Защита от "короткого" | ТМ 1938-11

Инж. Л. ЛЕХТМАН

Электричество — великая сила. Современная жизнь невозможна без электричества. Оно приводит в движение огромные станки на фабриках и заводах, вращает мощные моторы электровозов и винты подводных лодок, плавит сталь и алюминий в электропечах, сваривает железные балки мостов и корпуса судов, и оно же колеблет легкую мембрану телефонного аппарата, переводит стрелки электрических часов, накаливает волосок электрической лампочки и дает крохотную искру, воспламеняющую горючую смесь в цилиндрах авиационного двигателя. Нет такой области техники или быта куда не проникло бы электричество.

Электрическая энергия может быть преобразована в движение, тепло, свет. Ее можно передать на расстояние. Открытие электрической энергии и использование ее для технических целей явилось подлинной революцией в технике. Еще в самой ранней заре практической электротехники Энгельс писал по поводу опытов Депре с передачей электрической энергии на расстояние: «Дело это имеет чрезвычайно революционный характер... пользование электричеством открывает нам пути превращения всех форм энергии — теплоты, механического движения, электричества, магнетизма, света — одной в другую и обратно и промышленного их использования».

Гениальное предвидение Энгельса полностью оправдалось. Конец XIX и начало XX века являются свидетелями буквально триумфального шествия электричества. Величайшие ученые этого времени стремятся разрешить теоретические проблемы, связанные с электричеством.

Но наряду с вопросами принципиально-теоретического характера целый ряд практических вопросов также требовал своего немедленного разрешения. В частности, таким был вопрос о защите электрических установок от коротких замыканий. Короткое замыкание — это явление, при котором ток электрической установки достигает ненормально большой, опасной для установки величины. Можно представить себе запруженную реку, вода из которой течет через узкое отверстие в плотине. Вдруг под напором воды плотина дает трещину, часть ее обваливается. В образовавшуюся пробоину с ревом бросается вода. Мощная струя размывает и сносит остатки плотины и несется вниз, сокрушая все на своем пути.

Замените в этой картине воду электрическим током, разность уровней воды — разностью потенциалов, и получится картина короткого замыкания.

*

Если к клеммам 12-вольтовой электрической батареи присоединить при помощи медных проводов электрическую лампочку, то она загорится. Амперметр покажет, что по проводам течет ток, равный двум амперам. Этот ток не может причинить установке никакого вреда. Подводящие провода и батарея останутся холодными. Но если вместо лампочки к проводам присоединить кусок медной проволоки, то результат будет иной. Стрелка амперметра дернется, как от удара, и покажет, что по цепи течет ток, равный нескольким десяткам ампер. В местах соединений посыплются искры, проволока расплавится и сгорит. Если же она достаточно толстая, то еще раньше, чем она, сгорят подводящие провода. Батарея также выйдет из строя, так как ее элементы разрушатся. Произойдет то, что принято называть коротким замыканием.

Причиной его было то, что присоединенный к клеммам батареи кусок медной проволоки обладает значительно меньшим электрическим сопротивлением, чем лампочка. Ток в электрической цепи определяется формулой:

\(I=\frac VR\),

где \(I\) — электрический ток,
\(V\) — напряжение,
\(R\) — сопротивление.

Следовательно, чем меньше сопротивление, тем больше ток при данном напряжении. Пока батарея была включена на электрическую лампочку, сопротивление которой сравнительно велико, ток был мал. Но когда батарея оказалась замкнутой на медный проводник, сопротивление которого ничтожно, ток возрос в десятки раз и разрушил провода и батарею.

Возьмем другой пример. В едущем трамвае ток из контактного провода через токоприемник, контроллер, сопротивления и моторы идет в рельсы, а оттуда — обратно на подстанцию. Величина этого тока равна 150—200 амперам. Вдруг по какой-нибудь причине изоляция нарушилась и возник контакт между проводом, идущим от токоприемника, и металлическим каркасом вагона. Тогда ток из контактного провода пройдет в рельсы прямо через каркас вагона, оси и колеса, минуя моторы и сопротивления. Этот путь имеет гораздо меньшее электрическое сопротивление, и поэтому ток достигнет очень большой величины. Провод начнет гореть и плавиться. Генератор на подстанции также пострадает, потому что он не рассчитан на такой большой ток.

