Предохранители

Предохранитель — это коммутационный электрический аппарат, пред­назначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, пре­вышающего определенное значение.

В большинстве предохранителей отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекающим через нее током защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заме­нить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция производится вручную или автоматически заменой всего предохранителя.

Предохранитель включается последовательно в защищаемую цепь, для создания видимого разрыва используется неавтоматический выключатель (рубильник).

Основными элементами предохранителя являются корпус, плавкая вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.

Предохранители изготовляются на напряжение переменного тока 36, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, НО, 220, 440 В.

Рис.7. Токоограничивающий эффект плавких предохранителей при постоянном токе;

Предохранители характеризуются номинальным током плав­кой вставки, т. е. током, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены плавкие элементы на различные номинальные токи, поэто­му сам предохранитель характеризуется номинальным током предохранителя (основания), который равен наибольшему из номи­нальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Предохранители до 1 кВ изготовляются на номинальные токи до 1000 А.

В нормальном режиме тепло, выделяемое током нагрузки в плавкой вставке, передается в окружающую среду и температура всех частей пре­дохранителя не превышает допустимую. При перегрузках или КЗ темпера­тура вставки увеличивается и она расплавляется. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. Эта зависимость называется защитной (время-токовой) характеристикой предохрани­теля.

Предохранители не должны отключать электрическую цепь при про­текании условного тока неплавления и должны отключать цепь при протекании условного тока плавления в течение определенного времени, зависящего от номинального тока (ГОСТ 17242 —79Е).

Наиболее распространенными материалами плавких вставок являются медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.

Цинк и свинец имеют низкую температуру плавления (419 и 327 °С), что обеспечивает небольшой нагрев предохранителей в продолжи­тельном режиме. Цинк стоек к коррозии, поэтому сечение плавкой вставки не меняется во время эксплуатации, защитная характеристика остается по­стоянной. Цинк и свинец имеют большие удельные сопротивления, поэто­му плавкие вставки оказываются большого сечения. Такие плавкие вставки обычно применяются в предохранителях без наполнителей. Предохраните­ли со вставками из цинка и свинца имеют большие выдержки времени при перегрузках.

Медные вставки подвержены окислению; их сечение со временем уменьшается и защитная характеристика предохранителя изменяется. Для уменьшения окисления обычно применяют луженые медные вставки. Тем­пература плавления меди 1080 °С, поэтому при токах, близких к минималь­ному току плавления, температура всех элементов предохранителя значи­тельно возрастает.

Серебряные вставки не окисляются, и их характеристики наибо­лее стабильны.

Алюминиевые вставки применяются в предохранителях в связи с дефицитом цветных металлов. Высокое сопротивление окисных пленок на алюминии затрудняет осуществление надежного разъемного контакта.

При больших номинальных токах плавкая вставка выполняется из па­раллельных проволок или тонких медных полос.

Для ускорения плавления вставок из меди и серебра используется металлургический эффект — явление растворения тугоплавких металлов в расплавленных, менее тугоплавких. Если, например, на медную прово­лочку диаметром 0,25 мм напаять шарик из оловянно-свинцового сплава с температурой плавления 182 °С, то при температуре проволоки 650 °С она расплавится в течение 4 мин, а при 350 °С — в течение 40 мин. Та же проволока без растворителя плавится при температуре не менее 1000 °С. Обычно для создания металлургического эффекта на медных и серебряных вставках применяют чистое олово, обладающее более стабильными свой­ствами. В нормальном режиме работы шарик практически не влияет на температуру вставки.

Ускорение плавления вставки достигается также применением плавкой вставки специальной формы (рис.8). При токах КЗ узкие участки нагре­ваются настолько быстро, что отвод тепла почти не происходит. Вставка перегорает одновременно в нескольких суженных местах (сечение В—В, рис. 8,6), прежде чем ток КЗ достигнет своего установившегося значе­ния в цепи постоянного тока (рис.7). Ток КЗ при этом ограничивается до значения i_orp (в 2 —5 раз). Такое явление называется токоограничивающим действием предохраните­ля. Электродинамические силы в цепи, защищенной таким предохраните­лем, настолько уменьшаются, что в некоторых случаях токоведущие части и аппараты не требуют проверки по электродинамической стойкости.

Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно осуществляться в возможно короткое время. Время гаше­ния дуги зависит от конструкции предохранителя.

Наибольший ток, который плавкий предохранитель может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, называется предельным током отключения.

Предохранители получили широкое применение в промышленных элек­троустановках, на электростанциях, подстанциях, в быту и имеют различ­ную конструкцию. Рассмотрим конструкцию предохранителей, получив­ших наиболее широкое применение в электрических установках.

Предохранители с закрытыми разборными патро­нами без наполнителя типа ПР-2 (рис.8) изготовляются на 220 и 500 В, номинальные токи 100-1000 А; предельно отключаемые токи при напряжении 380 В и cos φ > 0,4 составляют 6 — 20 кА.

Патрон предохранителя ПР-2 (рис. 8, а) на токи 100 А и выше со­стоит из толстостенной фибровой трубки 1, на которую плотно насажены латунные втулки 3, предотвращающие разрыв трубки. На втулки навинчи­ваются колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 2, привинченную

Рис.8. Предохранитель типа ПР- 2

 

а - патрон на номинальные токи 100-1000А; в - формы плавких вставок.

 

к ножам 6, до установки ее в патрон. Для предотвращения поворота ножей предусмотрена шайба 5, имеющая паз для ножа.

Патрон вставляется в неподвижные контактные стойки, укрепленные на изоляционной плите. Необходимое контактное нажатие обеспечивается кольцевой или пластинчатой пружиной.

Плавкие вставки изготовляются из цинка в виде пластины с вырезами. На суженных участках выделяется больше тепла, чем на широких. При номинальном токе избыточное тепло благодаря теплопроводности цинка передается широким частям, поэтому вся вставка имеет примерно одина­ковую температуру. При перегрузках нагрев узких участков происходит быстрее, и вставка плавится в самом горячем месте (сечение А—А, рис.8, б).

При КЗ вставка плавится в узких сечениях А — А и В—В. Возникшая дуга вызывает образование газов (50%СО₂, 40%Н₂, 10% паров Н₂0). Давление в зависимости от отключаемого тока может достигать 10 МПа и более, что обеспечивает быстрое гашение дуги и токоограничивающее действие предохранителя. Для уменьшения возникающего при отключении тока КЗ перенапряжения плавкая вставка имеет несколько суженных мест. При их поочередном плавлении полная длина дугового промежутка вво­дится в цепь не сразу, а ступенями.

Предохранители насыпные типа ПН-2 широко применяются для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В по­стоянного тока и выполняются на номинальные токи 100 — 600 А.

Фарфоровая, квадратная снаружи и круглая внутри, трубка 1 имеет четыре резьбовых отверстия для винтов, с помощью которых крепится крышка 4 с уплотняющей прокладкой 5. Плавкая вставка 2 приварена электроконтактной точечной сваркой к шайбам врубных контактных но­жей 3. Крышки с асбестовыми прокладками герметически закрывают труб­ку. Трубка заполнена сухим кварцевым песком 6. Плавкая вставка выпол­нена из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15 — 0,35 мм и шириной до 4 мм. На вставке сделаны прорези 7, уменьшающие сечение вставки в 2 раза. Для снижения температуры плавления вставки исполь­зуется металлургический эффект — на полоски меди напаяны шарики оло­ва 8, Температура плавления в этом случае не превышает 475 °С. Дуга воз­никает в нескольких параллельных каналах (в соответствии с числом вставок); это обеспечивает наименьшее количество паров металла в канале между зернами кварца и наилучшие условия гашения дуги в узкой щели. Насыпные предохранители, так же как предохранители ПР, обладают токоограничивающим свойством.

