Предохранители, ограничители перенапряжений и разрядники.

Плавкий предохранитель – это электрический аппарат, который в следствии расплавления одного или нескольких специально спроектированных элементов размыкает цепь в которую он включен, отключает ток, превышающий заданное значение в течении достаточно продолжительного времени.

ГОСТ Р 50339.0-2003 – по предохранителям.

Принцип действия основан на тепловом действии электрического тока на сменную плавкую вставку. Предохранители выпускаются на напряжение до 110 кВ.

Виды предохранителей:

1) С открытой плавкой вставкой в воздухе;

2) Закрытые или предохранители с наполнителем;

3) Жидко-металлические самовосстанавливающиеся;

4) Инерционные (способные выдерживать коротковременные перегрузки);

5) Безинерционные.

1- плавкая вставка, 2 – изолирующая трубка, 3 – выводные детали, 4 – колпочки, 5 – наполнитель.

В засыпных предохранителях вставка находится в закрытом патроне, заполненном кварцевым песком или мелом.

В газогенерирующих предохранителях для гашения дуги используются твердые специальные материалы: фибра, винепласт. Газогенерирующие предохранители выполняются с выхлопом и без выхлопа газа из патрона при срабатывании. Предохранители с выхлопом называют стреляющими.

В жидко-металлических или самовосстанавливающихся предохранителях используется жидкий металл (галлий или сплав галлий-индий-олово). При токе к.з. металл из жидкого состояния переходит в парообразное, возникающее при этом давление воздействует на мембрану и через специальный исток воздействует на расцепитель. После срабатывания пары металла вновь переходят в жидкое состояние и предохранитель готов к повторному срабатыванию.

Самовосстанавливающиеся предохранители Polyfuse. В этих предохранителях ничего не перегорает, в них используется специальные полимер с положительным температурным коэффициентам сопротивления. В аварийном режиме полимер нагревается и переходит в аморфное состояние, сопровождающееся увеличением сопротивления, после охлаждения сопротивление полимера вновь понижается. Такие предохранители используются для защиты электроники при напряжении не выше 60В.

Инерционные предохранители имеют 2 вставки разного значения. Выпускаются на токи от 5 до 50А.

Этапы срабатывания предохранителя:

1) Нагрев вставки током до tпл;

2) Плавление и испарение вставки;

3) Возникновение и гашение электрической дуги.

Материалы для изготовления плавких вставок: луженая и посеребренная медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.

Чтобы уменьшить время плавления вставки идут по двум направлениям:

1) Придают плавкой вставке специальную форму;

2) Использование металлургического эффекта.

Вставка перегорает в узком месте много раньше, чем ток к.з. успевает достичь установившегося значения.

Преимущества фигурных плавких вставок (по сравнению с плавкими вставками постоянного сечения):

1) Снижается уровень перенапряжений при срабатывании;

2) Проявляется токоограничивающий эффект;

3) Внутреннее пространство патрона меньше засоряется парами металла;

4) Уменьшаются тепловые потери.

Металлургический эффект заключается в том, что легкоплавкие металлы в расплавленном состоянии способны растворять тугоплавкие. К легкоплавким относятся олово, свинец; к тугоплавким медь, серебро.

Температура нагрева всей вставки при срабатывании оказывается намного ниже tпл тугоплавкого металла.

Характеристики предохранителей:

1) Номинальное напряжение предохранителя – максимальное напряжение электрической цепи, при котором обеспечивается надежное срабатывание предохранителей.

2) Номинальный ток предохранителя – это ток при длительном протекании которого не наблюдается перегрева предохранителя в целом.

3) Номинальный ток плавкой вставки – ток на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы в нормальном режиме.

Обычно в качестве номинального тока плавкой вставки выбирается максимальный рабочий ток с 3х-4х кратным запасом.

4) Номинальный ток отключения – наибольший ток к.з. данной цепи, при котором предохранитель разрывает цепь без каких-либо повреждений, препятствующих его дальнейшей работе после смены его плавкой вставки.

5) Время-токовая характеристика (защитная) – зависимость времени перегорания плавкой вставки предохранителя от значения тока, протекающего через вставку.

1 – обычный предохранитель, 2 – быстродействующий предохранитель.

6) Пограничный ток – ток при котором плавкая вставка в патроне сгорает за промежуток времени достаточный для достижения установившейся температуры.

,

- коэффициент теплоотдачи;

- площадь поверхности охлаждения;

- температура плавления вставки;

- температура окружающей среды;

- удельное электрическое сопротивление материала вставки;

- температурный коэффициент сопротивления.

Пограничный ток нужен для расчета сечения плавкой вставки. Время отключения предохранителя – это полное время срабатывания.

, где

t1 – время нагревания вставки до tпл;

t2 – время перехода металла из твердого состояния в жидкое;

t3 – время гашения дуги.

П1 – предохранитель должен иметь вставку большего сечения, чем предохранитель П2. Полное время работы П2 должно быть меньше времени работы П2. Соответственно предохранители П3 и П4 должны быть рассчитаны на меньший ток, чем предохранитель П2.

Недостатки предохранителей:

1) Одноразовость срабатывания;

2) Независимая работа предохранителей каждой фазы;

3) Сложность обеспечения цепи во всем диапазоне возможных токов;

4) Невозможность проверки токов срабатывания без перегорания плавкой вставки.