Предохранители. Выбор, маркировка и расчет предохранителей электрического оборудования
Предохранители - это коммутационные электротехнические изделия, используемые для защиты электрической сети от сверхтоков и токов короткого замыкания. Принцип действия предохранителей основан на разрушении специально предназначенных для этого токоведущих частей (плавких вставок) внутри самого устройства при протекании по ним тока, величина которого превышает определенное значение.
Плавкие вставки являются основным элементом любого предохранителя. После перегорания (отключения тока) они подлежат замене. Внутри плавкой вставки располагается плавкий элемент (именно он и перегорает), а также дугогасительное устройство. Плавкая вставка чаще всего изготавливается из фарфорового или фибрового корпуса и крепится в специальные токопроводящие части предохранителя. Если предохранитель предназначен на малые токи, то плавкая вставка для него может не иметь корпуса, т. е. быть бескорпусной.
К основным характеристикам плавких ставок предохранителя можно отнести: номинальный ток, номинальное напряжение, отключающая способность.
Также к элементам предохранителя относятся:
Держатель плавкой вставки - съемный элемент, главное предназначение которого удерживать плавкую вставку;
Контакты плавкой вставки - часть предохранителя, которая обеспечивает электрическую связь между проводниками и контактами плавкой вставки;
Боек предохранителя - специальный элемент, задача которого при срабатывании предохранителя воздействовать на другие устройства и контакты самого предохранителя.
Все предохранители делятся на несколько десятков видов:
По конструкции плавких вставок предохранители бывают разборные и неразборные. У разборных предохранителей можно заменять плавкую вставку после ее перегорания, у неразборных предохранителей это сделать не получится;
Присутствию наполнителя. Бывают предохранители с наполнителем и без наполнителя;
Конструкции изготовления плавких вставок. Различают предохранители с ножевыми, болтовыми и фланцевыми контактами;
Корпусу плавкой вставки предохранители делятся на трубчатые и призматические. У первого вида предохранителей плавкая вставка имеет цилиндрическую форму, у второго вида - форму прямоугольного параллелепипеда;
Виду плавких вставок в зависимости от диапазона токов отключения. Есть предохранители с отключающей способностью в полном диапазоне токов отключения - g и с отключающей способностью в части диапазона токов отключения - а;
Быстродействию. Есть предохранители небыстродействующие (используются в большинстве случаев в трансформаторах, кабелях, электрических машинах) и быстродействующие (применяются в полупроводниковых приборах);
Конструкции основания предохранители могут быть с калибровочным основанием (в таких предохранителях не удастся установить плавкую вставку, предназначенную для работы с большим, чем сам предохранитель, номинальным током) и с некалиброванным основанием (в такие предохранители можно установить плавкую вставку, номинальный ток которой больше номинального тока самого предохранителя);
Напряжению предохранители делятся на низковольтные и высоковольтные;
Количеству полюсов. Бывают одно-, двух-, трехполюсные предохранители;
Наличию и отсутствию свободных контактов. Есть предохранители со свободными контактами и без них;
Присутствию бойка и указателя срабатывания предохранители бывают - без бойка и без указателя, с указателем без бойка, с бойком без указателя, с указателем и бойком;
Способу крепления проводников предохранители делятся на предохранители с передним присоединением, задним, универсальным (и задним, и передним);
Способу монтажа. Есть предохранители на собственном основании и без него.
Исторически сложилось так, что механическое исполнение корпусов предохранителей и их габаритные и присоединительные размеры различны в разных странах. Существуют четыре основных национальных стандарта на присоединительные размеры предохранителей: североамериканский, немецкий, британский и французский. Есть также ряд корпусов предохранителей, одинаковых для разных стран и не относящихся к национальным стандартам. Чаще всего такие корпуса относятся к стандартам фирмы-производителя, разработавшей конкретный тип прибора, который оказался удачным и закрепился на рынке. В последние десятилетия, в рамках процессов глобализации экономики, производители постепенно присоединяются к международной системе стандартов корпусов предохранителей для упрощения условий взаимозаменяемости приборов. При выборе следует стараться использовать предохранители международных стандартов: IEC 60127, IEC 60269, IEC 60282, IEC 60470, IEC60549, IEC 60644.
Необходимо отметить, что по виду плавких вставок в зависимости от диапазона токов отключения и быстродействия предохранители разделены на классы использования. При этом первая буква указывает функциональный класс, а вторая - подлежащий защите объект:
1-я буква:
a - защита с отключающей способностью в части диапазона (accompanied fuses): плавкие вставки предохранителей способные как минимум длительно пропускать токи, не превышающие указанного для них расчетного тока, и отключать токи определенной кратности относительно расчетного тока вплоть до расчетной отключающей способности;
g - защита с отключающей способностью во всем диапазоне (general purpose fuses): плавкие вставки предохранителей, способные как минимум длительно пропускать токи, не превышающие указанного для них расчетного тока, и отключать токи от минимального тока выплавления и до расчетной отключающей способности.
2-я буква:
G - защита кабелей и проводов;
M - защита коммутационных аппаратов/двигателей;
R - защита полупроводников/тиристоров;
L - защита кабелей и проводов (в соответствии со старой, уже не действующей нормой DIN VDE);
Tr - защита трансформаторов.
Общий вид времятоковых характеристик плавких предохранителей основных категорий использования приведен на рисунке 2.1.
Плавкие вставки со следующими классами использования обеспечивают:
gG (DIN VDE/МЭК) - защита кабелей и проводов во всем диапазоне;
aM (DIN VDE/МЭК) - защита коммутационных аппаратов в части диапазона;
aR (DIN VDE/МЭК) - защита полупроводников в части диапазона;
gR (DIN VDE/МЭК) - защита полупроводников во всем диапазоне;
gS (DIN VDE/МЭК) - защита полупроводников, а также кабелей и линий во всем диапазоне.
Предохранители с отключающей способностью во всем диапазоне (gG, gR, gS) надежно отключают как при токах КЗ, так и при перегрузках.
Рис. 2.1.
Предохранители с отключающей способностью в части диапазона (aM, aR) служат исключительно для защиты от короткого замыкания.
Для защиты установок на напряжение до 1000 В используют электрические, трубчатые и открытые (пластинчатые) предохранители.
Электрический предохранитель состоит из фарфорового корпуса и пробки с плавкой вставкой. Питающую линию присоединяют к контакту предохранителя, отходящую - к винтовой резьбе. При коротком замыкании или перегрузке плавкая вставка перегорает, и ток в цепи прекращается. Применяют следующие типы электрических предохранителей: Ц-14 на ток до 10 А и напряжение 250 В с прямоугольным основанием; Ц-27 на ток до 20 А и напряжением 500 В с прямоугольным или квадратным основанием и Ц-33 на ток до 60 А и напряжение 500 В с прямоугольным или квадратным основанием.
Например, электрические предохранители резьбовые, серии ПРС, предназначены для защиты от перегрузок и коротких замыканий электрооборудования и сетей. Номинальное напряжение предо
хранителей - 380 В переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Конструктивно предохранители ПРС (рис. 2.2) состоят из корпуса, плавкой вставки ПВД, головки, основания, крышки, центрального контакта.
Предохранители ПРС выпускаются на номинальные токи плавкой вставки от 6 до 100 А. В обозначении предохранителя указывается, какого он присоединения: ПРС-6-П - предохранитель на 6 А, переднего присоединения проводов; ПРС-6-З - предохранитель на 6А, заднего присоединения проводов.
Предохранители цилиндрические ПЦУ-6 и ПЦУ-20 с резьбовым цоколем Ц-27 и плавкими вставками на токи 1, 2, 4, 6, 10, 15, 20 ампер выпускаются в пластмассовом корпусе. Предохранители ПД имеют основание из фарфора, а у предохранителей ПДС материал основания - стеатит. В бытовых условиях применяют автоматические пробочные предохранители, где защищаемая цепь восстанавливается кнопкой.
Трубчатые предохранители выпускают следующих типов: ПР-2, НПН и ПН-2. Предохранитель ПР-2 (предохранитель разборный) предназначен для установки в сетях напряжением до 500 В и на токи 15, 60, 100, 200, 400, 600 и 1000 А.
В патроне предохранителя ПР-2 (рис. 2.3) плавкая вставка 5, прикрепляемая винтами 6 к контактным ножам 1, помещена в фибровую трубку 4, на которую насажены втулки 3 с резьбой. На них навинчены латунные колпачки 2, закрепляющие контактные ножи, которые входят в неподвижные пружинящие контакты, устанавливаемые на изоляционной плите.
Рис. 2.2.
Рис. 2.3.
Под действием электрической дуги, возникающей при перегорании предохранителя, внутренняя поверхность фибровой трубки разлагается, и образуются газы, способствующие быстрому гашению дуги.
К закрытым предохранителям с мелкозернистным наполнителем относятся предохранители типа НПН, НПР, ПН2, ПН-Р, КП. У предохранителей типа НПН (наполненный предохранитель неразборный) трубка стеклянная. У остальных трубки фарфоровые. Предохранители типа НПН имеют цилиндрическую форму, ПН - прямоугольную.
Комплект предохранителя НПН состоит из: плавкой вставки - 1 шт; контакт-основания - 2 шт.