Для уменьшения возникающих перенапряжений плавкая вставка имеет по длине прорези, причем их количество зависит от номинального напря­жения предохранителя (из расчета 100—150 В на участок между прорезя­ми). Так как вставка сгорает в узких местах, то длинная дуга оказывается разделенной на ряд коротких дуг, суммарное напряжение на которых не превышает суммы катодных и анодных падений напряжения (§ 4.3). На­полнителем в предохранителях ПН является чистый кварцевый песок (99%Si0₂). Вместо кварца может быть применен мел (СаСО_э), иногда его смешивают с асбестовым волокном. При гашении дуги мел разлагается с выделением углекислого газа С0₂ и СаО — тугоплавкого материала. Ре­акция происходит с поглощением энергии, что способствует гашению дуги. Иногда применяют для засыпки гипс (CaSOJ и борную кислоту.

В насыпных предохранителях вместо фарфоровых трубок могут приме­няться трубки из стеклоткани, пропитанной теплостойкими лаками, из стеатита или литые из пластмасс или изоляционных смол.

Предохранители НПН подобны ПН, но имеют неразборный патрон без контактных ножей и рассчитываются на токи до 60 А. Предельный отклю­чаемый ток в предохранителях ПН-2 достигает 50 кА.

Быстродействующие предохранители для защиты полупроводниковых приборов ПП-41, ПП-57, ПП-71, ПП-59 выполняются с плавкими вставками из серебряной фольги в закрытых патронах с засыпкой кварцевым песком. Они рассчитаны на установку в цепях переменного тока напряжением 380—1250 В и постоянного тока 230—1050 В; номинальные токи 100 — 2000 А, предельные токи отключения до 200 кА. Эти предохранители обладают заметным токоограничивающим действием. Зависимость ограниченного тока /_огр в сети напряжением 660 Вот расчетного тока КЗ 1_К при разных номинальных токах плавкой вставки /_ном для быстродействующего предохранителя ПП-57 показана на рис.9. Чем меньше номинальный ток вставки, тем меньше паров металла в дуге, тем больше сопротивление дуги и больше степень ограничения тока в цепи.

 

 

Рис.9. Характеристика ограничения тока КЗ предохранителем ПП-57

 

 

 

Рис.10. Конструктивная схема жид-кометаллического предохранителя

 

 

В рассмотренных выше предохранителях необходима замена плавкой вставки (плавкого элемента) после ее перегорания, что усложняет эксплуа­тацию. Таким недостатком не обладают жидкометаллические предохрани­тели, которые разрабатываются в последние годы. В изоляционной трубке 8 (рис. 10) канал 2 малого диаметра, заполненный жидким метал­лом (галлий, сплав Ga — In, Sn и др.) из резервуаров 1 и 3, играет роль плавкой вставки. При токе КЗ столбик металла в канале 2 взрывается и дуга в нем гаснет. Возникающее давление действует на мембрану 4, которая воздействует на защелку 5 и расцепляет ее. Пружиной 7 размы­каются контакты 6, обеспечивая разрыв цепи. Металл заполняет канал 2, и предохранитель вновь готов к работе. Для включения его в цепь необхо­димо вручную или приводом дистанционно включить контакт 6.

 

Предохранители серии ПК с мелкозернистым на­полнителем, выполняются на напряжение 3; 6; 10; 35 кВ и номинальные токи 400, 300, 200 и 40 А соответственно. Эти предохранители обладают токоограничивающим эффектом, полное время отключения при токах к.з. 0,005 - 0,007 с.

	1 – торцевая крышка; 2 – латунный колпачок; 3 – фарфоровая трубка; 4 – кварцевый песок; 5 – плавкая вставка; 6 – шарики из олова; 7 – указатель срабатывания.
Рис.1 Предохранитель типа ПК (а - на ток до 7,5 А; б - на ток более 7,5 А)

 

Патрон предохранителя (рис. 1) состоит из фарфоровой трубки, армированной латунны­ми колпачками. Внутри патрона размещены медные или серебря­ные плавкие вставки. Для обес­печения нормальных условий гашения дуги плавкие вставки должны иметь значительную длину и малое сечение. Это до­стигается применением несколь­ких параллельных вставок 5, намотанных на ребристый кера­мический сердечник (рис. 1, а), или, при больших токах, не­скольких спиральных вставок (рис. 1, б). После того как трубка заполнена кварцевым песком, торцевые отверстия за­крываются крышками 1 и тща­тельно запаиваются. Нарушение герметичности, увлажнение пес­ка могут привести к потере спо­собности гасить дугу. Для уменьшения температуры плав­ления плавкой вставки исполь­зован металлургический эффект.

