Предохранители

10.1Общие сведения

Аппараты, предназначенные для защиты эл. цепей от токов К3. Основным элементом предохранителя является плавная вставка, включаемая последовательно с защищаемой цепью и дугогасительное устройство. Материалы плавких вставок – цинк, луженая медь, серебро (t⁰_плав Zn-419⁰С, Cu - 1083⁰C).

Основная характеристика предохранителя – зависимость времени плавления вставки от тока.

Ток, при котором вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры называется пограничным током I_погр.

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при Iн, необходимо чтобы I_погр>Iн. С другой стороны, для лучшей защиты значения I_погр должно быть ближе к I_н.

Основным параметром предохранителя при К3 является предельный ток отключения – ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшему рабочему напряжению.

Вставка из легкоплавких металлов имеет значительно большее сечение, чем сечение вставки из меди (большое удельное сопротивление). Из-за большого объема вставки количество паров металла в дуге велико, что затрудняет ее гашение и уменьшает предельный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих особенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные вставки с металлургическим эффектом.

На медную проволоку наносится шарик из олова. При нагреве плавится олово (T_пл=232⁰С), а в месте контакта олова с проволокой начинается растворение меди и уменьшение ее сечения.

Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длиться до тех пор, пока медная проволока не расплавиться в точке расположения шарика. Температура плавления вставки снижается до 280⁰С (t_cu=1083⁰С). Отношение I_погр/Iн=1,2 , что дает улучшение времятоковой характеристики.

Медная вставка при длительной и высокой температуре интенсивно окисляется. Пленка оксидов при изменении температурного режима отслаивается, и сечение вставки постоянно уменьшается.

Серебряные плавкие вставки не подвержены тепловому старению.

Для того чтобы предохранитель работал с токоограничением, плавкая вставка выполняется с переменным сечением и ее плавление происходит в перешейках с наименьшим сечением. Наличие перешейков позволяет резко снизить время с момента К3 до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током К3 установившегося значения. При этом проявляется эффект токоограничения.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений в зависимости от U_н.

По конструкции предохранители бывают:

- с открытой вставкой в воздухе;

- с открытой вставкой в стеклянной трубке;

- разборные с вставкой в фибровой трубке;

- засыпные с параллельными вставками;

- пленочные (быстродействующие).

В предохранителях с открытой вставкой пары испарившего цинка способствует гашению эл. дуги.

В предохранителях с гашением дуги в закрытом объеме повышается давление, что способствует погасанию эл. дуги, так как теплопроводность газа увеличивается.

При горении в фибровом цилиндре, часть фибры переходит в газообразное состояние. Условия гашения эл. дуги еще более улучшается.

В засыпных предохранителях корпус изготавливается из прочного фарфора или керамики.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1 – 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения и разделяется на несколько параллельных ветвей для более полного использование наполнителя (сухой кварцевой песок 99% и мел 1%).

Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски (металлургический эффект). При К3 плавкая вставка сгорает, и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения дуги в узкой щели обеспечивается ее гашение за несколько миллисекунд. Давление в предохранителях преимущественно определяется парами наполнителя независимо от материала плавкого элемента, и его величина у стенок корпуса сравнительно невелика.

По времени срабатывания предохранители делятся на обычные для защиты эл. сетей и установок; быстродействующие для защиты силовых полупроводниковых приборов (СПП).

10.2 Быстродействующие предохранители

Используют для защиты силовых полупроводниковых приборов – СПП от токов К3. В отличие от предохранителей общепромышленного назначения к быстродействующим предъявляются более жесткие требования.

Для удобства согласования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие интеграла Джоуля , где t – длительность протекания тока i через прибор.

Для эффективной защиты необходимо, чтобы полный джоулев интеграл при отключении предохранителя W_пр должен быть меньше допустимого джоулева интеграла прибора W_приб.

У современных предохранителей W_пр>>W_{прибора}, поэтому верхнее значение

, где n – число параллельных ветвей в плече преобразователя.

К_з = 1,2 – 1,5 – коэффициент запаса.

Условие выполняется при n=3÷8.

Джоулев интеграл предохранителя состоит:

- преддуговой джоулев интеграл (интеграл плавления);

- и джоулева интеграла гашение эл. дуги.

С целью сокращения первой составляющей предохранитель должен работать с большим токоограничением – плавкая вставка выполняется из серебра, имеет перешейки с минимальным сечением и охлаждается кварцевым наполнителем.

С целью улучшения охлаждения при больших I_н вставка выполняется из ленты толщиной 0,05÷0,2 мм и имеет несколько параллельных ветвей.

Для уменьшения времени горения дуги плавкая вставка имеет несколько перешейков, число которых ограничивается перенапряжениями, которые возникают при отключении цепи.

Конструктивно БП представляет собой корпус из прочного фарфора, внутри которого расположены плавкие вставки из меди или серебра и кварцевый песок. Контакты укрепляются к корпусу винтами.

Предохранители могут иметь: сигнализирующее устройство, позволяющее контролировать состояние предохранителя; свободный контакт являющийся самостоятельным узлом, кинематически связанным с указателем срабатывания.

Номинальное напряжение Uн=220-1300 В.

Номинальные токи вставок Iн=16-2000 А.

Серии быстродействующих предохранителей: ПНБ5, ПБВ, ПБФ, ПП41, ПП51, ПП57, ПП61, ПП71, ПП60С, ПП60М, ПП63, ПП38, ПП50, ПП59.