Предохранители НПН изготовляют на напряжение до 500 В и токи от 15 до 60 А, предохранители ПН2 (предохранитель насыпной разборный) - на напряжение до 500 В и токи от 10 до 600 А. В насыпных предохранителях плавкие вставки, выполненные из нескольких параллельных медных или посеребренных проволок, помещены в закрытый фарфоровый патрон, заполненный кварцевым песком. Кварцевый песок способствует интенсивному охлаждению и деионизации газов, появляющихся при горении дуги. Так как трубки закрыты, то брызги расплавленного металла плавких вставок и ионизированные газы не выбрасываются наружу. Это уменьшает пожарную опасность и повышает безопасность обслуживания предохранителей. Предохранители с наполнителем так же, как и предохранители типа ПР, - токоограничивающие.
Пластинчатые открытые предохранители состоят из медных или латунных пластин - наконечников, в которые впаяны медные калиброванные проволоки. Наконечники с помощью болтов присоединяют к контактам на изоляторах.
Предохранители типа НПР - патрон закрытый разборный (фарфоровый) с наполнителем из кварцевого песка на номинальные токи до 400 А.
Предохранители ПД (ПДС) - 1, 2, 3, 4, 5 - с наполнителем для установки непосредственно на токоведущие шины на токи от 10 до 600 А.
Для защиты силовых вентилей полупроводниковых преобразователей средней и большой мощности при внешних и внутренних коротких замыканиях широко применяются быстродействующие плавкие предохранители, которые являются самыми дешевыми средствами защиты. Они состоят из контактных ножей и плавкой вставки из серебряной фольги, помещенных в закрытый фарфоровый патрон.
Плавкая вставка таких предохранителей имеет узкие калиброванные перешейки, которые снабжены радиаторами из хорошо проводящего тепло керамического материала, посредством которых тепло отводится к корпусу предохранителя. Эти радиаторы служат также дугогасительными камерами с узкой щелью, что значительно улучшает гашение дуги, возникающей в области перешейка. Параллельно плавкой вставке установлен сигнальный патрон, блинкер которого сигнализирует о расплавлении плавкой вставки и, воздействуя на микровыключатель, замыкает сигнальные контакты.
Длительное время промышленностью выпускались два типа быстродействующих плавких предохранителей, предназначенных для защиты от токов короткого замыкания преобразователей с силовыми полупроводниковыми вентилями:
1) предохранители типа ПНБ-5 (рис. 2.4, а) для работы в цепях с номинальным напряжением до 660 В постоянного и переменного тока на номинальные токи 40, 63, 100, 160, 250, 315, 400, 500 и 630 А;
2) предохранители типа ПБВ для работы в цепях переменного тока с частотой 50 Гц номинальным напряжением 380 В на номинальные токи от 63 до 630 А.
Рис. 2.4.
В настоящее время промышленностью выпускаются предохранители типа ПНБ-7 (рис. 2.4, б) на номинальный ток 1000 А и на номинальные напряжения электрической цепи 690 В переменного тока. Плавкие элементы предохранителя ПНБ-7 выполнены из чистого серебра (быстродействие и долговечность). Контакты (выводы) предохранителя созданы из электротехнической меди с гальваническим покрытием (высокая токопроводность и долговечность).
Корпус предохранителя сделан из высокопрочного ультрафарфора. Конструкция предохранителя позволяет применять дополнительные устройства - указатель срабатывания, свободный контакт.
Структура условного обозначения предохранителей ПНБ7- 400/100-Х1-Х2:
ПНБ-7 - обозначение серии;
400 - номинальное напряжение, В;
100 - номинальный ток;
Х1 - условное обозначение вида монтажа и вида присоединения проводников к выводам: 2 - на собственном изоляционном основании с контактами основания; 5 - на основаниях комплектных устройств с контактами основания; 8 - без основания, без контактов (плавкая вставка);
Х2 - условное обозначение наличия указателя срабатывания: 0 - без сигнализации; 1 - с бойком и свободным контактом; 2 - с указателем срабатывания; 3 - с бойком.
Плавкие предохранители промышленного назначения серии ПП предназначены для защиты электрооборудования промышленных установок и электрических цепей от перегрузок и коротких замыканий.
Выпускаются предохранители данной серии следующих основных типов: ПП17, ПП32, ПП57, ПП60С. Предохранители изготавливают с указателем срабатывания, с указателем срабатывания и свободным контактом или без сигнализации. В зависимости от типа предохранители рассчитаны на напряжение до 690 В и на номинальные токи от 20 А до 1000 А. Конструктивные особенности позволяют устанавливать свободные контакты замыкающие или размыкающие, а также способ монтажа - на собственном основании, на основании комплектных устройств, на проводниках комплектных устройств.
Структура обозначения предохранителей типа ПП17 и ПП32 - Х1Х2 - Х3 - Х4 - ХХХХ:
1) Х1Х2 - условное обозначение габарита (номинальный ток, А): 31 -100А; 35 - 250А; 37 - 400А; 39 - 630А.
2) Х3 - условное обозначение вида монтажа и вида присоединения: 2 - на собственном основании, 5 - на основании комплектных устройств, 7 - на проводниках комплектных устройств (болтовое присоединение), 8 - без основания (плавкая вставка), 9 - без основания (плавкая вставка в части размеров унифицирована с предохранителями ПН2-100 и ПН2-250).
3) Х4 - условное обозначение наличия указателя срабатывания, бойка, свободного контакта: 0 - без сигнализации, 1 - с бойком и свободным контактом, 2 - с указателем срабатывания, 3 - с бойком.
4) ХХХХ - климатическое исполнение: УХЛ, Т и категория размещения 2, 3.
В настоящее время полупроводниковые преобразователи оснащаются предохранителями серии ПП57 (рис. 2.5, а) и ПП60С (рис. 2.5, б).
Рис. 2.5.
Первые предназначены для защиты преобразовательных агрегатов при внутренних коротких замыканиях переменного и постоянного тока при напряжениях 220 - 2000 В на токи 100, 250, 400, 630 и 800 А. Вторые - при внутренних коротких замыканиях переменного тока при напряжениях 690 В на токи 400, 630, 800 и 1000 А.
Структура обозначения предохранителей типа ПП57 - ABCD - EF:
Буквы ПП - предохранитель плавкий;
Двузначное число 57 - условный номер серии;
А - двузначное число - условное обозначение номинального тока предохранителя;
В - цифра - условное обозначение номинального напряжения предохранителя;
С - цифра - условное обозначение по способу монтажа и виду присоединения проводников к выводам предохранителя (например, 7 - на проводниках преобразовательного устройства - болтовое с уголковыми выводами);
D - цифра - условное обозначение наличия указателя срабатывания и контакта вспомогательной цепи:
0 - без указателя срабатывания, без контакта вспомогательной
1 - с указателем срабатывания, с контактом вспомогательной
2 - с указателем срабатывания, без контакта вспомогательной цепи;
Е - буква - условное обозначение климатического исполнения;
Пример условного обозначения предохранителя: ПП57-37971-УЗ.
Предохранители плавкие ППН предназначаются для защиты кабельных линий и промышленных электроустановок от токов перегрузки и короткого замыкания. Предохранители применяются в электрических сетях переменного тока частотой 50 Гц с напряжением до 660 В и устанавливаются в низковольтные комплектные устройства, например, в распределительные панели ЩО-70, вводно-распределительные устройства ВРУ1, шкафы распределительные силовые ШРС1 и т. п.
Преимущества предохранителей ППН:
1) корпус предохранителя и основание держателя изготовлены из керамики;
2) контакты предохранителя и держателя изготовлены из электротехнической меди;
3) корпус предохранителей засыпан мелкодисперсным кварцевым песком;
4) габаритные размеры предохранителей на ~15 % меньше предохранителей ПН-2;
5) потери мощности на ~40 % меньше, чем у предохранителей ПН-2;
6) наличие индикатора срабатывания;
7) предохранители монтируются и демонтируются с помощью универсального съемника.
Особенности конструкции предохранителей серии ППН приведены на рис. 2.6 .
Предохранители плавкие серии ППНИ (рис. 2.7) общего применения предназначены для защиты промышленных электроустановок и кабельных линий от перегрузки и короткого замыкания и выпускаются на номинальные токи от 2 до 630 А.
Используются в однофазных и трехфазных сетях напряжением до 660 В частоты 50 Гц. Области применения предохранителей ППНИ: вводно-распределительные устройства (ВРУ); шкафы и пункты распределительные (ШРС, ШР, ПР); оборудование трансформаторных подстанций (КСО, ЩО); шкафы низкого напряжения (ШР-НН); шкафы и ящики управления.
Рис. 2.6.
Вследствие использования качественных современных материалов и новой конструкции, в предохранителях ППНИ снижены потери мощности по сравнению с предохранителями ПН-2. Данные, представленные в таблице 2.1, показывают экономичность предохранителей ППНИ по сравнению с ПН-2.
Рис. 2.7.
Контакты предохранителя и держателя выполнены из электротехнической меди с гальваническим покрытием сплавом олово-висмут, что предотвращает их окисление в процессе эксплуатации.
Основание держателя (изолятор) выполнено из армированной термореактивной пластмассы, стойкой к коррозии, механическим воздействиям, перепадам температуры и динамическим ударам, которые возникают при коротких замыканиях вплоть до 120 кА.
Контакты плавкой вставки выполнены в форме ножа (заострены), что позволяет их устанавливать в держатели с меньшими усилиями.