Срабатывание предохранителя определяется по указателю 7, который выбрасывается пружиной из трубки после перегорания стальной вставки, нормально удерживающей пружину в подтянутом состоя­нии. Стальная вставка перегорает после рабочих вставок, когда по ней проходит весь ток. Быстрое гашение дуги в узких каналах между зернами кварца приводит к перенапряжениям, опасным для изоля­ции установки. Для снижения перенапряжений искусственно затягивают гашение дуги, применяя плавкие вставки разного сече­ния по длине или плавкие вставки с искровыми промежутками, включенные параллельно основным рабочим вставкам. В предохра­нителях последней конструкции сначала расплавляется рабочая вставка, при возникшем перенапряжении пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также перегорает. Суммарное время срабатывания предохранителя при больших кратностях токов не превышает 0,008 с.

Разновидностями предохранителей являются ПКУ (усиленный); ПКН (наружный); ПКЭ (для экскаваторов).

Патрон предохранителя ПК вставляется в контакты, укреплен­ные на опорных изоляторах. В зависимости от номинального тока в предохранителе может быть один, два или четыре патрона.

Предохранители серии ПКТ, применяемые для защиты трансформаторов напряжения, в отличие от ПК имеют константановую вставку, намотанную на керамический сердечник. Указатель срабатывания у них отсутствует, о перегорании судят по показаниям приборов, включенных во вторичную цепь трансфор­маторов напряжения.

Благодаря малому сечению плавкой вставки предохранители ПКТ создают значительный токоограничивающий эффект. Они могут быть установлены в сети, где мощность к.з. достигает 1000 MB-А, а для некоторых типов (ПКТУ) отключаемая мощность не ограни­чивается.

Предохранители с автогазовым гашением дуги выполняются на напряжение 10 кВ и выше.

	а) 1 – головка патрона предохранителя; 2, 3 – изолятор; 4 – ось изолятора; 5 – контактный нож; 6 – шейка контактного наконечника; б) 1 – контактный наконечник; 2 – газогенерирующая трубка; 3 – гибкий проводник; 4 – плавкая вставка; 5 – стальная вставка.
Рис. 2 Предохранитель типа ПСН (а – общий вид; б – патрон предохранителя)

 

Для открытых распределительных устройств получили распро­странение стреляющие предохранители типа ПСН (рис. 2).

Основной частью предохранителя является газогенерирующая трубка 2 (рис. 2, б), внутри которой расположен гибкий про­водник 3, соединенный с плавкой вставкой 4 и контактным нако­нечником 1.

Параллельно медной плавкой вставке расположена стальная 5, воспринимающая усилие пружины, стремящейся вытащить гиб­кий проводник. Головка патрона предохранителя 1 зажата специ­альным держателем на изоляторе 2 (рис. 2, а). На нижнем изоляторе на оси 4 укреплен контактный нож 5 со спиральной пружи­ной, которая стремится повернуть нож в положение 5'. Нож охва­тывает шейку контактного наконечника 6.

При коротком замыкании сначала расплавляется медная, за­тем стальная вставка. Под действием пружины нож 5 поворачи­вается и выбрасывает гибкий проводник. Дуга, образовавшаяся после расплавления вставок, затягивается в трубку, где интенсивно выделяется газ. Давление в трубке достигает 1000—2000 Н/см², создается интенсивное продольное автодутье, гасящее дугу. Га­шение сопровождается выбросом раскаленных газов и мощным звуковым эффектом - выстрелом. В связи с этим предохранители ПСН устанавливаются в открытых РУ таким образом, чтобы в зоне выхлопа не было электрических аппаратов.

В процессе отключения длина дуги увеличивается по мере вы­броса гибкой связи, поэтому перенапряжений не возникает.

Плавкая вставка в нормальном режиме нагревается до высо­кой температуры. Чтобы не происходило газообразования, вставка размещена не в трубке, а в металлическом колпаке, закрывающем один конец трубки.

Предохранители ПСН применяются в комплектных трансфор­маторных подстанциях и предназначаются для защиты силовых трансформаторов от токов к.з.