При коротком замыкании ток из контактного провода проходит в рельсы прямо через металлический каркас вагона, оси и колеса, минуя моторы и сопротивления...

Следовательно, чтобы избежать аварии, и потребитель электрической энергии и источник этой энергии должны быть защищены от токов коротких замыканий.

Ученый Джоуль вывел формулу, по которой можно подсчитать количество тепла, выделяемого электрическим током на каждом участке электрической цепи. Он доказал, что количество тепла пропорционально электрическому сопротивлению данного участка и квадрату силы тока. Это значит, что если ток возрастет в 10 раз, то количество выделяемого тепла возрастет в 100 раз.

Большое количество тепла, выделяющегося при коротких замыканиях, опасно не только для самой электрической установки. Известно, что немало пожаров происходит вследствие плохого состояния электрической проводки, от случайных замыканий, порчи изоляции и т. п. Ясно, что без надежной защиты от коротких замыканий практическое применение электрического тока невозможно.

Такая защита была найдена и впервые предложена в 1880 г. знаменитым ученым, талантливым изобретателем Эдисоном, которому современная техника обязана очень многим. Эдисон предложил использовать для защиты от коротких замыканий предохранитель — медный провод или пластинку, сечения значительно меньшего, чем защищаемые провода. При правильно выбранных размерах такого предохранителя он всегда успеет перегореть прежде, чем другим частям установки будет причинен какой-нибудь вред. Это следует из той же формулы Джоуля. Вспомним пример с лампочкой: ее волосок раскаляется добела, в то время как подводящие провода остаются холодными. Происходит это потому, что волосок лампочки очень тонок и сделан из металла, имеющего большое удельное сопротивление. Подводящие провода имеют сечение во много раз большее и сделаны из меди — материала с очень малым удельным сопротивлением. Таким образом, при одном и том же токе на каждый сантиметр длины лампового волоска приходится в сотни раз большее количество тепла, чем на сантиметр длины провода.

Вот почему температура провода не превышает 40—50°, а температура волоска достигает 1000°. Волосок не расплавляется и не сгорает только потому, что он сделан из особо тугоплавкого металла и находится в пустоте или в пространстве, заполненном инертным газом. Если лопнет стекло электрической лампочки, волосок мгновенно сгорит.

Предохранитель не должен быть так тонок, чтобы сгорать при нормальном токе. Но он должен иметь такое сечение, чтобы при увеличении силы тока вдвое-втрое он перегорал в течение нескольких секунд. Расчет и опыт показывают, что для небольших токов и небольших напряжений этого сравнительно легко добиться. Например, кусочек медной проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 20—25 мм вполне надежно защитил бы провода и батарею в нашем первом опыте.

Однако попытки применить такого типа предохранитель для защиты более мощной установки встречают целый ряд затруднений. Прежде всего, чем выше напряжение, тем труднее сделать предохранитель так, чтобы он перегорал надежно и быстро. Уже при напряжении в 50 вольт предохранитель сгорает с яркой вспышкой и может обжечь окружающие предметы. А при напряжении в 500 вольт (трамвай) и выше при сгорании предохранителя образуется вольтова дуга, и нужно принимать специальные меры, чтобы ее погасить. Эта дуга особенно опасна, когда предохранитель имеет сравнительно большое сечение (как это бывает необходимо при больших токах). При сгорании такого предохранителя образуется большое количество раскаленных газов и металлических паров. Эти так называемые «ионизированные» газы делают окружающий воздух как бы проводящим электрический ток, и поэтому может произойти переброс дуги на большое расстояние. Особенно опасно это в таких установках, где одним полюсом является провод, а другим — земля, как, например, на электровозах, трамваях, электрических поездах и др. Здесь железный каркас кузова электрически соединен с рельсом через оси и колеса. Поэтому при неудачном перегорании предохранителя дуга может переброситься на любую металлическую часть кузова, и тогда получится короткое замыкание, уже не защищенное предохранителем.

Вольтова дуга горит между двумя контактами (моментальный снимок).

*

Существует несколько различных способов, получения надежной работы предохранителей. Все они направлены к тому, чтобы как можно быстрей погасить вольтову дугу, возникающую между полюсами предохранителя.