Все габариты плавких вставок ППНИ удобно устанавливать или демонтировать универсальной рукояткой съема РС-1, изоляция которой выдерживает напряжение до 1000 В.
Для быстрого и эффективного дугогашения корпус плавкой вставки наполнен кварцевым песком высокой химической очистки.
Плавкий элемент выполнен из фосфористой бронзы (сплав меди с цинком с добавлением фосфора) и надежно соединен точечной сваркой с выводами предохранителя.
В конструкции плавкой вставки есть специальный индикатор, выполненный в виде выдвижного штока, который позволяет визуально определять сработавшие предохранители.
Предохранители ППНИ с отключающей способностью во всем диапазоне «gG» надежно срабатывают как при токах короткого замыкания, так и при перегрузках.
Конструкция, технические параметры, габаритные и установочные размеры плавких вставок и держателей ППНИ соответствуют современным стандартам МЭК и ГОСТ, а, следовательно, этими предохранителями можно заменять другие отечественные и импортные предохранители.
Выбор плавких вставок предохранителей
Предохранители устанавливаются на всех ответвлениях, если сечение провода на ответвлении меньше сечения провода в магистрали, на вводах и в головных участках сети в вводнораспределительных устройствах, шкафах распределительных силовых и силовых ящиках комплектно с рубильниками или на отдельных панелях. Для избирательности действия необходимо, чтобы каждый следующий предохранитель по направлению к источнику тока имел
номинальный ток плавкой вставки хотя бы на одну ступень больше, чем предыдущий.
Для расчета защиты сетей и оборудования, выполненной с помощью плавких предохранителей, необходимы следующие данные:
Номинальное напряжение предохранителя;
Максимальный ток короткого замыкания, отключаемый предохранителем;
Номинальный ток предохранителя;
Номинальный ток плавкой вставки предохранителя;
Защитная характеристика предохранителя.
Номинальным напряжением предохранителя (Uном,пр) называется
указанное на нем напряжение, для продолжительной работы при котором он предназначен. Действительное напряжение сети (Uс) не должно превышать номинального напряжения предохранителя больше чем на 10 %:
Uс ≤ 1,1 Uном,пр (2.1)
Номинальным током предохранителя (Iном,пр) называется указанный на нем ток, равный наибольшему из номинальных токов плавких вставок (Imax ном,ПВ), предназначенных для данного предохранителя. Это максимальный длительный ток, пропускаемый предохранителем по условию нагрева его деталей, кроме вставок.
Iном,пр = Imax ном,ПВ (2.2)
Максимальным отключаемым током (разрывной способностью) предохранителя (Imах,пр) называется наибольшее значение (эффективное) периодической составляющей тока, отключаемого предохранителем без разрушения и опасного выброса пламени или продуктов горения электрической дуги. Эта величина предохранителей для каждого типа может изменяться в зависимости от напряжения, номинального тока предохранителя, величины соsф в отключаемой цепи и прочих условий.
Номинальным током плавкой вставки предохранителя (Iном,ПВ) называется указанный на ней ток, для продолжительной работы при котором она предназначена. Практически это максимальный длительный ток, пропускаемый вставкой (Imax,ПB), по условию допустимого нагрева самой вставки.
Iном,ПВ = Imax,ПВ (2.3)
Обычно, кроме номинального тока вставки, указывают еще два значения так называемых испытательных токов, по которым калибруются вставки. Нижнее значение испытательного тока плавкая вставка должна выдерживать определенное время, обычно 1 ч, не расплавляясь; при верхнем значении испытательного тока вставка должна перегорать за время не больше определенного, обычно также 1 ч.
Основными данными для определения времени cгoрания вставки, а, следовательно, и селективности последовательно включенных предохранителей являются их защитные характеристики.
Защитной характеристикой предохранителя называется зависимость полного времени отключения (суммы времени плавления вставки и времени горения дуги) от величины отключаемого тока.
Защитные характеристики обычно даются в виде графика, в прямоугольных координатах. По вертикальной оси координат откладывается время, а по горизонтальной оси - кратность тока, отключаемого предохранителем, к номинальному току вставки, или отключаемый ток.
Избирательность (селективность) защиты плавкими предохранителями обеспечивается подбором плавких вставок таким образом, чтобы при возникновении короткого замыкания, например, на ответвлении к электроприемнику, срабатывал ближайший плавкий предохранитель, защищающий этот электроприемник, но не срабатывал предохранитель, защищающий головной участок сети.
Выбор плавких вставок предохранителей по условию селективности следует производить, пользуясь типовыми защитными характеристиками предохранителей, с учетом возможного разброса реальных характеристик по данным завода-изготовителя.
Типичная времятоковая характеристика современного предохранителя двойного действия приведена на рисунке 2.8.
При номинальном токе 200 А предохранитель должен работать неограниченное время. По характеристике видно, что при уменьшении тока время срабатывания в области малых токов быстро растет и кривая зависимости в идеале должна асимптотически стремиться к прямой I = 200 А, для времени t = + ∞. В области рабочих перегрузок, то есть в случае, когда ток через предохранитель находится в пределах (1-5)⋅Iном, время срабатывания предохранителя достаточно велико - превышает единицы секунд (при токе 1000А время срабатывания равно 10с).
Такой вид зависимости позволяет защищаемому оборудованию свободно работать во всем диапазоне рабочих перегрузочных характеристик. При дальнейшем увеличении тока, крутизна времятоковой характеристики (рис. 2.8) быстро возрастает, и уже при одиннадцатикратной перегрузке время срабатывания составляет всего 10 мс. Дальнейший рост тока перегрузки сокращает время срабатывания еще в большей степени, хотя и не так быстро, как на участке между пяти- и десятикратной перегрузки. Это объясняется конечной скоростью гашения дуги из-за конечной теплоемкости материала наполнителя, конечной теплоты плавления материала плавкой перемычки и определенной массы плавящегося и испаряющегося металла перемычки. При дальнейшем увеличении тока (более чем 15-20-кратно относительно номинального) время срабатывания плавкого элемента может составлять 0,02-0,5 мс в зависимости от типа и конструкции предохранителя.
Рис. 2.8.
При номинальном токе 200 А предохранитель должен работать неограниченное время. По характеристике видно, что при уменьшении тока, время срабатывания в области малых токов быстро растет, и кривая зависимости в идеале должна асимптотически стремиться к прямой I = 200 А, для времени t = + ∞. В области рабочих перегрузок, т. е. в случае, когда ток через предохранитель находится в пределах (1-5)⋅Iном, время срабатывания предохранителя достаточно велико - превышает единицы секунд (при токе 1000 А время срабатывания равно 10 с).
Такой вид зависимости позволяет защищаемому оборудованию свободно работать во всем диапазоне рабочих перегрузочных характеристик. При дальнейшем увеличении тока, крутизна времятоковой характеристики (рис. 2.8) быстро возрастает, и уже при одиннадцатикратной перегрузке время срабатывания составляет всего 10 мс. Дальнейший рост тока перегрузки сокращает время срабатывания еще в большей степени, хотя и не так быстро, как на участке между пяти- и десятикратной перегрузке. Это объясняется конечной скоростью гашения дуги из-за конечной теплоемкости материала наполнителя, конечной теплоты плавления материала плавкой перемычки и определенной массы плавящегося и испаряющегося металла перемычки. При дальнейшем увеличении тока (более чем 15-20-кратно относительно номинального) время срабатывания плавкого элемента может составлять 0,02-0,5 мс в зависимости от типа и конструкции предохранителя.
Фирма Siemens выпускает широкую номенклатуру плавких предохранителей (комбинаций gG, gM, aM, gR, aR, gTr, gF, gFF), шести типоразмеров - 000(00С), 00, 1, 2, 3, 4а (обозначения согласно IEC) на номинальные токи от 2 до 1600 А и напряжения (~ 400В, 500В и 690В; - 250В, 440В) с наиболее часто применяемыми на практике контактами ножевого типа (NH), преимущественно вертикального положения установки.
Предохранители типа NH обладают высокой отключающей способностью и стабильностью характеристик. Применение предохранителей типа NH позволяет обеспечивать селективность защиты при КЗ.
Плавкие предохранители ножевого типа NH (аналог ППН), предназначены для установки в контактодержатели PBS, PBD, в ПВР серии АРС и RBK, а также в выключатели нагрузки типа RAB. Возможно применение данных предохранителей в защитных аппаратах, рассчитанных на применение отечественных вставок типа ППН.
Предохранители типа NH представляют собой предохранитель с гашением дуги в закрытом объеме. Плавкая вставка штампуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии металлом. Форма плавкой вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. Вставка располагается в герметичном изоляционном керамическом корпусе. Наполнитель - кварцевый песок с содержанием SiO не менее 98 %, с зернами (0,2-0,4)⋅10 -3 м и влажностью не выше 3 %.
При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, после чего возникшая дуга гасится благодаря эффекту токоограничения, возникшему при перегорании суженных участков плавкой вставки. Среднее время гашения дуги составляет 0,004 с.
Времятоковые характеристики предохранителей типа NH для класса использования gG приведены на рисунке 2.9.
2 10 100 1 000 10 000 100 000
Ожидаемый ток КЗ IP, А
Рис. 2.9.
Предохранители типа NH работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстоянии друг от друга.
