Устройство и работа предохранителей

Предохранитель-компонент электрических и радиоэлектронных устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети от аварийных электрических токов, возникающих при авариях и отказах, неправильного включения, ошибок монтажа. В большей части конструкций отключение цепи осуществляетсяпутём расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция производится вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили широкое их применение. Предохранители низкого напряжения изготовляются на токи от миллиампер до тысяч ампер и на напряжение до 660 В, а предохранители высокого напряжения – до 35 кВ и выше.

Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус или несущую деталь; плавкую вставку; контактное присоединительное устройство; дугогасительное устройство или дугогасительную среду.

В качестве плавких вставок используются цинковые пластинки с несколькими сужениями (перешейками). В нормальных условиях нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдаётся в окружающую среду. При этом, кроме вставки, нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений.

При прохождении большого тока короткого замыкания быстрее всего расплавляются перешейки, имеющие большое сопротивление. Создаётся несколько разрывов цепи и возникает электрическая дуга. Внутри патрона создаётся давление, пропорциональное квадрату тока в момент плавления вставки. Оно может повыситься до нескольких десятков атмосфер. Наличие нескольких разрывов, повышение давления и некоторые другие факторы позволяют резко уменьшить время с момента начала короткого замыкания до погасания дуги. Процесс гашения начинается ещё до того, как ток короткого замыкания достигнет установившегося или даже амплитудного значения. Таким образом, предохранитель может отключить повреждённую цепь с токоограничением. При этом облегчаются условия гашения дуги для самого предохранителя, так как отключается не установившийся ток короткого замыкания, а ток, определяемый временем расплавления вставки.

Хорошие результаты даёт применение плавкой вставки из медной проволоки с использованием металлургического эффекта. На тонкую проволоку диаметром менее 1 мм наносится шарик олова. При нагреве сначала плавится олово, имеющее температуру плавления 232 °С. В месте его контакта с проволокой начинается растворение меди и уменьшение сечения вставки. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока в месте расположения шарика проволока не расплавится. Возникающая дуга разрушает её по всей длине. Данная конструкция снижает среднюю температуру плавления вставки до 280 °С и главное – время срабатывания предохранителя.

После срабатывания предохранителя требуется замена сгоревшей плавкой вставки новой. Во избежание изменения уставки срабатывания плавкая вставка должна быть прокалибрована с указанием на клейме номинального тока вставки. Клеймо должно быть поставлено заводом изготовителем или электротехнической лабораторией. Применение вставок без клейма запрещается.

Патрон предназначен для размещения плавкой вставки и крепления предохранителя к панели. Предохранители, которые включаются в сеть с большим напряжением, имеют большую длину патрона и повышенную отключающую способность. В зависимости от величины номинального тока меняется диаметр патрона. В каждом габарите могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи. В некоторых типах предохранителей патрон заполняется кварцевым песком. При коротком замыкании дуга горит в канале, образованном песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность. Это позволяет при относительно небольшой длине патрона добиться эффективного гашения дуги.

Предохранители характеризуются номинальным напряжением, номинальным током, а также предельно отключаемым током предохранителя и номинальным током плавкой вставки. Номинальное напряжение предохранителя Uном.пр. соответствует наибольшему напряжению цепи, в которую допускается включать предохранитель.

Номинальный ток предохранителя (патрона, контактных стоек) Iном.пр. соответствует длительному току, на который он рассчитан. Так как в один и тот же патрон можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи, то Iном.пр. равняется наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя.

Предельно отключаемый ток предохранителя Iо.пр. – наибольший ток, при котором ещё обеспечивается гашение дуги без повреждения патрона предохранителя.

Номинальный ток плавкой вставки Iном.в. – наибольший ток, который неограниченное время не вызывает перегорание плавкой вставки.

Зависимость времени расплавления вставки от величины протекающего по ней тока называется защитной время-токовой характеристикой плавкой вставки. На рис. 1 по оси абсцисс отложены кратности расплавляющего тока по отношению к номинальному току плавкой вставки. Чем на большую величину ток превышает номинальное значение плавкой вставки, тем она быстрее перегорит.

 

 

Рис. 1. Время-токовая характеристика плавкой вставки

Ток расплавления плавкой вставки увеличивается с увеличением её сечения, но время-токовая характеристика сохраняет тот же вид (кривые 1-3 на рис. 2). Это может быть использовано для обеспечения селективности защиты. Если один и тот же ток I1 протекает через два предохранителя, то плавкая вставка меньшего сечения расплавится за время t1 (кривая 1), а второго – за время t2(кривая 2). Поэтому, если в сеть будут последовательно включены два или более предохранителя на разные номинальные токи, то раньше всех расплавится плавкая вставка предохранителя, находящегося ближе к месту повреждения.