Так, например, чтобы ограничить дугу, предохранители заключают в трубки из огнестойкого или малогорючего материала — фарфора, асбеста, фибры. Это дает хорошие результаты, особенно когда трубки наглухо закрыты с обеих сторон. Исследования показали, что когда предохранитель перегорает в герметически закрытой трубке, то давление внутри нее резко повышается. Происходит нечто вроде заглушенного взрыва. При этом ионизированные газы теряют свои опасные свойства, «деионизируются», и дуга внутри трубки быстро гаснет. Но иногда трубка не выдерживает давления и лопается. Тогда газы вырываются наружу, давление внутри трубки падает, наступает сильная ионизация, дуга не гаснет, и может произойти авария. Вот почему иногда в таких конструкциях предохранитель помещают в толстостенные фибровые трубки, состоящие из нескольких концентрических трубок, туго загнанных одна в другую.

Вольтова дуга — это электрический ток, проходящий по своего рода мосту из раскаленных газов и паров металла...

Этот мост под влиянием магнитного поля выгибается, растягивается и наконец разрывается...

Второй способ заключается в том, что предохранитель помещается в трубке, закрытой только с одного конца, наподобие ракеты. Когда предохранитель перегорает, в трубке мгновенно повышается давление и происходит быстрое выбрасывание наружу ионизированных газов и остатков сгоревшего проводника. Предохранитель как бы «выплевывает» свое содержимое вместе с вольтовой дугой. Происходив это настолько быстро, что дуга внутри предохранителя не успевает установиться и гаснет. Этот тип предохранителя называется стреляющим.

Наконец, третий способ, применяемый главным образом в предохранителях, рассчитанных на большую силу тока, — это способ «магнитного дутья».

Идея электромагнитного выдувания дуги основана на законе электродинамики, который устанавливает взаимодействие между электрическим током и магнитным полем. Еще в 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил поразившее его явление — стрелка магнитного компаса реагировала на приближение проводника, по которому протекал электрический ток. Она начинала колебаться и отклоняться от своего нормального положения так, как будто между нею и проводником действовали какие-то силы притяжения и отталкивания. Эрстед не мог дать полного объяснения этому явлению и ограничился только его описанием.

Позднейшие исследователи установили, что отклонения стрелки вызываются взаимодействием между магнитным полем стрелки и током, протекающим по проводу. Они выяснили, что если вместо стрелки взять сильный магнит, закрепить его неподвижно около тонкого провода, по которому протекает ток, то сам провод начнет изгибаться, как бы стремясь переместиться.

Свойство проводника с током перемещаться под действием магнитного поля и используется для магнитного гашения вольтовой дуги. Роль гибкого проводника здесь играет сама вольтова дуга, а вместо естественного магнита применен электромагнит, т. е. железный сердечник, обмотанный изолированной проволокой, по которой протекает ток.

Предохранитель с магнитным гашением представляет собой коробку из огнестойкого материала, в которой укреплена плавкая вставка — тонкая медная пластинка нужного сечения. В пластинке обычно делают отверстие, для того чтобы получить ослабленное сечение там, где предохранитель должен начать плавиться при коротком замыкании. Ток к пластинке подводится через катушку электромагнита, которая создает магнитное поле в зоне плавкой вставки. Эта катушка называется искрогасительной.

До тех пор, пока через предохранитель проходит нормальный ток, сила взаимодействия между магнитным полем и током настолько мала, что не может выгнуть или разорвать натянутую плавкую вставку. Но когда ток по какой-либо причине сильно возрастает, это взаимодействие усиливается, а сама плавкая вставка под влиянием выделяющегося в ней тепла плавится и сгорает. В первый момент вместо нее устанавливается вольтова дуга — электрический ток, проходящий по своего рода мосту из раскаленных газов и паров металла. Но этот «мост» не обладает такой механической прочностью, как медная вставка, и поэтому под влиянием магнитного поля он ведет себя, как идеально гибкий проводник, — выгибается, растягивается и наконец разрывается. При этом дуга гаснет. Все это происходит очень быстро. Раскаленные газы, частицы расплавленного металла, горячий воздух вылетают из коробки предохранителя с коротким, но сильным звуком, похожим на выстрел. Усилие, действующее на дугу, тем больше, чем больше ток короткого замыкания. Такие предохранители работают очень надежно.