Еще одной важной характеристикой предохранителя, как защитного устройства, является так называемый защитный показатель, в зарубежных источниках именуемый I 2 ⋅t. Для защищаемой электрической цепи защитный показатель - это количество тепла, выделяемого в цепи с момента возникновения аварийной ситуации до момента полного отключения цепи защитным устройством. Величина защитного показателя конкретного устройства, по сути, определяет предел его устойчивости к тепловому разрушению в аварийных режимах. При вычислении величины защитного показателя используется эффективное значение тока в цепи.
Например, эффективное значение тока, протекающего через предохранитель, можно рассчитать для часто используемых схем выпрямителей переменного тока, исходя из (сглаженного) постоянного тока Id либо из фазного тока IL, значения которых приведены таблице 2.2.
При коротком замыкании ток предохранительной вставки (рис. 2.10) возрастает в течение времени плавления tS до тока короткого замыкания IC (пика тока плавления).
Схема выпрямителя переменного тока | Эффективное значение фазного тока (фазный предохранитель) | Эффективное значение тока ответвления (предохранитель в ответвлении) |
Однопульсная со средней точкой | ||
Двухпульсная со средней точкой | ||
Трехпульсная со средней точкой | ||
Шестипульсная со средней точкой | ||
Двойная трехфазная однополупериодная | ||
со средней точкой (параллельная) | ||
Двухпульсная мостовая схема | ||
Шестипульсная мостовая схема | ||
Однофазная двунаправленная схема |
В течение времени гашения дуги tL образуется электрическая дуга и ток короткого замыкания гасится (рис. 2.10).
Интеграл квадратичного значения тока (∫l 2 dt) no всему времени срабатывания (tS + tL), кратко называемый полным джоулевым интегралом, определяет тепло, которое подводится к подлежащему защите полупроводниковому элементу во время процесса размыкания.
Чтобы достичь достаточного защитного эффекта, полный джоулев интеграл предохранительной вставки должен быть меньше чем величина I 2 ⋅t (интеграл предельной нагрузки) полупроводникового элемента. Так как полный джоулев интеграл предохранительной вставки с возрастающей температурой, а, следовательно, и с возрастающей предварительной нагрузкой, практически убывает так же, как и величина I 2 ⋅t полупроводникового элемента, то достаточно сравнить между собой величины I 2 ⋅t в ненагруженном (холодном) состоянии.
Рис. 2.10.
Полный джоулев интеграл (I 2 ⋅tA) представляет собой сумму интеграла плавления (I 2 ⋅tS) и интеграла дуги (I 2 ⋅tL). В общем случае, величина полного джоулевого интеграла полупроводникового прибора должна быть больше или равной величине защитного показателя предохранителя:
((∫I 2 t) (полупроводник, t = 25 °С, tP = 10 мс) ≥ ((∫I 2 ⋅tA) (предохранительная вставка).
Интеграл плавления I 2 ⋅tS может быть рассчитан для любых значений времени, исходя из пар значений времятоковой характеристики предохранительной вставки.
При уменьшении времени плавления интеграл плавления стремится к нижнему предельному значению, при котором во время процесса плавления из перемычек плавящегося проводника в окружающее пространство тепло практически не отводится. Указанные в данных для выбора и заказа и в характеристиках интегралы плавления соответствуют времени плавления tS = 1 мс.
В то время как интеграл плавления I 2 ⋅tS является свойством предохранительной вставки, интеграл дуги I 2 ⋅tL зависит от характеристик электрической цепи, а именно:
От восстанавливающегося напряжения UW;
От коэффициента мощности cosф короткозамкнутой цепи;
От ожидаемого тока IP// (ток в месте установки предохранительной вставки, если она закорочена).
Максимум интеграла дуги достигается для каждого типа предохранителей при токе от 10⋅IР до 30⋅IР.
При защите сетей предохранителями типов ПН, НПН и НПР с заданными защитными характеристиками селективность действия защиты будет выполняться, если между номинальным током плавкой вставки, защищающей головной участок сети (Iном Г, ПВ), и номинальным током плавкой вставки на ответвлении к потребителю (Iном О, ПВ) выдерживаются определенные соотношения.
Например, при небольших токах перегрузки плавкой вставки (около 180-250 %) селективность будет выдерживаться, если Iном Г, ПВ > Iном О, ПВ хотя бы на одну ступень стандартной шкалы номинальных токов плавких вставок.
При коротком замыкании селективность защиты предохранителями типа НПН будет обеспечиваться, если будут выдерживаться следующие соотношения:
I(3)КЗ / Iном О, ПВ ≤ …50; 100; 200;
Iном Г, ПВ / Iном О, ПВ …2,0; 2,5; 3,3,
где I(3)КЗ - трехфазный ток короткого замыкания ответвления, А.
Соотношения между номинальными токами плавких вставок Iном Г, ПВ и Iном О, ПВ для предохранителей типа ПН2, обеспечивающие надежную селективность, приведены в таблице 2.3.
Если защитные характеристики плавких вставок неизвестны, рекомендуется метод проверки селективности по отношению сечений вставок с поправкой на материал вставки и конструкцию предохранителя. При этом определяются сечения плавких вставок последовательно включенных предохранителей (SK и SH); вычисляется отношение SП/SK и сравнивается с величиной SП/SK = а, обеспечивающей селективность.
SK - сечение вставки предохранителя, установленного ближе к месту короткого замыкания; SП - сечение вставки предохранителя, установленного ближе к источнику питания.
Величина а определяется по таблице 2.4, если вычисленное значение Sn/SK ≥ а, то селективность обеспечивается.
Основным условием, определяющим выбор плавких предохранителей для защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, является отстройка от пускового тока.
Номинальный ток меньшей плавкой вставки Iном О, ПВ А | Номинальный ток большей плавкой вставки Iном Г, ПВ, А, при отношении I(3)КЗ / Iном О, ПВ |
|||
100 и более |
||||
Примечание. 1(3)КЗ - ток короткого замыкания в начале защищаемого участка сети.
Отстройка плавких вставок от пусковых токов выполняется по времени: пуск электродвигателя должен полностью закончиться раньше, чем вставка расплавится под действием пускового тока.
Опытом эксплуатации установлено правило: для надежной работы вставок пусковой ток не должен превышать половины тока, который может расплавить вставку за время пуска.
Все электродвигатели разбиты на две группы по времени и частоте пуска. Двигателями с легким пуском считаются двигатели вентиляторов, насосов, металлорежущих станков и т. п., пуск которых заканчивается за 3-5 с, пускаются эти двигатели редко, менее 15 раз за 1 ч.
К двигателям с тяжелым пуском относятся двигатели подъемных кранов, центрифуг, шаровых мельниц, пуск которых продолжается более 10 с, а также двигатели, которые пускаются очень часто - более 15 раз за 1 ч. К этой категории относят и двигатели с более легкими условиями пуска, но особо ответственные, для которых совершенно недопустимо ложное перегорание вставки при пуске.
Металл плавкой вставки | Металл плавкой вставки предохранителя, |
|||
предохранителя, расположенного | расположенного ближе к месту к. з. |
|||
ближе к источнику питания | ||||
Предохранитель с наполнителем |
||||
Предохранитель без наполнителя |
||||
Выбор номинального тока плавкой вставки для отстройки от пускового тока производится по выражению:
Iном,ПВ ≥ I пус,ДВ / К, (2.4)
где Iпус, ДВ - пусковой ток двигателя, определяемый по паспорту, каталогам или непосредственным измерением; К - коэффициент, определяемый условиями пуска и равный для двигателей с легким пуском 2,5, а для двигателей с тяжелым пуском 1,6-2.
Поскольку вставка при пуске двигателя нагревается и окисляется, уменьшается сечение вставки, ухудшается состояние контактов, она может ложно перегореть при нормальной работе двигателя. Вставка, выбранная в соответствии с (2.4), может сгореть также при
затянувшемся по сравнению с расчетным временем пуске или само- запуске двигателя.
Поэтому во всех случаях целесообразно измерить напряжение на вводах двигателя в момент пуска и определить время пуска.
Для предотвращения сгорания вставок при пуске, что может повлечь за собой работу двигателя на двух фазах и его повреждение, целесообразно во всех случаях, когда это допустимо по чувствительности к токам КЗ, выбирать вставки более грубые, чем по условию (2.1).
Каждый двигатель должен защищаться своим отдельным аппаратом защиты. Общий аппарат допускается для защиты нескольких маломощных двигателей только в том случае, если будет обеспечена термическая устойчивость пусковых аппаратов и аппаратов защиты от перегрузки, установленных в цепи каждого двигателя.
Выбор предохранителей для защиты магистралей, питающих несколько асинхронных электродвигателей
Защита магистралей, питающих несколько двигателей, должна обеспечивать и пуск двигателя с наибольшим пусковым током и самозапуск двигателей, если он допустим по условиям техники безопасности, технологического процесса и т. п.
При расчете защиты необходимо точно определить, какие двигатели отключаются при понижении или полном исчезновении напряжения, какие остаются включенными, какие повторно включаются при появлении напряжения.
Для уменьшения нарушений технологического процесса применяют специальные схемы включения удерживающего электромагнита пускателя, обеспечивающего немедленное включение в сеть двигателя при восстановлении напряжения. Поэтому в общем случае номинальный ток плавкой вставки, через которую питается несколько самозапускающихся двигателей, выбирается по выражению:
Iном, ПВ ≥ ∑Iпус, ДВ / К, (2.5)
где ∑Iпус, ДВ - сумма пусковых токов самозапускающихся электродвигателей.
