УДК 621.316.9

Противодействие перегрузкам и коротким замыканиям в электрических цепях воздушного судна

Сагитов Дамир Ильдарович – кандидат технических наук, доцент кафедры Систем автоматизированного управления Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Кремлев Александр Владимирович – студент факультета Лётной эксплуатации Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Дибаев Марат Рустемович – студент факультета Лётной эксплуатации Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Аннотация: В статье рассматриваются различные варианты защиты от перегрузок и коротких замыканий в электрических цепях воздушного судна; подробно описывается принцип действия разных автоматов защиты, их преимущества и особенности. Расписаны классификации предохранителей, их устройство, конкретные случаи их применения. Описаны виды релейной защиты: дифференциально-токовая и поперечная. Также внимание уделено необходимости наличия принципов селективности, быстродействия и инерционности защиты.

Ключевые слова: автомат защиты сетей, предохранитель, короткое замыкание, перегрузка, релейная защита.

Наиболее распространенные неисправности при использовании электрической цепи в воздушном судне – короткие замыкания во всяческих потребительных устройствах и сети, перегрузки самих потребителей тока (в пример можно привести перегрузку электромеханизмов во время нарастания крутящего момента вала двигателя) и разрывы проводов. В целях недопущения серьезных исходов нештатных ситуаций в электрических цепях используется специальное оборудование, призванное защитить их.

Кроме основных запросов к электрическому оборудованию воздушного судна, защитная аппаратура должна соответствовать нескольким добавочным критериям, таким как: селективность, быстродействие и инерционность.

Инерционность защиты является критерием, исключающим возможность использования защитного оборудования при коротких пусковых токах выше номинальных значений в защищаемом участке сети.

Селективность защиты обеспечивает отключение лишь конкретного участка цепи, который оказался поврежден так, чтобы не обесточить остальные необходимые для работы воздушного судна системы. Если в сеть включены несколько аппаратов защиты последовательным способом, то первым срабатывает тот, который оказался ближе всего к месту, в котором произошло короткое замыкание. Следующий аппарат защиты, имеющий большую задержку по времени, сработает только в том случае, если первый окажется неисправен.

Быстродействие защиты гарантирует выключение электрических цепей в кратчайшее временной отрезок после появления короткого замыкания. Амперсекундные характеристики определяют эффективность работы аппаратов защиты. Они отражают связь времени срабатывания и величины тока, протекающего по проводнику. При необходимости повысить надежность защиты, следует убедиться в том что амперсекундные характеристики защищаемого потребителя и устройства защиты совпадают.

Все защитное оборудование электрических цепей воздушного судна можно разделить на несколько категорий: предохранители, биметаллические аппараты защиты и устройства релейной защиты. По своему функционалу оно разделяется на несколько типов: быстродействующее, малоинерционное и инерционное.

Электрические предохранители, также известные как плавкие вставки, эффективно используются для обеспечения безопасности цепей и агрегатов с различной силовой нагрузкой, варьирующейся 0,25 – 900 Ампер. Предохранители и биметаллические аппараты защиты подключаются параллельно с потребителем, нуждающимся в защите. Их ключевыми характеристиками являются номинальный и критический токи. Номинальный ток представляет собой ток, который устройство защиты может пропускать постоянно без возникновения проблем. Однако, когда в электрической цепи достигается критический ток, устройство защиты срабатывает, отключая потребителя от источника питания и предотвращая его возможное повреждение.

К малоинерционным аппаратам защиты причисляются предохранители серий ТП, ПВ и СП. Они действуют с минимальной задержкой и в краткий временной отрезок отключают дефективный участок цепи. Среди плавких предохранителей наиболее распространены СП, которые являются стеклянными и проверяются визуально по перегоранию элемента. Они рассчитаны на токи 0,25 – 30 Ампер.

