13.6. ПРЕДОХРАНИТЕЛИ, РЕЛЕ ТОКА И ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ

Электрические приборы и установки нуждаются в защите. Ведь если в цепи произойдет короткое замыкание, ток резко увеличится, многие электротехнические устройства могут выйти из строя, может возникнуть пожар.

Все электротехнические установки тщательно защищаются. Строгие контролеры определяют величину тока в проводах и мгновенно производят отключение, если величина тока станет чрезмерно большой. Чем сложнее электротехническая установка, чем больше ее мощность, тем совершеннее ее защита. Защитные, отключающие аппараты выполняют в электротехнике такие же важные функции, как тормоза в автомобиле. Автомобиль с плохими тормозами нельзя эксплуатировать. Такое же правило действует в электротехнике. Без надежного аварийного отключения работа электротехнических установок запрещена.

Простейшим защитным аппаратом в электрической цепи является плавкий предохранитель. На рис. 13.14 изображен плавкий предохранитель, который устанавливают для защиты домашней электропроводки и бытовых электрических приборов.

На фарфоровый корпус предохранителя в нижней части надета металлическая втулка с резьбой, как у электрической лампочки. В полость корпуса вставлена тонкая проволочка, которая одним концом припаяна к резьбовой втулке, а другим - к контактному наконечнику на торце корпуса. Внешне предохранитель напоминает цоколь электрической лампочки, лишенный баллона.

Он закрепляется в специальном патроне с такой же резьбой, как у электрической лампочки. Если ток в цепи превышает норму, тонкая проволочка нагревается и расплавляется (ее называют плавкой вставкой) — цепь тока разрывается. Для того чтобы разрыв цепи происходил быстрее, в полость корпуса насыпают сухой кварцевый песок. Тогда электрическая дуга, возникающая при перегорании проволочки, быстро охлаждается и гаснет.

Такие предохранители называют пробочными, или просто «пробками». Пробки выпускают на токи от 6 до 20 А. Чем больше ток, тем короче корпус предохранителя, поэтому в патрон для предохранителя на 6 А вставить больший предохранитель нельзя.

Когда плавкая вставка предохранителя перегорает, его нужно заменить новым. Ни в коем случае нельзя подкладывать под корпус предохранителя моток свернутой проволочки, делать «жучок». Такой предохранитель уже не защищает электрическую цепь, а это может привести к серьезной аварии.

Существуют также трубчатые предохранители (рис. 13.15). В них плавкая вставка — калиброванная проволока — помещена в стеклянную трубочку и своими концами припаяна к двум металлическим колпачкам. Колпачки удерживают проволоку и служат для подвода тока. Такие предохранители на небольшие токи применяют в радиоаппаратуре.

Предохранитель — это аппарат одноразового пользования. Это не очень удобно, особенно в производственных условиях, где короткие замыкания могут происходить довольно часто.

В этих случаях применяют защитные быстродействующие реле тока (рис. 13.16). Якорь такого реле имеет форму легкого лепестка, напоминающую латинскую букву 1. Якорь установлен на оси. Реле имеет намагничивающую обмотку с сердечником, собранным из листовой электротехнической стали. Контролируемый ток намагничивает сердечник, и якорь притягивается к полюсам сердечника, стремясь повернуть ось. Этому повороту препятствует спиральная пружина, установленная на конце оси. Когда ток превышает норму, якорь преодолевает противодействие пружины, ось поворачивается и контактный мостик, закрепленный на изолирующей шайбе рядом с якорем, замыкает неподвижные контакты.

Рис. 13.16. Реле тока: 1 - сердечник; 2 — катушка; 3 — якорь; 4 — противодействующая пружина; 5 — контакты; 6 — рычажок; регулирующий величину тока срабатывания реле

В систему управления электротехнической установкой посылается сигнал о недопустимой перегрузке.

Когда ток снизится до нормы, якорь реле вернется в исходное положение и реле будет готово для дальнейшей работы.