Выбор предохранителей для защиты магистралей при отсутствии самозапускающихся электродвигателей
В этом случае плавкие вставки предохранителей выбираются по следующему соотношению:
Iном, ПВ ≥ Imax, ТЛ / К, (2.6)
где Imax, ТЛ = Iпус, ДВ + Iдлит, ТЛ - максимальный кратковременный ток линии; Iпус, ДВ - пусковой ток электродвигателя или группы одновременно включаемых электродвигателей, при пуске которых кратковременный ток линии достигает наибольшего значения; Iдлит, ТЛ - длительный расчетный ток линии до момента пуска электродвигателя (или группы электродвигателей) - это суммарный ток, который потребляется всеми элементами, подключенными через плавкий предохранитель, определяемый без учета рабочего тока пускаемого электродвигателя (или группы двигателей).
Выбор предохранителей для защиты асинхронных электродвигателей от перегрузки
Поскольку пусковой ток в 5-7 раз превышает номинальный ток двигателя, плавкая вставка, выбранная по выражению (2.4), будет иметь номинальный ток в 2-3 раза больше номинального тока двигателя и, выдерживая этот ток неограниченное время, не может защитить двигатель от перегрузки. Для защиты двигателей от перегрузки обычно применяют тепловые реле, встраиваемые в магнитные пускатели или в автоматические выключатели.
Если для защиты двигателя от перегрузки и управления им применяется магнитный пускатель, то при выборе плавких вставок приходится учитывать также условие предотвращения повреждения контактов пускателя.
Дело в том, что при коротких замыканиях в двигателе снижается напряжение на удерживающем электромагните пускателя, он отпадает и разрывает ток короткого замыкания своими контактами, которые, как правило, разрушаются. Для предотвращения этого короткого замыкания двигатели должны отключаться предохранителем раньше, чем разомкнутся контакты пускателя.
Это условие обеспечивается, если время отключения тока короткого замыкания предохранителем не превышает 0,15-0,2 с; для этого ток короткого замыкания должен быть в 10-15 раз больше номинального тока вставки предохранителя, защищающего электродвигатель, т. е.:
I(3)КЗ / Iном,ПВ ≥ 10–15. (2.7)
Защита предохранителями сетей до 1000 В от перегрузки
В ПУЭ 3.1.10 указаны сети напряжением до 1000 В, требующие, кроме защиты от коротких замыканий, защиты от перегрузки. К ним относятся:
1. Все сети, выполненные проложенными открыто незащищенными изолированными проводами с горючей оболочкой, внутри любых помещений.
2. Все осветительные сети независимо от конструкции и способа прокладки проводов или кабелей в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях, в служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, в пожароопасных производственных помещениях, все сети для питания бытовых и переносных электроприборов.
3. Все силовые сети в промышленных предприятиях, в жилых и общественных помещениях, если по условиям технологического процесса может возникнуть длительная перегрузка проводов и кабелей.
4. Все сети всех видов во взрывоопасных помещениях и взрывоопасных наружных (вне зданий) установках независимо от режима работы и назначения сети.
Номинальный ток плавкой вставки должен выбираться минимально возможным по условию надежного пропускания максимального тока нагрузки. Практически при постоянной, без толчков, нагрузке номинальный ток вставки 1ном, ПВ принимается примерно равным максимальному длительному току нагрузки Imax, ТН, а именно:
Iном, ПВ ≥ Imax, ТН. (2.8)
По номинальному току вставки определяется допустимый ток длительной нагрузки 1длит,ТН для проводника (проложенного в нормальных условиях), защищаемого выбранной вставкой:
kк⋅Iном, ПВ ≤ kп⋅Iдлит, ТН, (2.9)
где kк - коэффициент, который учитывает конструкцию защищаемых вставкой проводников, равный по ПУЭ 3.1.10 - 1,25 для проводников с резиновой и подобной горючей изоляцией, прокладываемых во всех помещениях, кроме невзрывоопасных производственных. Для любых проводников, прокладываемых в невзрывоопасных производственных помещениях, и кабелей с бумажной изоляцией в любых помещениях, kк = 1:
kп = kп1⋅kп2⋅kп3, (2-10)
где kп - общий поправочный коэффициент, соответствующий случаю, когда действительные условия прокладки отличаются от нормальных.
Если нагрузка имеет характер толчков, например, электродвигатель крана, и продолжительность нагрузки меньше 10 мин, то вводится поправочный коэффициент kп1. Этот коэффициент вводится для медных проводников сечением не менее 6 мм2 и алюминиевых не менее 10 мм2. Величина kп1 принимается по выражению
kп1 = 0,875/ √ПВ,
где ПВ - выраженная в относительных единицах продолжительность включения, равная отношению времени включения приемника, например электродвигателя, к полному времени цикла повторно кратковременного режима. Коэффициент кП1 вводится, если продолжительность включения не более 4 мин, а перерыв между включениями не менее 6 мин. В противном случае величина тока нагрузки принимается как для длительного режима.
Если температура окружающей среды отличается от нормальной, вводится поправочный коэффициент кП2, определяемый по таблицам ПУЭ.
При прокладке в одной траншее более одного кабеля вводится поправочный коэффициент кП3, определяемый также по таблицам ПУЭ.
В цепях вторичной коммутации (оперативного тока, контрольно-измерительных приборов, измерительных трансформаторов напряжения и др.) плавкие вставки выбирают по токам короткого замыкания исходя из условия:
I(3)КЗ / Iном,ПВ ≥ 10 (2.11)
Монтаж предохранителей производят на распределительных щитах и силовых пунктах. Плавкая вставка выполняется вертикально. После затяжки всех креплений проверяется соприкосновение контактов ножа или колпачка патрона и губками стоек. «Отпружинивание» контактных губок стоек при входе в них ножа или колпачка патрона должно быть заметно на глаз. Патроны предохранителей не должны выпадать из контактных стоек при приложении к ним усилия, равного для предохранителей, рассчитанных на ток: 40А - усилие 30Н; 100А - 40Н; 250А - 45Н; 400А - 50Н; 600А - 60Н.
Проверка предохранителей при новом включении проводится в следующем объеме:
1. Внешний осмотр, чистка, проверка контактных соединений.
2. Проверка правильности выбора номинального тока плавкой вставки.
В производственных условиях возникают причины, когда необходимо при отсутствии стандартной плавкой вставки заменять ее проводником, который по своим свойствам будет эквивалентен плавкой вставке.
В таблице 2.5 указаны сечения различных проводниковых материалов, пригодных для использования в качестве плавкой вставки предохранителя.
Выбор предохранителей для защиты полупроводниковых элементов
Предохранители для защиты полупроводниковых элементов вставки выбираются по расчетному напряжению, расчетному току, полному джоулевому интегралу I2⋅tA и коэффициенту нагрузочных циклов с учетом прочих заданных условий.
Расчетное напряжение Uр предохранительной вставки - это напряжение, приводимое в качестве эффективного значения переменного напряжения при формировании данных для заказа и проектирования, а также указываемое на самой предохранительной вставке.
Расчетное напряжение предохранительной вставки выбирается таким образом, чтобы она надежно отключала напряжение, возбуждающее короткое замыкание. Это напряжение не должно превышать значение Uр +10 %. При этом необходимо учитывать также тот факт, что напряжение питающей сети Uпc выпрямителя переменного тока может увеличиваться на 10 %. Если в короткозамкнутой цепи два ответвления схемы выпрямителя переменного тока расположены последовательно, то при достаточно большом токе короткого замыкания можно рассчитывать на равномерное распределение напряжения.
Величина тока, А | Свинец, мм2 | Сплав, мм2: 75 % - свинец, 25 % - олово | Железо, мм2 |
|
Режим выпрямления . Для выпрямителей переменного тока, которые работают только в режиме выпрямления, в качестве возбуждающего напряжения выступает напряжение питающей сети Uпc.
Режим инвертирования . Для выпрямителей переменного тока, которые работают также и в режиме инвертирования, нарушение может быть вызвано опрокидыванием инвертора. При этом в качестве возбуждающего напряжения Uвн в короткозамкнутой цепи выступает сумма из питающего постоянного напряжения (например, электродвижущая сила машины постоянного тока) и напряжения трехфазного тока питающей сети. Эта сумма при подборе предохранительной вставки может быть заменена переменным напряжением, эффективное значение которого соответствует 1,8-кратному значению напряжения трехфазного тока питающей сети (Uвн=1,8Uпc). Предохранительные вставки должны рассчитываться таким образом, чтобы они надежно размыкали напряжение Uвн.
Расчетный ток, нагрузочная способность Iр предохранительной вставки - это ток, приводимый в данных для выбора и заказа, и характеристиках, а также указываемый на предохранительной вставке в качестве эффективного значения переменного тока для диапазона частот 45-62 Гц.
Для работы предохранительной вставки с расчетным током нормальными условиями эксплуатации являются:
Естественное воздушное охлаждение при температуре окружающей среды +45°С;
Поперечные сечения присоединений равны контрольным поперечным сечениям, при работе в основаниях предохранителей NH и разъединителях;
Угол отсечки тока полупериода составляет 120°;
Постоянная нагрузка максимальна при расчетном токе.