Раскаленные газы, частицы расплавленного металла, горячий воздух вылетают из коробки предохранителя с сильный звуком, похожим на выстрел.

Однако даже самые надежные предохранители имеют довольно большие недостатки. Одним из главных недостатков является большая потеря времени при перезарядке предохранителя. Кроме того, при перезарядке необходимо иметь всегда под рукой набор запасных плавких вставок точного размера. Это часто вызывает простои. Иногда же устанавливают плавкую вставку не по размеру, что является причиной аварий, так как неправильная плавкая вставка не дает защиты.

Другой недостаток — это сравнительно медленное перегорание предохранителей при коротких замыканиях. Особенно это относится к крупным предохранителям. За те несколько секунд, в течение которых предохранитель нагревается и плавится, могут произойти серьезные повреждения в защищаемой установке. Короткое замыкание важно выключить как можно быстрее, только тогда оно не успеет произвести больших разрушений. Плавкий предохранитель не может выполнить эту задачу достаточно хорошо.

*

Пытаясь обойти эти трудности, инженеры направили свои усилия на то, чтобы создать аппарат, который после выключения короткого замыкания не требовал бы замены никаких деталей и мог быть немедленно и просто восстановлен. Такой аппарат, очевидно, должен был быть построен по какому-то другому принципу, нежели предохранитель. Однако идея — использовать тепло, выделяющееся при коротком замыкании, — не была оставлена; она была только видоизменена. Если нельзя плавить детали аппарата, то, может быть, можно заставить их реагировать на повышение нагрева так, чтобы он выключал ток короткого замыкания, а сам при этом не разрушался? Эта задача была решена путем создания тепловых максимальных автоматов.

Вероятно, многие читатели знают о существовании легкоплавких сплавов олова с другими металлами. Некоторые из этих сплавов, как, например, металл Вуда, плавятся при температуре ниже 100°, так что чайная ложка, сделанная из такого металла, растеклась бы в стакане горячего чая. В то же время, при более низких температурах, металл Вуда довольно тверд и прочен. Это свойство легкоплавкого металла использовано в одной из конструкций тепловых автоматов.

Контакты такого автомата удерживаются в замкнутом состоянии при помощи защелки, в то время как сильная пружина стремится их разомкнуть. Защелка наглухо посажена на ось, которая вращается во втулке из легкоплавкого металла. Около втулки помещается небольшая обмотка, по которой проходит электрический ток. Когда этот ток достигает чрезмерной величины, обмотка нагревается и расплавляет втулку. Защелка провертывается, и контакты расходятся. В момент расхождения контактов между ними образуется вольтова дуга, которую гасит искрогасительное устройство такого же типа, как на предохранителях с магнитным гашением.

Прежде чем аппарат успеет остыть, защелку нужно повернуть в прежнее положение. После того как аппарат остынет, он будет снова готов к включению.

В другой конструкции теплового автомата использован биметалл. Биметаллическая пластинка состоит из двух плотно соединенных слоев, сделанных из различных металлов. Металлы эти имеют различные коэффициенты теплового расширения. При нагревании биметаллическая пластинка как бы выпучивается, изгибается, так как составляющие ее слои расширяются неодинаково. При охлаждении она снова выпрямляется. Это свойство биметаллической пластинки используется для освобождения защелки, которая позволяет контактам разомкнуться.

Если взять полоску плотной бумаги и смочить ее с одной стороны, то бумага согнется. Это происходит оттого, что волокна смоченного слоя набухают. Точно так же изгибается биметаллическая пластинка при нагреве, когда один слой металла удлиняется больше, чем другой, вследствие различных коэффициентов расширения. На рисунке слева — сухая полоска бумаги,  справа — полоска, смоченная с одной стороны.

Однако и тепловые автоматы имеют свои недостатки. Так, например, после выключения автомата нужно подождать некоторое время, пока он остынет, прежде чем его можно будет включить снова.

Поэтому наряду с тепловыми автоматами развивались и получали все большее распространение автоматы, основанные на другом принципе.

В этих автоматах, так же, как и в тепловых, контакты удерживаются во включенном состоянии защелкой. Но эта защелка освобождается не под влиянием нагрева, а под действием электромагнитного механизма.