Ток срабатывания таких реле можно регулировать. Для этого достаточно повернуть рычажок, регулирующий начальное закручивание спиральной пружины.

Реле тока срабатывает очень быстро — всего за 0,02 с. Это необходимо для аварийного отключения цепи при коротких замыканиях.

Кроме больших кратковременных перегрузок в электротехнических установках возможны перегрузки небольшие по величине, но длящиеся значительное время.

Они также опасны для потребителей, но защититься от них при помощи плавких предохранителей или реле тока невозможно. Слишком часто будут происходить отключения.

Защиту от перегрузок осуществляет тепловое реле. Схема теплового реле изображена на рис. 13.17. Основой реле является биметаллическая пластинка, т. е. пластинка, выполненная из спая двух разнородных металлов. Известно, что при нагревании металлы расширяются. Один слой пластинки сделан из металла, который сильно изменяет свои размеры при нагревании. Для другого слоя выбран материал с очень малым температурным расширением (это инвар — сплав железа и никеля). В результате при нагревании контролируемым током пластинка постепенно изгибается и размыкает контакты в цепи тока. Чем больше ток в цепи, тем быстрее срабатывает тепловое реле.

Рис. 13.7. Схема теплового реле: 1 - биметаллическая пластинка; 2— контакты; 3 — нагреватель

Если ток в цепи очень большой, его просто пропускают через биметаллическую пластинку.

В цепях с малыми токами используют специальный нагреватель. Осуществляют косвенный подогрев биметаллической пластинки.

После срабатывания теплового реле биметаллическая пластинка не сразу возвращается в исходное положение. Необходимо некоторое время, чтобы она остыла. Это время используют для устранения перегрузки в электротехнической установке.

Мы видели, что основные сложности возникают при отключении электрических цепей, особенно если это отключение аварийное. Существуют аппараты, которые специализируются на таких отключениях, — это автоматические выключатели или, более коротко, автоматы.

Автоматы применяют для защиты электрических цепей при коротких замыканиях, перегрузках и других недопустимых режимах работы. Автомат представляет собой комбинацию реле тока и теплового реле, и он позволяет вручную включать и выключать электрическую цепь.

Автоматические выключатели строят на очень большие токи, составляющие сотни и тысячи ампер.

Однако существуют и небольшие автоматы — автоматические пробки. Они стоят в наших квартирах вместо пробок с плавкими вставками и надежно защищают квартирную проводку. Схема такого автомата изображена на рис. 13.18.

Рабочие контакты автомата включаются при помощи большой центральной кнопки и сложной системы рычагов. После того как кнопка нажата, контакты остаются во включенном положении.

Рис. 13.18. Автоматический выключатель: 1 — резьба; 2 — выключатель токов короткого замыкания; 3 — тепловой выключатель; 4 — механизм отключения; 5 — кнопка включения; 6 — кнопка отключения

Однако рычажная система устроена так, что контакты можно разомкнуть специальными расцепителями.

Существуют три способа отключения автомата.

При коротких замыканиях срабатывает токовое электромагнитное реле, расположенное в нижней части автомата. Якорь реле притягивается к сердечнику, преодолевая противодействие цилиндрической пружины. Стерженек, связанный с якорем, размыкает рабочие контакты.

При длительных перегрузках срабатывает тепловой расцепитель. Он установлен в верхней части автомата и состоит из биметаллической пластинки с косвенным подогревом, контролируемым током.

Наконец, можно отключить автомат вручную.

Для этого следует нажать маленькую кнопку, расположенную в крышке автомата сбоку.

Для повторного включения автомата нужно нажать большую центральную кнопку. Но спешить с этим не следует. Прежде всего нужно определить причину неполадки в электрической сети и постараться устранить ее. Впрочем, если произошла перегрузка, сразу включить автомат нельзя. Центральная кнопка не будет фиксировать рабочие контакты. Нужно подождать некоторое время, пока биметаллическая пластинка теплового расцепителя остынет и вернется в исходное положение.