Для условий эксплуатации, отличающихся от перечисленных выше, допустимый рабочий ток Ip предохранительной вставки определяется по следующей формуле:
Ip = ku ⋅ kq ⋅ kл ⋅ ki ⋅ kwl ⋅ Ip, (2.12)
где Ip - расчетный ток предохранительной вставки;
ku - поправочный коэффициент температуры окружающей среды;
kq - поправочный коэффициент поперечного сечения присоединения;
kл - поправочный коэффициент угла отсечки тока;
ki - поправочный коэффициент интенсивного воздушного охлаждения;
kwl - коэффициент нагрузочных циклов.
Коэффициент нагрузочных циклов kwl - это понижающий коэффициент, при помощи которого может быть определена не изменяющаяся с течением времени нагрузочная способность предохранительных вставок при любых нагрузочных циклах. Предохранительные вставки имеют различные коэффициенты нагрузочных циклов, обусловленные конструкцией. В характеристиках предохранительных вставок указывается соответствующий коэффициент нагрузочных циклов kwl для > 10 000 изменений нагрузки (1 час «Вкл», 1 час «Откл») в течение ожидаемого срока службы предохранительных вставок.
При равномерной нагрузке (отсутствуют нагрузочные циклы и отключения) можно принять коэффициент нагрузочных циклов kwl = 1. При нагрузочных циклах и отключениях, которые длятся более, чем 5 мин и осуществляются чаще чем один раз в неделю, следует выбирать коэффициент нагрузочных циклов kwl, указанный в характеристиках отдельных предохранительных вставок фирм производителей.
Остаточный коэффициент - krw.
Предварительная нагрузка предохранительной вставки сокращает продолжительность допустимой перегрузки и времени плавления. При помощи остаточного коэффициента krw можно определить время, на протяжении которого предохранительная вставка при периодическом или непериодическом нагрузочном цикле сверх предварительно рассчитанного допустимого тока нагрузки Ip может работать с любым током перегрузки Ila без потери первоначальных свойств с течением времени.
Остаточный коэффициент kRW зависит от предварительной нагрузки V= Ieff/Ip - (отношения эффективного значения тока Ieff, протекающего через предохранитель во время нагрузочного цикла, к допустимому току нагрузки Ip), а также от частоты перегрузок F. Графически указанная зависимость представляется двумя кривыми (рис. 2.11): kRW1 = f (V), при F = частые ударные токи / токи нагрузочного цикла > 1/ неделю; kRW2 = f (V), при F = редкие ударные токи / токи нагрузочного цикла
После определения графическим способом коэффициента kRW1 (kRW2) можно определить сокращенную продолжительность допустимой нагрузки tsc по выражению:
tsc = kRW1 (kRW2) ⋅ ts
Уменьшение времени плавления предохранительной вставки tsy при предварительной нагрузке определяется по вычисленному значению V при помощи заданной кривой kR3 = f (V) (рис. 2.11) по выражению:
tsy = kR3 ⋅ ts
Рис. 2.11.
Выпрямители переменного тока работают часто не с непрерывной, а с переменными нагрузками, которые могут также кратковременно превышать расчетный ток выпрямителя переменного тока.
Для случая переменной нагрузки классифицированы четыре типичных вида нагрузки для не изменяющегося с течением времени режима работы предохранительных вставок:
Неизвестная переменная нагрузка, однако с известным максимальным током (рис. 2.13);
Переменная нагрузка с известным нагрузочным циклом (рис. 2.14);
Случайная ударная нагрузка из предварительной нагрузки с неизвестной последовательностью ударных импульсов (рис. 2.15).
Определение требуемого расчетного тока IP предохранительной вставки для каждого из четырех видов нагрузки осуществляется в два этапа:
1. Определение расчетного тока IP на основе эффективного значения Ieff тока нагрузки:
IР > Ieff ⋅(1/ ku ⋅ kq ⋅ kл ⋅ ki ⋅ k). (2.13)
2. Проверка допустимой продолжительности перегрузки блоками тока, которые превышают допустимый рабочий ток предохранителя IP/, с использованием выражения:
kRW ⋅ ts ≥ tk, (2.14)
где tK - продолжительность перегрузки.
Если полученная продолжительность перегрузки окажется меньшей, чем соответствующая требуемая продолжительность перегрузки, то следует выбрать предохранительную вставку с более высоким расчетным током Ip (с учетом расчетного напряжения Up и допустимого полного джоулевого интеграла) и повторить проверку.
Пример выбора предохранителя
Современные электрические сети и устройства очень сложные и требуют надежной защиты от возможных перегрузок и коротких замыканий. Основную защитную роль в таких случаях играют различные предохранительные устройства. Среди всего разнообразия этих устройств, наиболее распространенными считаются плавкие предохранители, обладающие высокой степенью надежности, простотой в эксплуатации и сравнительно невысокой стоимостью.
Несмотря на широкое использование автоматических защитных устройств, плавкие вставки сохраняют свою актуальность при защите электронной аппаратуры, автомобильных электросетей, промышленных электроустановок и систем энергоснабжения. Они до сих пор применяются в распределительных щитах многих жилых домов, благодаря надежной работе, небольшим размерам, стабильным характеристикам и возможности быстрой замены.
Для чего применяются плавкие предохранители
В случае соединения двух проводов, подключенных к источнику тока, наступит всем известный эффект короткого замыкания. Причиной может стать испорченная изоляция, неправильное подключение потребителей и т.д. При сравнительно небольшом сопротивлении проводов, в этот момент по ним будет протекать очень высокий ток. В результате перегрева проводов загорается изоляция, что может привести к пожару.
Избежать негативных последствий вполне возможно путем включения в плавких предохранителей, известных также под наименованием пробок. В случае превышения током допустимой величины, проволочка внутри предохранителя сильно нагревается и быстро расплавляется, разрывая в этом месте электрическую цепь.
Конструкция предохранителей может быть трубчатой или пробочной. Трубочные элементы изготавливаются в закрытом фибровом корпусе, обладающим свойствами газогенерации. В случае повышения температуры внутри трубки создается высокое давление, вызывающее разрыв цепи. Пробочные предохранители имеют стандартную конструкцию, оборудованную проволокой, расплавляющейся под действием высокого электрического тока.
Существует еще одна разновидность так называемых самовосстанавливающихся предохранителей, изготовленных из полимерных материалов, изменяющих свою структуру при разных температурах. Существенный нагрев приводит к резкому изменению сопротивления в сторону увеличения, в результате чего цепь разрывается. Дальнейшее остывание вызывает уменьшение сопротивления, поэтому цепь вновь замыкается. В основном такие предохранители используются в сложных цифровых устройствах. В обычных силовых сетях они не применяются из-за высокой стоимости.
Иногда некоторые умельцы пытаются заменить сгоревший предохранитель, используя вместо него так называемые жучки, представляющие собой кусок толстого провода или тонких проволочек, скрученных в общий пучок. Такие самодельные устройства категорически запрещается использовать, поскольку ток при коротком замыкании будет недопустимо высоким. Сильный нагрев проводки вызовет ее повреждение, возгорание и пожар.
Устройство плавкого предохранителя
В состав входит корпус или патрон, обладающий электроизоляционными свойствами, и сама плавкая вставка. Ее концы соединяются с клеммами, которые последовательно включают предохранитель в электрическую цепь, совместно с защищаемым устройством или электрической линией. Материал плавкой вставки выбирается с таким , чтобы он мог расплавиться раньше, чем температурный показатель проводов выйдет на опасный уровень, либо потребитель в результате перегрузки выйдет из строя.
Исходя из конструктивных особенностей, плавкие предохранители могут быть патронными, пластинчатыми, пробочными и трубочными. Расчетная сила тока, которую способна выдержать плавкая вставка, указывается на корпусе устройства.
Довольно простая конструкция у низковольтных предохранителей. Под воздействием высокого тока плавкая вставка или токопроводящий элемент подвергается сильному нагреву, после чего при достижении определенной температуры плавится в дугогасящей среде и испаряется, разрывая защищаемую цепь. Именно так работает плавкий предохранитель в электрической цепи.
Для того чтобы горячие газы и жидкий металл не попадали в окружающую среду применяется керамический изолятор, он же корпус устройства, устойчивый к воздействию высоких температур и значительного внутреннего давления. Защитные крышки, расположенные по краям предохранителя, оборудованы специальными планками под унифицированные рукоятки, захватывающие плавкие вставки при замене негодных элементов. С помощью защитных крышек и керамического корпуса создается взрывонепроницаемая оболочка, ограничивающая коммутационную электрическую дугу.
Песок, заполняющий внутреннее пространство, ограничивает силу тока. Материал выбирается с определенными размерами кристаллов, после чего он уплотняется надлежащим образом. Как правило предохранители заполняются кварцевым кристаллическим песком, имеющим высокую химическую и минералогическую чистоту. Соединение плавкой вставки с основанием-держателем осуществляется механическим способом, при помощи контактных ножей. Для их изготовления используется медь или медные сплавы, покрытые оловом или серебром.
Характеристики плавких предохранителей
Основная характеристика заключается в прямой зависимости времени плавления от силы тока. Поэтому, то время, за которое плавкая вставка предохранителя перегорает, соответствует определенному току. Данный параметр больше известен, как времятоковая характеристика.
Кроме временного показателя существуют и другие характеристики, с помощью которых производится определение типов плавких предохранителей. Среди них, в первую очередь, следует отметить . Это наиболее допустимый ток нагрузки по условиям нагрева корпуса предохранителя в течение продолжительного времени. Выбирая устройство по этому показателю, должна учитываться нагрузка электрической цепи, а также условия работы предохранителя.