 

 

Рис. 2. Время-токовые характеристики плавких вставок

 

Как видно из приведённой на рис. 1 характеристике, плавкие предохранители имеют большую зону разброса и вследствие этого невысокую точность во всём диапазоне токов. Это объясняется тем, что на величину плавящего тока и время расплавления влияет большое число факторов – материал, длина и сечение плавкой вставки, её состояние (старение, окисление, целостность), конструкция плавкой вставки и патрона (определяет условия охлаждения), температура окружающей среды и др.

Предохранители серии ПР-2. Эти предохранители изготовляются на напряжение 220 В (габарит 1) и напряжение 500 В (габарит 2), на номинальные токи патронов 15÷1000 А и плавких вставок 6÷1000 А. Отключающая способность в зависимости от габарита и номинального тока составляет 1,2÷20 кА.

Узел предохранителя состоит из двух контактных стоек и одного патрона, внутри которого размещены одна или две (в зависимости от значения тока) плавкие вставки. Плавкие вставки (рис. 3, в) изготовляются из листового цинка марок Ц0 или Ц1. Стойки представляют собой комплекты токопроводящих частей с врубными контактами и крепёжными деталями. Контактное нажатие создаётся в предохранителях на 15÷63 А за счёт пружинящих свойств материала скобы контактных стоек, в предохранителях на 100÷350 А – стальной кольцевой или пластинчатой пружиной, в предохранителях на 630÷1000 А – за счёт винта с пластмассовой рукояткой, установленного на контактной стойке.

 

 

Рис. 3. Предохранитель серии ПР-2: а – патрон на номинальные токи 15÷63 А; б – патрон на номинальные токи 100÷1000 А; в – формы плавких вставок

 

Патрон (рис. 3, а и б) представляет собой фибровую трубку 1, на которую с двух сторон навёрнуты латунные втулки 3, имеющие прорезь для плавкой вставки 2. На втулки навёрнуты латунные колпачки 4, являющиеся у предохранителей до 63 А контактными частями патрона. У предохранителей на 100÷1000 А контактными частями являются медные ножи 6. Для предотвращения поворота ножей предусмотрена подкладная шайба 5, имеющая паз для ножа.

Возникающая при перегорании вставки дуга вызывает сильную газогенерацию из стенок трубки 1, давление в трубке резко возрастает (до 10 МПа и более), что приводит к интенсивному гашению дуги.

Рис. 4. Предохранители серии ПД и ПДС Предохранители серии ПД и ПДС (рис. 4) рассчитаны для защиты цепей постоянного тока напряжением до 350 В и переменного тока частоты 50 Гц напряжением до 380 В. Предохранители серии ПДС изготовляются семи величин на токи 1÷630 А, серии ПДС – шести величин на токи 1÷350 А и имеют повышенную механическую прочность. Предохранители серии ПДС отличаются от предохранителей ПД тем, что корпус у них выполнен не из фарфора, а из стеалита. Предохранители ПД и ПДС состоят из контактной гильзы 9 с фарфоровым или стеалитовым основанием 12 и плавкой вставки. Плавкая вставка закрепляется головкой 2, которая навинчивается на контактную гильзу. В контактную гильзу завальцована контактная стойка 10 для внешних присоединений.

Другой внешний контакт 13 в предохранителях на токи до 63 А крепится к токопроводу путем расклепки или пайки, в предохранителях на большие токи он выполняется в виде болтового соединения. Контактная гильза изолируется от токоведущей шины гетинаксовой шайбой 11. Пружинное кольцо 7 предотвращает самоотвинчивание головки.

Вставка состоит из полого фарфорового цилиндра 5, на торцах которого укреплены контактные колпачки 4. Между колпачками расположены плавкие вставки 6 и контрольная проволочка, связанная с контрольным алюминиевым глазком 3. Цилиндр заполнен кварцевым песком 8. Контрольная проволочка перегорает вместе с плавкими вставками, и контрольный глазок выбрасывается расположенной под ним пружинкой. В застеклённое отверстие 1 виден контрольный глазок, по которому наблюдают за исправностью плавкой вставки. Гашение дуги осуществляется за счёт высокого давления и интенсивного охлаждения в узких каналах наполнителя. Отключающая способность этих предохранителей до 15 кА.

Предохранители серии ПН-2 (рис. 5) предназначены для защиты силовых цепей до 500 В переменного тока и 440 В постоянного тока, выполняются на номинальные токи 100, 250, 400 и 630 А, обладают токоограничивающим действием и высокой разрывной способностью. Корпус 1 представляет собой глазурованную квадратную снаружи, круглую внутри фарфоровую трубку с четырьмя резьбовыми отверстиями с каждого торца. В трубку введен узел с плавкой вставкой 2, приваренной электроконтактной точечной сваркой к шайбам врубных контактных выводов 3. Контактный узел с каждого торца трубки крепится к крышке 4 винтами. Крышка с асбестовыми прокладками 5 привинчивается к корпусу и герметически закрывает его.     Рис. 5. Предохранитель серии ПН-2

Внутренняя полость трубки наполняется чистым и сухим кварцевым песком 6, полностью охватывающим рабочую длину вставки. Применяется песок с содержанием кварца не менее
98 %, с диаметром зерен 0,2÷0,3 мм, обработанный двухпроцентным раствором соляной кислоты, промытый и прокаленный при температуре 120÷180 оС. Герметизация корпуса предохраняет песок от увлажнения.

