Устройство и принцип работы электрического предохранителя

 

Предохранители — это аппараты, защищающие установки от перегрузок и токов короткого замы­кания.

Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защи­щаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

К предохранителям предъявляются следующие тре­бования:

1. Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.

3.Время срабатывания предохранителя при коротком замыкании должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением.

4. Характеристики предохранителя должны быть ста­бильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства пре­дохранителя.

5. В связи с возросшей мощностью установок предо­хранители должны иметь высокую отключающую спо­собность.

6. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени.

 

Основной характеристикой предохранителя является зависимость времени плавления вставки от протекающе­го тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кри­вая 1 на рис.9) во всех точках шла немного ниже ха­рактеристики защищаемого объекта (кривая 2 на рис.9). Однако реальная характеристика предохра­нителя (кривая 3 на рис.9) пересекает кривую 2.

 

 

Рис.9. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта.

 

Поясним это. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске 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_н нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде. Сложные условия теплоот­дачи затрудняют расчет плавящего тока.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при дости­жении ею установившейся температуры, называется пограничным токомI_погр. Для того чтобы предо­хранитель не срабатывал при номинальном токе, необхо­димо соблюсти условие I_погр>I_ном С другой стороны, для лучшей защиты пограничный ток должен быть возможно ближе к номинальному. При токах, близких к погра­ничному току, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления.

Вставки выполняются из легкоплавких металлов, таких как свинец, цинк и сплавы.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Большой объем вставки увеличивает количество паров металла в дуге, затрудняет ее гашение, уменьшает пре­дельный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих особенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные плав­кие вставки с металлургическим эффектом, который объясняется ниже. На тонкую проволоку (диаметр менее 0,001 м) наносится шарик из олова. При нагреве вставки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления (232°С). В месте контакта олова с медной проволокой начинается растворение меди и уменьшение сечения медной вставки. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока расплавится медная проволока в точке, где расположен оловянный шарик. Возникшая при этом дуга расплавляет проволоку на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру вставки в момент плавления до 280° С.

Стабильность времятоковой характеристики в значительной степени зависит от окисления плавкой вставки. Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, кото­рая предохраняет вставку от изменения сечения. Медная вставка при длительной работе и высокой температуре ин­тенсивно окисляется. Пленка оксида при изменении темпе­ратурного режима отслаивается, и сечение вставки постепен­но уменьшается. В результате плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близ­ком к пограничному, выбрана высокой.

Если ток, проходящий через вставку, в 3—4 раза боль­ше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т. е. все тепло, выделяемое плавкой встав­кой, идет на ее нагрев. Время нагрева вставки до температуры плавления равно:

 

 

где А^’- постоянная, определяемая только свойствами материала и от размера вставки не зависящая;

q- поперечное сечение вставки;

I_k- ток, протекающий во вставке при коротком замыкании защищаемой цепи;

j_k - плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

По мере того, как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится. Время перехода из твердого состояния в жидкое находится по формуле:

 

 

где p₁- удельное сопротивление материала при температуре плавления;

p₂- удельное сопротивление жидкого металла;

у- плотность материала вставки;

L- скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки;

А^”- постоянная.

В действительности процесс плавления идет более сложно. Как только появится жидкий участок вставки, электродинамические силы, сжимающие проводник образуют суженные участки. В этих участ­ках возрастает плотность тока и повышается температу­ра. Уменьшение сечения вставки создает разрывающие усилия, аналогичные силам в контактах при коротких замыканиях.

Таким образом, как правило, дуга загорается раньше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

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

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем равно:

Для предохранителя со вставкой на воздухе это время можно подсчитать по формуле:

 

где коэффициент п=3 учитывает преждевременное разрушение вставки, а k₀=1,2-1,3 учитывает длительность процесса гашения дуги.

В предохранителях с наполнителем разрушение вставки до полного её плавления менее вероятно. Время работы предохранителя можно найти с помощью формулы:

 

 

Коэффициент k_Д учитывает длительность горения дуги и равен 1,7-2.

 

Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плав­кая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом (рис. 10, а). Плавкая вставка 1 штам­пуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии ма­териалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на то­ки более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 10, б).

Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного кол­пачка 5.

Процесс гашения дуги происходит следующим образом. При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, пос­ле чего возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги фибровые стенки патрона выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давле­ния поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способству­ет ее быстрому гашению.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис 10, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и созда­ют эффект токоограничения.