В некоторых случаях, номинальный ток может быть выше, чем ток в самой электрической цепи. Например, в пусковых устройствах электродвигателей, чтобы избежать перегорания предохранителя во время пуска. Следует учитывать, номинальный ток предохранителя должен соответствовать номинальному току заменяемого элемента.
В свою очередь, номинальный ток заменяемого элемента представляет собой максимально допустимый ток нагрузки в течение длительного времени, когда этот элемент установлен в держателе или в контактах. Кроме того, существуют номинальные токи основания и патрона предохранителя, которые нужно учитывать при выборе защитного устройства. Кроме того, используется такой показатель, как номинальное напряжение. Данный параметр представляет собой межполюсное напряжение, совпадающее с номинальным междуфазным напряжением защищаемых электрических сетей.
Для того, чтобы плавкие предохранители обеспечивали надежную защиту, значение данной величины должно быть больше или равно напряжению защищаемого объекта. Например, предохранитель с номинальным напряжением 400 вольт может использоваться для защиты цепей на 220 вольт, но ни в коем случае, не наоборот. Таким образом, эта величина характеризует возможность предохранителя своевременно разрывать электрическую цепь и гасить дугу.
Поэтому, при выборе предохранителя в качестве защитного средства, необходимо в обязательном порядке учитывать параметры, которые позволяют обеспечить надежную защиту объекта.
Виды плавких предохранителей
Для всех устройств этого типа существуют общая классификация в соответствии с их основными свойствами.
Плавкие вставки могут закрываться по-разному, в связи с этим отличаются и внешние эффекты, возникающие при отключении тока. Такие предохранители разделяются на следующие виды:
- Открытая плавкая вставка, в которой отсутствуют устройства для ограничения объема дуги, выброса расплавленных металлических частиц и пламени.
- Полузакрытый патрон с оболочкой, открытой с одной или двух сторон. Он создает определенную опасность для людей, находящихся поблизости.
- Закрытый патрон. Является наиболее надежным, поскольку у него отсутствуют все вышеперечисленные недостатки. Практически все современные предохранители выпускаются именно с закрытым патроном.
Гашение дуги может выполняться разными способами. В зависимости от этого предохранители бывают с наполнителем или без наполнителя. В первом случае применяются порошкообразные, волокнистые или зернистые компоненты, а во втором - за счет движения газов или высокого давления в патроне. Конструкции самих патронов разделяются на разборные и неразборные. Первый вариант предполагает замену расплавленной вставки, а во втором случае придется менять весь элемент. В некоторых случая неразборные патроны могут быть перезаряжены в специальных мастерских.
Предохранители могут быть заменены или не заменены будучи под напряжением. В первом случае замена может быть произведена прямо руками, не касаясь частей, находящихся под напряжением. Во втором случае устройство в обязательном порядке отключается от напряжения.
Маркировка плавких предохранителей
Каждый плавкий предохранитель на схеме обозначается определенной символикой. Стандартная маркировка состоит из двух буквенных символов. Первые буквы определяют защитный интервал: a - частичный (защита лишь от коротких замыканий) и g - полный (обеспечивается защита от коротких замыканий и перегрузок).
Вторая буква означает типы защищаемых устройств:
- G - защищает любое оборудование.
- F - защищаются только цепи с малым током.
- Tr - защита трансформаторов.
- М - электродвигатели и отключающие устройства.
Более подробную информацию о маркировке предохранителей можно получить в справочниках, предназначенных для специалистов-электротехников.
При эксплуатации бытовой и промышленной электрической сети всегда существуют риски получения электротравм или повреждения оборудования. Они могут возникнуть в любой момент при появлении критических режимов. Снизить такие последствия позволяют защитные устройства. Их применение значительно повышает безопасность пользования электроэнергией.
Защиты электрической схемы работают на основе:
предохранителя;
механического автоматического выключателя.
Принцип работы и устройство предохранителя
Два гениальных ученых Джоуль и Ленц одновременно установили законы взаимных связей между величиной проходящего тока в проводнике и выделением теплоты из него, выявив зависимости от сопротивления цепи и длительности промежутка времени.
Их выводы позволили создать самые простые защитные конструкции, основанные на тепловом воздействии тока на металл провода. У используется тонкая металлическая вставка, через которую пропускается полный ток схемы.
При номинальных параметрах передачи электроэнергии эта «проволочка» надежно выдерживает тепловую нагрузку, а с превышением ее значений сверх нормы — перегорает, разрывая цепь и снимая напряжение с потребителей. Чтобы восстановить работоспособность схемы необходимо заменить перегоревший элемент: плавкую вставку.
Она хорошо видна на конструкциях предохранителей для бытовой теле и радиоаппаратуры со стеклянными, прозрачными корпусами вставок.
На ее концах смонтированы специальные металлические площадки, создающие электрический контакт при установке в гнезда. Этот принцип воплощен в электрических пробках с плавкими вставками, много десятилетий защищавших наших родителей и старшие поколения от повреждений в электрической проводке.
По такой же форме были разработаны автоматические конструкции, которые вкручивались в гнезда вместо пробок. Но они при срабатывании не нуждались в замене составных частей. Для восстановления электроснабжения достаточно утопить кнопку внутрь корпуса.
Такими способами защищались старые электрические ввода в квартиру. Затем наряду с предохранителями стали появляться .
Выбор предохранителя основан на учете:
номинальных величин токов самого предохранителя и его вставки;
коэффициентов минимальной/максимальной кратности испытательного тока;
предельного отключаемого электротока и возможности разрыва транспортируемой мощности;
защитной характеристики плавкой вставки;
номинального напряжения предохранителя;
соблюдения принципов селективности.
Предохранители обладают простой конструкцией. Они широко используются в электроустановках, включая высоковольтное оборудование до 10 кВ, например, в защитах измерительных трансформаторов напряжения.
Принцип работы и устройство автоматического выключателя
Назначением механического коммутационного аппарата, называемого автоматическим выключателем, является:
включение, пропускание, отключение токов при нормальном режиме цепи;
автоматическое снятие напряжения с электроустановки при аварийных режимах, например, токах металлических коротких замыканий. Автоматические выключатели работают в режимах многоразовых защит от КЗ и перегрузок. Возможность многократного использования считается их основным отличием от предохранителя.
Во времена СССР в энергетике широко использовались автоматические выключатели серий АП-50, АК-50, АК-63, АО-15.
В современных электрических схемах работают усовершенствованные конструкции зарубежных и отечественных производителей.
Все они заключены в диэлектрические корпуса, имеют общие исполнительные органы, обеспечивающие:
1. тепловое расцепление цепи при небольшом превышении допустимого значения тока;
2. электромагнитную отсечку при резких бросках нагрузки;
3. дугогасящие камеры;
4. контактные системы.
В случае нагрева энергией выделяемого тепла работает биметаллическая пластина, изгибающаяся от температурного воздействия до приведения в работу механизма расцепления. Эта функция зависит от количества выделенной теплоты и растянута по времени до определенного момента.
Отсечка действует максимально быстро от срабатывания электромагнитного соленоида с возникновением электрической дуги. Для ее гашения применяются специальные меры.
Усиленные контакты рассчитаны на многократные разрывы .
Эксплуатационные отличия автоматических выключателей от предохранителей
Защитные свойства обоих методов проверены временем, причем каждый способ требует анализа конкретных условий эксплуатации при оценке стоимости конструкции с учетом длительности и надежности работы.
Предохранители проще устроены, отключают схему одноразово, дешевле. Ими можно снимать напряжение вручную, но это, как правило, не очень удобно. К тому же при незначительных превышающих токах они долго отключают нагрузку. Этот фактор может служить поводом повышенной пожарной опасности.
Любой предохранитель защищает всего одну фазу сети.
Автоматические выключатели сложнее, дороже, более функциональны. Зато они точнее настраиваются под уставки защищаемой электросхемы, подбираются по рабочему расчетному току с учетом коммутируемых мощностей.
Корпуса современных автоматов из реактопластов обладают повышенной устойчивостью к термическому воздействию. Они не плавятся, стойки к воспламенению. Для сравнения: полистирольный корпус старых выключателей мог противостоять температурам не выше 70 градусов.
Конструктивное исполнение позволяет подбирать модели для одновременного размыкания от одной до четырех электрических цепей. Если в трехфазной цепи использовать предохранители, то они будут снимать напряжение со схемы с разными выдержками времени, что может стать дополнительной причиной развития аварии.
Предохранители работают от тока, без учета его характеристик. Автоматические выключатели подбирают под нагрузку и классифицируют буквами:
А — электросети увеличенной протяженности;
В — освещение коридоров и площадок;
С — силовые и осветительные системы с умеренными пусковыми токами;
D — преобладающие нагрузки от включения электродвигателей с большими пусковыми параметрами;
К — индуктивные печи и электрические сушилки;
а) Назначение предохранителя. Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили их очень широкое применение. Предохранители НН изготовляются на токи от мА до тысяч А и на напряжение до 660 В, а предохранители ВН - до 35 кВ и выше.
Предохранители - это ЭА, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ.
Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную или автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.
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.
б) Принцип работы предохранителя, физические явления в электрическом аппарате. Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определённое значение.
В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путём расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током
защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.
