В любой электрической цепи, где отсутствуют стабилизирующие и защитные схемы, может возникнуть нежелательное увеличение тока. Это бывает следствием природных явлений (разряд молнии возле линии электропередач) или результатом короткого замыкания (КЗ) или пусковых токов. Во избежание всех этих случаев правильным решением будет установка в сеть или локальную цепь устройства ограничения.
Что такое токоограничитель?
Прибор, схема которого построена таким образом, что предотвращает возможность возрастания силы электричества выше заданных или допустимых пределов амплитуды, называется ограничителем тока. Наличие защиты сети при установленном в нем ограничителе тока дает возможность уменьшить требования к последней в плане динамической и термической устойчивости в случае закорачивания.
В высоковольтных линиях с величиной напряжения до 35 кВ ограничение КЗ добиваются путем применения электрических реакторов, в отдельных случаях – предохранителей плавких, созданных на основе мелкозернистых наполнителей. Также цепи, питаемые высоким и низким напряжением, защищают схемами, собранными на базе:
- выключателей тиристорных;
- реакторов нелинейного и линейного типа, с шунтированием переключателями полупроводниковыми оперативного срабатывания;
- реакторами нелинейными с подмагничиванием.
Принцип действия ограничителя
Основной принцип, заложенный в схемы ограничения тока, лежит в том, чтобы погасить лишний ток на таком элементе, который может преобразовать его энергию в другой вид, например, тепловой. Наглядно это видно на работе ограничителя силы тока, где применен терморезистор или тиристор в качестве рассеивающего элемента.
Другой способ защиты, который тоже часто используется, заключается в отсекании нагрузки от линии, в которой произошел бросок электричества. Такого рода выключатели могут быть автоматическими, с возможностью самовосстановления после исчезновения угрозы, или требующими замены реагирующего защитного элемента, как в случае с плавким предохранителем.
Наиболее совершенными считаются электронные схемы ограничителей, работающие по принципу закрытия канала прохождения электричества при его увеличении. Используют в этом случае специальные проходные элементы (например, транзисторы), управление которыми осуществляется за счет датчиков.
Современные комбинированные системы объединяют в себе функцию ограничителей тока при определенных перегрузках и защитную опцию с выключением нагрузки при токах короткого замыкания. Обычно такие системы работают в высоковольтных сетях.
Схема ограничителя тока
На примере простейшей схемы устройства для ограничения тока можно понять, как работает «электронный предохранитель». Схема собрана на двух биполярных транзисторах и позволяет регулировать силу электричества в низковольтных блоках питания.
Назначение компонентов схемы:
- VT1 – транзистор проходной;
- VT2 – усилитель сигнала управления проходного транзистора;
- Rs – датчик уровня тока (резистор низкоомный);
- R – резистор токоограничивающий.
Протекание в схеме тока допустимой величины сопровождается падением напряжения на Rs, значение которого после усиления на VT2 поддерживает проходной транзистор в полностью открытом состоянии. Как только сила электричества превысила пороговый предел, переход транзистора VT1 начинает прикрываться пропорционально увеличению электричества. Отличительной особенностью такого исполнения устройства являются большие потери (падение напряжения до 1,6 В) на датчике и проходном элементе, что нежелательно для питания низковольтных приборов.
Аналогом описанной выше схемы является более совершенная, где уменьшения падения напряжения на переходе добиваются путем замены проходного элемента с биполярного на полевой транзистор с малым сопротивлением перехода. На полевике потери составляют всего 0,1 В.
Ограничитель пускового тока
Оборудование такого типа предназначено для того, чтобы обеспечить защиту индуктивной и емкостной нагрузки (различной мощности) от скачков при запуске. Оно устанавливается в системах автоматизации. Больше всего таким токовым перегрузкам подвержены двигатели асинхронные, трансформаторы, светильники светодиодные. Следствием применения ограничителя тока нагрузки в этом случае является увеличение срока службы и надежности приборов, разгрузка электросетей.
Примером современной модели однофазного токоограничителя может служить прибор РОПТ-20-1. Он универсален и содержит в себе одновременно ограничитель пускового тока и реле для контроля напряжения. Схема управляется микропроцессором, который в автоматическом режиме гасит пусковой бросок и может отключать нагрузку, если в сети возросло напряжение свыше допустимого уровня.
Прибор включают в разрыв линии питания и нагрузки, он работает следующим образом:
- При подаче напряжения включается микроконтроллер, который проверяет наличие фазного напряжения и его значение.
- Если неполадки не выявляются за время одного периода – подключается нагрузка, о которой сигнализирует светодиод «Сеть» зеленого цвета.
- Происходит отсчет 40 миллисекунд, и реле шунтирует гасящий резистор.
- При отклонении напряжения от нормы или его пропадании реле отсекает нагрузку, что сигнализирует светодиод «Авария» красного цвета.
- При восстановлении параметров сети (ток, напряжение) система возвращается в исходное состояние.
Ограничение тока генератора
В автомобильных генераторах важно контролировать не только величину выдаваемого напряжения, но и отдаваемый в нагрузку ток. Если превышение первого может привести к выходу из строя осветительного оборудования, тонких обмоток устройств, а также перезарядке аккумулятора, то второй – повредить обмотку самого генератора.
Отдаваемый ток увеличивается тем больше, чем больше нагрузки подключается на выходе генератора (за счет уменьшения общего сопротивления). Для предотвращения этого применяют ограничитель силы тока электромагнитного типа. Принцип действия его основан на включении в цепь возбуждающей обмотки генератора дополнительного сопротивления в случае возрастания электричества.
Ограничение тока КЗ
Для защиты электростанций и больших заводов от ударных токов иногда применяют ограничители тока коммутационного типа (взрывного действия). Они состоят из:
- разъединительного устройства;
- плавкого предохранителя;
- блока микросхем;
- трансформатора.
Посредством контроля за величиной электричества логическая схема выдает сигнал на детонатор (по истечении 80 микросекунд) при возникновении КЗ. Последний взрывает шину внутри патрона, и ток перенаправляется на плавкий предохранитель.
Особенности разных токоограничителей
Каждый вид устройства по ограничению разрабатывается под конкретные задачи и обладает определенными свойствами:
- плавкий предохранитель – обладает быстродействием, но требует замены;
- реакторы – эффективно противостоят токам КЗ, но имеют значительные потери и падение напряжения на них;
- электронные схемы и быстродействующие выключатели – имеют малые потери, но слабо защищают от ударных токов;
- электромагнитные реле – состоят из подвижных контактов, которые со временем изнашиваются.
Поэтому выбирая, какую схему применить у себя, необходимо изучить весь ряд факторов, характерных для конкретной электрической цепи.
Заключение
Необходимо помнить, что доступ к электрическим сетям требует определенных знаний в электрике и опыта работы. Поэтому, устанавливая такое оборудование, важно соблюдать технику безопасности. Но лучше всего, конечно, доверить такую работу квалифицированному специалисту.