Механизм этот очень прост. Он состоит из катушки, неподвижного железного сердечника и железной же пластины — якоря, укрепленного на шарнире. Катушка из изолированного медного проводника обмотана вокруг сердечника. Когда по катушке проходит ток, сердечник намагничивается и стремится притянуть якорь. Эта усилие тем больше, чем больший ток идет по катушке. Якорь удерживается в оттянутом состоянии при помощи пружины. Когда ток, проходящий через катушку автомата, достигает определенной величины, усилие электромагнита преодолевает натяжение пружины, якорь притягивается к сердечнику и при этом выбивает защелку. Контакты автомата быстро размыкаются, и возникающая между ними дуга гасится при помощи искрогасительной катушки. Как только ток прекращается, электромагнит перестает притягивать якорь, якорь отпадает, защелка поворачивается в прежнее положение, и автомат снова готов к включению.

Такие автоматы полностью удовлетворяют требованиям нормальной эксплуатации, но и у них есть свои недостатки. Главный из них — это сравнительно большое время выключения.

Когда происходит короткое замыкание, ток достигает своей наибольшей величины не мгновенно, а в течение нескольких сотых долей секунды. Если автомат действует настолько быстро, что он способен разомкнуть контакты и погасить дугу, прежде чем ток короткого замыкания достигнет наибольшей величины, то разрушения, причиненные этим током, будут очень небольшие и сам автомат легко разорвет дугу.

Все тепловые автоматы не годятся для этой цели, потому что у них затрачивается сравнительно большое время (секунда и больше) на прогрев выключающего устройства. Но и простые электромагнитные автоматы не вполне удовлетворительны с этой точки зрения, потому что при их выключении также теряются драгоценные доли секунды на усиление магнитного поля, притягивание якоря электромагнита и освобождение защелки. Вот почему в тех случаях, когда хотят добиться особо быстрого выключения, применяют специальные выключатели, так называемые быстродействующие автоматы.

Быстродействующий автомат устроен так, что в его конструкции все подчинено одной основной идее: как можно быстрее разомкнуть контакты и погасить дугу, когда нарастающий ток короткого замыкания достигнет той величины, на которую отрегулирован автомат.

Поэтому все подвижные детали быстродействующего автомата делаются как можно более легкими, чтобы уменьшить инерцию движущихся частей. С этой целью, например, все подвижные рычаги сделаны из алюминия. Все шарниры обработаны с особой точностью и тщательностью.

В конструкции быстродействующего автомата нет ни одной защелки. Контакты удерживаются во включенном состоянии электромагнитом, который получает ток от батареи. Ток короткого замыкания протекает по специальной размагничивающей катушке, которая не усиливает действие магнита, а ослабляет его. Когда этот ток достигает определенной величины, — магнит размагничивается, сильная пружина отрывает якорь, и контакты размыкаются,

Электромагнитный механизм устроен так, что якорь магнита совершает лишь небольшое движение. Для того чтобы размагничивание происходило быстрее, якорь и сердечник магнита сделаны не из массивного, а из тонкого листового железа, собранного в пакеты.

В искрогасительной камере также сделаны специальные устройства для особо быстрого гашения дуги. В середине ее помещена дополнительная искрогасительная катушка. Когда вольтова дуга, растягиваясь, доходит до нее, катушка создает дополнительное магнитное поле, способствующее еще более быстрому растягиванию и гашению дуги.

Быстродействующий автомат. Большой прямоугольник в верхней части аппарата — это искрогасительная камера, в которой происходит разрыв дуги.

Такие выключатели являются очень надежными аппаратами. Они устанавливаются на мощных электровозах, на тяговых подстанциях — всюду, где нужна абсолютно надежная и быстрая защита от коротких замыканий.

Десятки лет прошло, прежде чем была выработана конструкция современных быстродействующих выключателей. Очень немногие заводы в мире могут изготовить эти аппараты, — так сложна их конструкция и трудно изготовление. Наша промышленность может гордиться тем, что в течение нескольких лет она освоила производство быстродействующих автоматов, не уступающих по качеству лучшим американским образцам.

Путь от предохранителя до быстродействующего выключателя — это не только путь развития передовой технической мысли, но и путь победы нашего советского машиностроения.