При токах > I плавления предохранитель должен срабатывать в соответствии с времятоковой характеристикой. Сростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока. Для получения такой характеристики придают вставке определенную форму или используют металлургический эффект.
Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 6.1,а ), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженых участках
Рис.6.1 – Распределение температур (а ) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б ) и при КЗ (в )
выделяется больше теплоты, чем на широких. При I
ном избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распределятся к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I
) нагрев суженных участков идет быстрее, т.к. только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис 6.1,б
). При КЗ (I
» 
) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или нескольких суженых местах (рис 6.1,в
).
Во многих конструкциях вставке 1 придается такая форма (рис 6.2,а) , при которой электродинамические силы F, возникающие при токах КЗ, разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться. На рис. 6.2,а место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения.
Рис. 6.2. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом
При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится.в суженом месте. В конструкции на рис. 6.2,б ускорение отключения цепи при перегрузках и КЗ достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку 1 при размягчении металла на суженных участках, до того, как происходит плавление этих участков.
Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять другие тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Это явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок.
Для ускорения плавления вставок при перегрузках на проволоки напаиваются оловянные шарики. При токах перегрузки шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Вставка перегорает в месте напайки шарика.
Параметры предохранителя
Предохранитель работает в двух резко различных режимах: в нормальных условиях и условиях перегрузок и КЗ. В первом случае перегрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки Iном. Он может быть отличен от номинального тока самого предохранителя.
Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на разные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя , указанный на нем, равен наибольшему из токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.
Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток не плавления - ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, условный ток плавления - ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63 -100 А плавкие вставки не должны перегореть при протекании тока 1,3 I ном в течении одного часа, а при токе 1,6 I ном должны перегореть за время до одного часа.
Рассмотрим нагрев вставки при длительной нагрузке.
Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика , представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока t =f(i ). Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 6.3) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.3) . Однако реальная характеристика предохранителя (кривая
3) пересекает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске
Рис. 6.3. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта
двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает. При небольших перегрузках (1,5 – 2)I ном нагрев предохранителя протекает.медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде,
Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током I noгp. Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе I ном, необходимо I noгp > I ном. С другой стороны, для лучшей защиты значение I noгp должно быть возможно ближе к номинальному.
Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и сплавы (медь, серебро, цинк, свинец, алюминий).
Рассмотрим нагрев вставки при КЗ.
Если ток, проходящий через вставку, в 3 - 4 раза больше I ном, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое вставкой, идет на ее нагрев.
Время нагрева вставки до температуры плавления
,
где А"- постоянная, определяемая свойствами материала; q - поперечное сечение вставки; j к -плотность тока вставки.
По мере того как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится (в десятки раз). Время перехода из твердого состояния в жидкое
,
где - удельное сопротивление материала вставки при температуре плавления; - удельное сопротивление материала вставки в жидком состоянии; у - плотность материала вставки; L - скрытая теплота плавления материала
Основным параметром предохранителя при КЗ является предельный ток отключения - ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшем рабочему напряжению.
Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем
t пр= t пл + t перех + t дуги
Для предохранителя со вставкой, находящейся в воздухе
,
где коэффициент n =3 учитывает преждевременное разрушение вставки, a k 0 = 1.2 -1.3 учитывает длительности горения дуги.
В предохранителях с наполнителем (закрытого типа) разрушение вставки до полного ее плавления менее вероятно. Время отключения цепи предохранителем
,
Коэффициент к д = 1,7 -2 учитывает длительность горения дуги.
Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводится на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента начала КЗ до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током КЗ установившегося или даже амплитудного значения. Дуга образуется через время t 1 после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения I k уст.
Средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, т. К. Отключается не установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки.
Рис. 6.4. Отключение постоянного и переменного тока предохранителем с токоограничением
Конструкция предохранителей
в) Устройство предохранителя. 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.
Предохранитель - коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем 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.
Рис. 5-1. Времятоковая характеристика предохранителей серии ПН-2
Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили очень 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.
Важнейшей характеристикой предохранителя является зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока времятоковая характеристика (рис. 5-1).
Предохранитель работает в двух резко отличных режимах: в нормальных условиях ив условиях перегрузок и коротких замыканий. В первом случае нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки 1ном.. Он может быть отличным от номинального тока самого предохранителя.
Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя , указанный на нем, равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.
Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток неплавления - ток, при протекании которого в течение определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, и условный ток плавления - ток, при протекании которого в течение скрепленного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63-100 А плавкие вставки не должны перегореть при протекании тока 1,3 Iном в течение одного часа, а при токе 1,6Iном должны перегореть за время до одного часа.
При токах, превышающих условный ток плавления, предохранитель должен сработать в соответствии с времятоковой характеристикой. С ростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока Для получения такой характеристики придают вставке специальную форму или используют металлургический эффект.
Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 5-2, а), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженных участках выделяется больше теплоты, чем на широких. При номинальном токе избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распространиться к более широким частям, и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I≈I∞max) нагрев суженных участков идет быстрее; так как только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис. 5-2,б). При коротком замыкании (I>>I∞) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или в нескольких суженных местах (рис. 5-2, в).
Рис. 5-2. Распределение температур (а) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б) и при коротких замыканиях (в).
Во многих конструкциях плавкой вставке 1 придается такая форма (рис 5-3 а) при которой электродинамические силы F, возникающие при токах короткого замыкания, разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться На рисунке место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения. При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится в суженном месте. В конструкции, показанной на рис. 5-3,б ускорение отключения цепи при перегрузках и коротких замыканиях достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку; при размягчении-металле на суженных участках до того, как происходит плавление этих участков.
Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Полученный таким образом раствор обладает иными характеристиками, чем исходные материалы (например большим электрическим сопротивлением и пониженной температурой плавления) Указанное явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок.
Рис. 5-3. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом.
Для ускорения плавления вставки при перегрузках и снижения общей температуры всей вставки при ее плавлении на проволоки напаиваются небольшие оловянные щарики. При токах перегрузки, когда температура вставки достигает температуры плавления олова, шарик, расплавляется и растворяет, часть металла, на котором он напаян. Происходит местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления-металла, в этом месте. Вставка перегорает в том месте, где был наплавлен шарик. При этом температура всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В номинальном режиме шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки.
Этот способ получения требуемой времятоковой характеристики может применяться при тонких вставках, например при диаметре шарика 1 мм для проволок диаметром 0,3 мм и диаметре шарика до 2 мм при более толстых проволоках. При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается и практически не сказывается.
Рассмотренные способы ускорения перегорания вставки при токах перегрузки и коротких замыканиях обусловливают одно весьма существенное достоинство плавких предохранителей - их токоограничивающее действие. Плавкая вставка перегорает много раньше, чем ток в цепи при коротком замыкании успевает достигнуть установившегося значения iуст. Таким образом, ток короткого замыкания ограничивается в 2-5 раз и тем самым снижается разрушительное действие электродинамических сил. Если при возможном установившемся токе короткого замыкания 25 кА плавкая вставка перегорела при 8 кА, то значение электродинамических сил в цепи ограничено более чем в 9 раз. Токоограничивающее действие плавких вставок с использованием металлургического эффекта ниже, чем при других способах токоограничения.
Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно быть осуществлено в возможно короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя и принятого способа гашения. Наибольший ток, который плавкий предохранитель может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, препятствующих его дальнейшей исправной работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключения предохранителя.
В современных предохранителях с закрытыми патронами без наполнителя дуга гасится за счет высокого давления, возникающего в патроне вследствие появления дуги, а при наличии наполнителя - за счет интенсивного охлаждения дуги наполнителем и высокого давления, вызываемого дугой в узких каналах наполнителя. При этом гашение дуги происходит в ограниченном объеме патрона предохранителя. За пределы патрона не выбрасываются ни пламя дуги, ни ионизированные газы.
Достаточно совершенная система дугогашения совместно с токоограничивающим действием вставки обусловливают неограниченную отключающую способность плавких предохранителей. Это не значит, что предохранители могут отключать сколь угодно большие токи короткого замыкания. Неограниченную отключающую способность следует понимать так: плавкие предохранители могут применяться для защиты цепей, в которых установившийся ток короткого замыкания мог бы достигнуть очень больших значений (в современных крупных энергоустановках можно предполагать 200-500 кА). Плавкие вставки изготовляют из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди, серебра и др. Вставки из легкоплавких металлов (свинец, цинк - температура плавления 200-420 °С) позволяют получить невысокую температуру всего предохранителя, однако они обладают невысокой проводимостью и получаются значительных сечений, особенно при больших номинальных токах. Широко распространены цинковые вставки. Пары цинка имеют относительно высокий потенциал ионизации, что способствует гашению дуги. Вставки из меди и серебра получаются меньшего сечения, но недостатком их является высокая температура плавления, что приводит при токах перегрузки к сильному нагреву и быстрому разрушению деталей предохранителя. Медные плавкие вставки должны обязательно иметь антикоррозионное покрытие. В противном случае окисление приведет к постепенному уменьшению сечения вставки и несвоевременному перегоранию.
Применение параллельных плавких вставок (при больших токах) позволяет при том же суммарном поперечном сечении их получить большую поверхность охлаждения, тем самым улучшить условия охлаждения вставок и лучше использовать объем наполнителя (в предохранителях с наполнителем).