Плавкая вставка выполняется из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15÷0,35 мм и шириной до 4 мм с просечками 7, уменьшающими на длине не менее 6 мм сечение вставки в два раза. Применение тонких параллельных ленточек позволяет снизить сечение плавкой вставки для данного номинального тока, а, следовательно, и количество паров металла в дуге. Последнее обстоятельство облегчает гашение дуги. Возникновение нескольких дуг в параллельных каналах позволяет участвовать в рассеянии энергии дуги большему объёму наполнителя, чем также облегчается гашение дуги.

Для снижения нагрева при малых перегрузках используется металлургический эффект. На каждую ленточку вставки напаивается оловянный шарик 8. Температура плавления металла ленточки в месте, где напаян оловянный шарик, достигает 475 °С. Превышение температуры деталей предохранителя находится в пределах нормы. Отключающая способность – 50 кА для предохранителя на 100 А и до 100 кА для предохранителей на 630 А. Предохранители серии ПН-2 находятся на уровне лучших современных конструкций.

Предохранители серии ПК и ПКТ выполняются с мелкозернистым наполнителем на напряжение 3, 6, 10 и 35 кВ и номинальные токи 400, 300, 200 и 40 А соответственно. Наибольшая разрывная способность 200 мВА для силовых предохранителей и 1000 мВА и более у предохранителей (серия ПКТ) на малые токи для защиты цепей измерительных трансформаторов напряжения. Такая высокая отключающая способность достигается токоограничивающим эффектом. Полное время отключения силовыми предохранителями тока короткого замыкания достигает 0,005÷0,007 с. Предохранители предназначены для внутренней и наружной установки.

Предохранитель серии ПК (рис. 6) состоит из контактных стоек 1, укреплённых через соответствующие изоляторы 2 на стальном основании 3, и патрона 4. Патрон состоит из изоляционного корпуса 8, армированного по концам латунными колпаками 13 и закрытого герметично с обеих сторон крышками 5. Внутри патрона размещаются плавкие вставки 7. Весь объём заполнен кварцевым песком 6. Перегорание предохранителя сигнализируется якорем 14, который после перегорания удерживающей его стальной указательной вставки 11 выталкивается пружиной 12.

 

 

Рис. 6. Предохранители серии ПК: а – общий вид; б – патрон плавкой вставкой на керамическом сердечнике; в – патрон со спиральной плавкой вставкой

 

На малые токи плавкая вставка выполняется в виде намотки из тонких проволок 9 на керамическом сердечнике 10. На большие токи плавкие вставки выполняются в виде отдельных спирально свитых проволок 9 (рис. 6). Проволоки медные, посеребрённые либо константановые. Такая форма вставок обусловлена стремлением разместить достаточно длинную вставку в патроне ограниченной длины.

Для снижения температуры предохранителя при небольших перегрузках на места скрутки плавких вставок напаяны оловянные шарики. Для ограничения перенапряжений при токах 7,5 А и ниже вставки имеют переменное сечение. Разное время перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при отключении.

Предохранители стреляющие серии ПСН-35 предназначены для наружной установки в сетях напряжением 35 кВ и выше. В корпусе патрона 1 (рис. 7) установлены трубки из винипласта 2 и 3, соединённые между собой стальным корпусом 4 с предохранительным клапаном 6. Гибкий проводник 7 с наконечником 8 находятся в натянутом положении за счёт пружины контактного ножа и удерживается в этом положении плавкой вставкой 5. При перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под действием пружины, вытягивает за собой гибкий проводник. Выбросу гибкого проводника способствуют газы, образующиеся при разложении винипластовой трубки электрической дугой. Дуга тянется за гибким проводником и гасится потоком газа, вытекающего из отверстия трубки. После отключения между ножом и концом трубки образуется воздушный промежуток, обеспечивающий нужный уровень изоляции отключенной цепи. Время горения дуги в таком предохранителе существенно зависит от отключаемого тока, возрастая от 0,04 с при больших отключаемых токах, которые для стреляющих предохранителей находятся на уровне 3÷5 кА, до 0,3 с при отключаемых токах в сотни ампер.

 

 

Рис. 7. Стреляющий предохранитель ПСН-35

 

Плавкая вставка состоит из нихромовой проволоки-держателя, воспринимающего механическую нагрузку откидывающегося ножа, и медных проволочек или пластинок, количество и сечение которых устанавливается в зависимости от номинального тока вставки.