, то під дією пружин 5 і 6 важіль 10 також переміститься праворуч і електричні контакти 9 розімкнуться. При недопустимих перевантаженнях біметалічна пластина 7 прогинається вгору і натискає на керамічну кульку упорного важеля 4, що приводить до його повороту. У результаті спусковий важіль 2 звільняється і під дією пружин 5 і 6, важіль 10 переміщується праворуч, і контактна система розмикається. Необхідно зазначити, що поки біметалічна пластина 7 не повернеться у первинне положення, а упорний важіль 4 не увійде у зчеплення з важелем 2, увімкнути автомат неможливо.

Для трифазних мереж змінного струму розроблені автомати захисту, якими є пристрої типу АЗ-3, які спрацьовують за умов коротких замикань і перевантажень в фазах лінії, що захищається. Принцип роботи трифазних автоматів аналогічний принципу роботи біметалічних автоматів АЗС і АЗР.

Теплові автомати мають значно більшу теплову інерцію, ніж плавкі запобіжники. Але у них інерційність менша, ніж у запобіжників типу ІП. Час спрацювання АЗС і АЗР при подвійному номінальному струмі (І = 2І_ном) становить 25…40 с за умови попереднього прогрівання номінальним струмом. На відміну від плавких запобіжників біметалічні автомати мають ряд переваг: багаторазовість дії, використання в якості комутаційної апаратури, можливість перевірки характеристик у процесі експлуатації, наявність необхідної інерційності, що допускає великі короткочасні стрибки струмів; здатність реагувати на невеликі, але тривалі струми перевантаження. Недоліками біметалічних автоматів захисту є складність конструкції і значна залежність амперсекундних характеристик від параметрів навколишнього середовища.

Вибір ЗА. Розглянуті апарати захисту широко застосовуються для захисту магістральних і розподільчих мереж. Однак з їх допомогою не завжди можна здійснити повний захист будь-якої магістральної мережі. Зупинимося на питання вибору апаратів захисту для розподільчої мережі. При цьому необхідно враховувати характер роботи споживачів електричної енергії.

Якщо струм навантаження споживачів при всіх режимах роботи не перевищує номінальної величини, то захист може здійснюватися плавкими запобіжниками або тепловими автоматами.

Номінальний струм апарата захисту вибирається за номінальним струмом споживача з урахуванням коефіцієнта запасу:

І_зах= К_з І_ном > І_ном,

де І_зах – номінальний струм апарата захисту; К_з – коефіцієнт запасу; І_ном – номінальний струм споживача. На практиці обирають найближчий більший за номінальним струмом апарат захисту.

Порядок виконання лабораторної роботи

Для вибору необхідного апарату захисту необхідно керуватися певними показниками. Для кіл з короткочасними перевантаженнями, наприклад, кіл живлення електродвигунів, захист здійснюють інерційними запобіжниками і тепловими автоматами. При цьому вибір захисної апаратури здійснюють за номінальним струмом споживачів. Практично для захисту кіл малопотужних двигунів порядку 100 Вт як правило вибирають теплові автомати. У цих двигунів кратність пускових струмів не перевищує 3…4. Для захисту кіл більш потужних електродвигунів застосовують інерційно-плавкі запобіжники.

При більш строгому виборі теплових автоматів для кіл, що допускають пускові або короткочасні перевантаження, використовуються амперсекундні характеристики автоматів (рис. 6.7). При цьому підраховують максимально можливе ефективне значення струму навантаження за час його зміни Т, наприклад, за час пуску двигуна:

,

де i – миттєве значення струму навантаження.

Потім відкладають величини і Т на осях амперсекундних характеристик серії автоматів і знаходять точку А.

Рис. 6.7 Найближча до точки А характеристика, що проходить вище цієї точки, відповідає тому автомату, який потрібно вибрати. Величину інтеграла можна визначити графічно за кривою зміни струму в перехідному режимі i = f(t). Якщо необхідно захищати фідер двигуна плавкою вставкою, то використовують формулу:

І_зах=І_пуск/1,5.

Отже запобіжник треба вибирати так, щоб він був у півтори рази меншим від пускового струму електродвигуна. Але у цьому випадку коло електродвигуна захищається тільки від коротких замикань.

Приклад. Підібрати апарат захисту для фідера двох плафонів ПС-45. Потужність лампи плафона Р=25 Вт, напруга U=24 В.

Рішення. Струм навантаження фідеру І_ном=2Р/U=2·25/24=2,1 А.

Отже, вибираємо плавкий запобіжник ПВ-5.

Зміст звіту

1. Конструкції кнопок, перемикачів і кінцевих вимикачів.

2. Електрокінематичні схеми теплових автоматів захисту.

3. Результати вибору необхідного захисного апарату.

4. Висновки.

Контрольні запитання і завдання

1. Які елементи схеми електропостачання відносяться до комутаційної апаратури?

До комутаційної апаратури відносяться пристрої, за допомогою яких здійснюють включення, вимкнення і перемикання електричних ланцюгів. За своїм призначенням ця апаратура поділяється на апаратуру прямої дії (кнопки, вимикачі, кінцеві вимикачі) і прилади дистанційної дії (реле та інше).

2. Поясніть порядок вибору захисної апаратури?

При виборі захисної апаратури необхідно враховувати характер роботи споживачів електричної енергії. Якщо струм навантаження споживачів при всіх режимах роботи не перевищує номінальної величини, то захист може здійснюватися плавкими запобіжниками або тепловими автоматами.

Номінальний струм апарата захисту вибирається за номінальним струмом споживача з урахуванням коефіцієнта запасу: І_зах= К_з І_ном > І_ном, де І_зах – номінальний струм апарата захисту; К_з – коефіцієнт запасу; І_ном – номінальний струм споживача. На практиці обирають найближчий більший за номінальним струмом апарат захисту.

Для захисту кіл малопотужних двигунів порядку 100 Вт як правило вибирають теплові автомати. У цих двигунів кратність пускових струмів не перевищує 3…4. Для захисту кіл більш потужних електродвигунів застосовують інерційно-плавкі запобіжники.

П ри більш строгому виборі теплових автоматів для кіл, що допускають пускові або короткочасні перевантаження, використовуються амперсекундні характеристики автоматів (рис. 6.7). При цьому підраховують максимально можливе ефективне значення струму навантаження за час його зміни Т, наприклад, за час пуску двигуна , де i – миттєве значення струму навантаження. Потім відкладають величини і Т на осях амперсекундних характеристик серії автоматів і знаходять точку А. Найближча до точки А характеристика, що проходить вище цієї точки, відповідає тому автомату, який потрібно вибрати. Величину інтеграла можна визначити графічно за кривою зміни струму в перехідному режимі i = f(t). Якщо необхідно захищати фідер двигуна плавкою вставкою, то використовують формулу: І_зах=І_пуск/1,5.

Рис. 6.7 Отже, запобіжник вибирають так, щоб він був у півтори рази меншим від пускового струму електродвигуна. Але у цьому випадку коло електродвигуна захищається тільки від коротких замикань.