Предохранители серии ТП (тугоплавкие) используются для обеспечения защиты генераторов и мощных электрических двигателей с номинальными токами, варьирующимися в диапазоне 200 – 900 Ампер. Они используются, например, для защиты двигателей на Ту-95, а также для защиты других крупных потребителей.

Предохранитель серии ПВ являет собой трубочку из стекла и два колпачка, покрытые слоем никеля. В пространстве меж этими колпачками находится особая плавкая вставка, выполненная из серебряной проволоки или пластины, определенного размера. Когда протекающий через цепь ток достигает определенного, небезопасного значения, плавкий элемент сгорает, возникает разрыв в цепи и, следовательно, ток через устройство прекращается. Предохранители серии ПВ в открытом осуществлении, имеют способность выдерживать номинальные токи в диапазоне 2 – 40 Ампер, в то время как их закрытые аналоги способны выдерживать ток 50 – 100 Ампер.

В предохранителях серии СП, предназначенных для токов 0,25 – 30 Ампер, в качестве плавких вставок используется медь, цинк или серебро.

Предназначенные для защиты генераторов и потребителей с высокими пусковыми токами, инерционные предохранители серии ИП изготавливаются с возможностью выдерживать ток в диапазоне 10 – 255 Ампер. Предохранитель серии ИП представляет собой небольшое устройство, включающее фибровую трубочку с колпаками из латуни по краям, к которым присоединены металлические наконечники для установки устройства. Внутреннее пространство предохранителя разделено фибровыми перегородками на три части, при этом крайние отсеки в целях предотвращении электрической эрозии и расплавления заполняются дугогасящим порошком. В рамках номинального режима тока происходит его прохождение по проводящему элементу, системе скоб, специально обработанному основанию из меди и нагревающемуся элементу.

При превышении опасного значения тока через предохранительный элемент, тепло, выделяющееся в нагревательном элементе, будет постепенно нагревать медное основание. Благодаря наличию определенной теплоемкости, воздействие тепла на место спая системы скоб происходит постепенно, позволяя на время задержать активацию предохранителя. В случае превышения расчетного времени нагрева, припой плавится, что вызывает разрушение системы пружиной и, следовательно, разрыв электрической цепи между плавящимся элементом и основанием из меди. Этот механизм срабатывания предохранителя приводит к отключению неисправного объекта от сети.

Если перегрузка происходит в краткие сроки или произошло короткое замыкание, превышающее крайне допустимое значение, плавкий элемент автоматически перегорает. Происходит активация предохранителя аналогично малоинерционным предохранителям. При перегорании плавкого элемента возникает дуга, которая эффективно нейтрализуется газами, высвобождающимися при нагревании фибры и дугогасящего порошка.

Хотя плавкие предохранители являются несложными в использовании устройствами, их номинальные характеристики способны измениться со временем из-за воздействия температуры окружающей среды и изнашивания материала плавких вставок. Во время полета контролировать состояние предохранителей и своевременно их заменять становится затруднительно.

Биметаллические аппараты защиты, также известные как автоматы защиты сетей или автоматические выключатели, представляют собой устройства, комбинирующие предохранитель и выключатель, то есть могут включаться и выключаться как вручную, так и автоматически. Они бывают как встроенными в объект защиты, так и объединенными с ручными переключателями. Существуют различные версии автоматических выключателей – герметичные и негерметичные. Их классификация зависит от кинематической схемы: тип АЗС, который не имеет свободного расцепления управляющей и контактной системы, и тип АЗР, где такое расцепление есть.

Когда электрический ток становится больше критического значения при прохождении через автоматический выключатель, биметаллическая вставка начинает нагреваться больше, чем аппарат способен отводить в окружающую среду. Это приводит к тепловому расширению металла и прогибанию вставки вниз, что переводит выключатель в положение «Выключено». Однако, такой автомат обладает возможностью постоянного удержания выключателя в положении «Включено», что позволяет использовать его как обычный выключатель. Это особенно полезно для однократного срабатывания критических потребителей после автоматического отключения от общей электрической сети воздушного судна.