В предохранителях ПП60М используется твердый наполнитель. Они предназначены для защиты полупроводниковых устройств железнодорожного транспорта.

В предохранителях ПП38 наполнитель пропитан жидким стеклом.

 

 

10.3 Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме.

ПР2. На Iн=15-60 А плавкая вставка из цинка прижимается к латунной обойме колпачком, который является контактом.

На токи Iн=60-1000 А вставка присоединяется к контактным ножам с помощью болтов. Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне из фибры, рис.73.

Типа ПН-2. На токи до 630 А. Корпус квадратного сечения из фарфора или стеатита. Ленточные плавкие вставки из трех параллельных ветвей привариваются к диску. Наполнитель – кварцевый песок. Для обеспечения токоограничения имеет несколько суженных участков.

а - разрез;

б - ампер- секундная характеристика;

1- фибровая трубка;

2- плавкая вставка;

3- латунная втулка;

4- болтовой контакт;

5- латунный колпачок;

6- медный контактный нож.

Рисунок 73. Предохранитель серии ПР.

Для снижения температуры плавления вставки на нее наносятся оловянные полоски.

В малогабаритных распредустройствах применяются резьбовые предохранители типа ПРС на токи до 100 А. Вставка располагается в фарфоровом цилиндре, заполненном кварцевом песком. На торцах цилиндра укреплены контактные колпачки. Предохранитель имеет указатель срабатывания.

Серии ПП-24 на токи 2 до 25 А. Неразборная вставка с указателем срабатывания. Вставка типа «диацед» с керамическим корпусом и серебряными плавками элементами, заполненная кварцевым песком, размещается в головке предохранителя. Предохранитель имеет контрольное устройство, препятствующее установки плавкой вставки на больший I_н.

Типа ППТ-10. Предохранитель плавкий трубчатый. Плавкая вставка
ВТФ - вставка трубчатая фарфоровая, заполненная кварцевым песком.

Типа НПН2-60. Предохранитель с наполнителем I_н=63 А. Плавкий элемент помещен в стеклянный корпус, заполненный кварцевым песком.

Резьбовые типа ПРС. ПВД – плавкая вставка диацед на I_н=1-100 А.

Соединение держателя плавкой вставки с основанием предохранителя производится с помощью резьбы Е21. Вставка имеет видимый контрольный глазок – указатель срабатывания, который в зависимости от величины Iн вставки имеет разный цвет. Наполнитель – кварцевый песок.

Серии ПП17. На токи I_н.вст=500, 630, 800, 1000 А.

Состоит из плавкого элемента, помещенного в керамический корпус, заполненный кварцевым песком, указателя срабатывания и свободного контакта.

При расплавлении вставки перегорает плавкий элемент указателя срабатывания, освобождая взведенный при сборке указателя боек, который переключает свободный контакт.

Серии ПН2. I_н.вст=31,5÷630 А. Плавкий элемент помещен в керамический корпус, заполненный кварцевым песком.

Серия ПП28. I_н.вст.=4÷50 А. Плавкая вставка состоит из керамического корпуса, колпачков (контактов), к которым привариваются плавкие элементы. Наполнитель –кварцевый песок.

 

10.4 Самовосстанавливающийся жидкостной предохранитель

Эскиз такого предохранителя приведен на рис. 72.

Рисунок 72. Самовосстанавливающий предохранитель.

В трубке из изоляционного материала 1 имеется узкий канал 2, заполненный жидким металлом: Na, К, сплавы натрий – калий.

По бокам трубки расположены электроды 3, 4, которые являются токоведущими выводами аппарата.

Поглотитель давления 5, ограничивает давление при срабатывании. В поглотителе может использоваться сильфон 6.

При определенном токе происходит испарение жидкого металла в канале 2 и быстрый подъем давления в предохранителе. Образующая дуга гаснет. Переход жидкого металла в парообразное состояние приводит к отключению цепи. Пары металла обладают высоким эл. сопротивлением и обеспечивают ограничение тока.

Через 2-4 мс в результате охлаждения пары металла конденсируются и эл. цепь восстанавливается. Если к этому моменту причина аварии не будет устранена, то произойдет повторное срабатывание предохранителя.

 

 

10.5 Выбор предохранителей.

Номинальный ток вставки выбирается по пусковому току нагрузки:

- для защиты АД с К3 ротором:

с нормальным пуском t_п<5с, I_вст=0,4 I_п;

при тяжком пуске t_п>10с, I_вст=(0.5÷0.6)I_п;

- для защиты АД с фазным ротором и двигателей постоянного тока I_вст≥(1÷2,5)I_н;

- для защиты линии, питающей несколько двигателей I_вст=0,4[I_p+(Iп-I_н.дв)],

где - расчетный номинальный ток линии;

I_п-I_н.дв – берется для двигателя, у которого она наибольшая

- для защиты цепей управления I_вст=2,5

Наряду с проверкой вставки по условиям пуска или кратковременной перегрузки необходимо проводить проверку по условиям К3.

При время перегорания не превышает 0,15÷0,20 с, и на это время мало сказывается разброс характеристик вставок. Это требование часто не удается соблюсти, так как кратность I_к/I_вст определятся мощностью трансформатора и сопротивлением токоподводящих проводов и кабелей.

Допускается применение предохранителей при кратности .

Для закрытых предохранителей с мелкозернистым наполнителем и медной вставкой селективность соблюдается при (отношение сечений вставок).