 

Рис.10. Предохранитель типа ПР-2.

Поскольку гашение дуги происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются не­подвижными.

Давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы 4. Диски 6, жестко связанные с контактными ножами 2, крепятся к обойме патрона 4 с помощью колпачков 5.

Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстояния друг от друга. Предохранители выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предохранители предназначены для работы на переменном напря­жении не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способ­ность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с напряжением до 500 В. В зависимости от номинального тока выпускается шесть габаритов патронов различных диаметров. В патроне каждого габарита могут ус­танавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.

Различают нижнее и верхнее значения испыта­тельного тока. Нижнее значение испытательного тока — это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов.

 

Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Эти предохра­нители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратно­го сечения 1 предохранителя типа ПН-2 (рис. 11) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточ­ные плавкие вставки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, свя­занным с ножевыми контактами 9. Пластины 5 крепятся к корпусу вин­тами.

В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержа­нием SiO₂ не менее 98 %, с зернами размером (0,2—0,4)10^{-3 м и влаж­ностью не выше} 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более пол­ного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффектив­ный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обес­печивает высокую токоограничивающую способность. Соединение не­скольких суженных участков последовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (металлургический эффект).

При КЗ плавкая вставка сгорает и дуга горит в канале, образован­ном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Гра­диент напряжения на дуге очень высок и достигает (2—6)10⁴ В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с дис­ком 4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для гермети­зации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6 что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ни­же предохранитель имеет более простую конструкцию. Предохранители ПН-2 выполняются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток КЗ, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлическо­го КЗ сети, в которой устанавливается предохранитель).

Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами это­го предохранителя.

 

 

Рис.11. Предохранитель типа ПН-2.

 

 

Предохранители для защиты полупроводниковых приборов.В настоящее время мощные полупроводниковые диоды и тиристоры, которые ради краткости будем называть приборами, находят широ­кое применение в выпрямительных установках и схемах автоматиче­ского управления. Существующие до последнего времени предохра­нители и автоматы из-за относительно большого времени срабаты­вания не могут защитить приборы при коротких замыканиях. Для выполнения поставленной задачи разработаны специальные быстро­действующие предохранители.

При временах с можно считать, что процесс нагрева прибора протекает по адиабатическому закону. Для удобства согла­сования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие джоулева интеграла

Для приборов, нагретых номинальным током, допустимый ток в течение 0,02 с равен 3,6 I_н. Тогда

 

 

Если прибор нагревается с холодного состояния, то допустимый ток равен 7 I_н, а интеграл

 

Для того чтобы предохранитель защитил прибор, необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоу­лева интеграла прибора. Джоулев интеграл предохранителя состоит из джоулева интеграла нагрева до температуры плавления G_пл вставки и джоулева интеграла гашения образовавшейся дуги G_гаш. С целью сокращения первой составляющей предохранитель должен работать с большим токоограничением. Для достижения этой цели плавкая вставка выполняется из серебра, имеет перешеек с мини­мальным сечением и хорошо охлаждается кварцевым наполнителем (предохранители ПНБ). В некоторых предохранителях ПБФ плавкая вставка зажата между дисками корунда (А1₂О₃), обладающего теп­лопроводностью в 7 раз большей, чем кварцевый наполнитель. Плот­ности тока в перешейке в номинальном режиме достигают 2000 А/мм².

Джоулев интеграл G_гаш обычно учитывается коэффициентом k_общ:

 

В выполненных конструкциях k_общ =3-10 и пропорционален (при ).

Быстродействующий предохранитель ПНБ-3 (разработан на ба­зе предохранителя ПН-2) выпускается на переменное и постоянное напряжения до 660 В и номинальные токи 40—630 А. Предельная амплитуда тока короткого замыкания сети 150 кА. Максимальный фактический ток короткого замыкания не более 15 кА. Джоулев интеграл плавления (с холодного состояния) для вставки 100 А равен (0,2—2)10^-4 А²с. Полный джоулев интеграл G_общ=(5-10) А²с (напряжение 660 В). В настоящее время отечественной промышленностью вы­пускаются более совершенные предохранители серий ПП-31, ПП-41, ПП-51, ПП-61, ПП-71.

Следует отметить, что быстродействующие предохранители пред­назначены только для защиты от коротких замыканий. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.