Автомат защиты с расцепителем (АЗР) отличается тем, что его нельзя принудительно включить если он сработал. Перевод переключателя в режим «Включено» не замкнет цепь пока биметаллическая вставка не охладится до некоторой безопасной температуры. Данное отличие позволяет использовать АЗР для защиты потребителей, чье принудительное включение недопустимо в соответствии с противопожарными требованиями или требованиями безопасности сразу же после аварийного отключения. Рассмотренная ранее защитная аппаратура, обеспечивая максимально-токовую защиту радиальных участков сетей и потребителей, оказывается неэффективной в контексте схемы поперечной релейной защиты электрических сетей.

Автоматические выключатели включают в себя две основные категории: негерметичного типа (серии АЗС и АЗР) и герметичного типа (серии АЗСГ и АЗРГ). Автоматические выключатели серии АЗФ предназначены для использования в однофазных сетях переменного тока и рассчитаны на обеспечение защиты при токовой нагрузке величиной 2 – 50 Ампер, в то время как для трехфазных сетей рекомендуется применять автоматы серии АЗЗ, расчетная нагрузка которых – 6 – 150 Ампер.

Для дополнительной защиты, помимо аппаратуры максимально-токовой защиты, применяется релейная аппаратура, основанная на принципах дифференциально-токовой защиты. Эта аппаратура функционирует путем сравнения токовых величин входящих и выходящих из неё. Защита называется продольной если происходит сравнение токов в начале и конце защищаемого участка цепи. Если же сравниваются токи в двух параллельных линиях, защита называется поперечной. Практически во всех воздушных судах используется поперечная релейная защита, так как продольная защита, обладая относительно низкой надежностью, имеет значительный вес, что является немаловажным фактором в авиации.

При использовании поперечной защиты, защищаемая линия построена в виде двух параллельных проводов. Первый провод проходит через сердечники трансформаторов, а второй завит так, чтобы направления тока в сердечнике и в первом проводе были противоположными. При обычном режиме работы, магнитные потоки проводов внутри трансформаторов уравновешены, и во вторичных обмотках не возникает электродвижущая сила (ЭДС), обмотки реле остаются разомкнутыми. Равновесие пропадает, когда случается короткое замыкание. Во вторичных обмотках трансформаторов появляются электродвижущие силы. Активируются защитные реле которые запускают импульсные контакторы, и аварийный участок сети изолируется путем размыкания контактов.

Список литературы

1. ОСТ 1 00195-76 Аппараты защиты бортовых электрических сетей самолетов и вертолетов Методика выбора и проверки правильности установки в системах электроснабжения, 1976 – 167 c.
2. Бортовая система электроснабжения летательных аппаратов [Электронный ресурс] Википедия – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Бортовая_система_электроснабжения_летательных_аппаратов.
3. Аппараты защиты, используемые на воздушных судах
   [Электронный ресурс] Студопедия – URL: https://studopedia.su/14_170851_apparati-zashchiti-ispolzuemie-na-vozdushnih-sudah.html.
4. Основные правила эксплуатации бортовой электрической сети [Электронный ресурс]. Студфайлс – URL: https://studfile.net/preview/9864270/page:3.
5. Электрическая бортовая сеть: авиационные провода, аппаратура защиты и управления [Электронный ресурс] Студопедия – URL:https://studopedia.ru/26_101772_elektricheskaya-bortovaya-set-aviatsionnie-provoda-apparatura-zashchiti-i-upravleniya.html.
6. Системы передачи и распределения электрической энергии: Защитная аппаратура. [Электронный ресурс]. Авиайр.ру: http://aviair.ru/spre/id/12.
7. Авиационная аппаратура защиты электрических сетей: аппаратура защиты [Электронный ресурс] Студфайлс – URL: https://studfile.net/preview/2137857/page:15.
8. Электрический предохранитель [Электронный ресурс] Википедия – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_предохранитель.