Общие сведения

Плавкий предохранитель – электрический аппарат, предназначенный для защиты установки от перегрузок и токов короткого замыкания разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

Основной элемент предохранителя – металлическая плавкая вставка, сгорающая при повышенном токе.

Процесс отключения состоит из нескольких стадий: нагревания вставки до температуры плавления, плавление и испарение вставки, возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующегося изоляционного промежутка.

Плавкие вставки изготовляют из легкоплавких металлов и их сплавов: свинца (200327 °С), цинка (420 °С) или из тугоплавких: меди (1080 °С), реже серебра (960 °С). Наиболее распространенные материалы плавких вставок – медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.

При плавлении на внешней поверхности цинк образует, прочные пленки окисла, внутри которых может находиться жидкий металл. В этих условиях после плавления вставки цепь тока не прерывается, и значение пограничного тока может оказаться неопределенным. Цинк имеет относительно высокий потенциал ионизации (9,4 электрон-вольт), что способствует гашению дуги. Цинк устойчив против коррозии, поэтому сечение плавких вставок из цинка в эксплуатации не изменяется и их защитные характеристики остаются стабильными. Так как цинк и свинец имеют сравнительно высокое удельное электрическое сопротивление, поперечное сечение вставок из этих металлов оказывается значительным.

Медные вставки подвержены окислению их сечение со временем уменьшается, токи и время срабатывания изменяются и перестают соответствовать заданным значениям. Покрытие медных вставок слоем олова (лужение) позволяет сохранить стабильность их сечения и характеристик. Серебряные вставки не окисляются и их характеристики наиболее стабильны.

Если необходимо получить большую выдержку времени предохранителя при перегрузках, применяют плавкие вставки из цинка и свинца. Вставки из серебра и меди дают меньшие выдержки времени.

Алюминиевые плавкие вставки применяются в предохранителях в связи с острым дефицитом традиционных цветных металлов. Высокое сопротивление оксидных пленок на алюминии затрудняет осуществление надежного разъемного контакта. Толстая оксидная пленка образует тугоплавкую оболочку на поверхности вставки и затрудняет ее разрушение при плавлении токами короткого замыкания (жидкий металл удерживается в «трубке» из пленки).

Для снижения электродинамических и термических воздействий на проводники и аппараты защищаемой цепи плавкая вставка должна перегорать в кратчайшее время до возрастания тока до ударного значения, т.е. должна ограничивать ток. Чем меньше время перегорания плавкой вставки и меньше ток при этом, т.е. чем круче ампер-секундная характеристика (рис 4.1.), тем выше токоограничивающее действие предохранителя.

Для сокращения времени плавления вставки ей придают плоскую специальную форму с несколькими суженными участками. При резком увеличении тока процесс нагрева вставки можно считать адиабатическим, т. е. без отдачи тепла, и вставка перегорает в одном или нескольких суженных местах.

Для ускорения плавления используют также «металлургический эффект», который заключается в том, что на медные или серебряные проволоки вставки, обычно включенные параллельно, напаивают небольшие оловянные шарики. При расплаве легкоплавких шариков происходит растворение в них тугоплавкого металла вставки. После перегорания вставки возникает электрическая дуга, которая должна быть погашена за короткое время. Это зависит от конструкции предохранителя и способа гашения.

Для плавкой вставки характерны следующие режимы работы:

1. Нормальный режим, когда температура плавкой вставки не превышает предельно допустимую.

2. Режим перегрузок, приводящий к расплавлению плавкой вставки.

3. Режим КЗ.

При протекании тока по плавкой вставке в течение времени в ней выделяется тепло:

, (1)

где I – действующее значение тока, А; ₀ – сопротивление материала плавкой вставки, ;  – температурный коэффициент сопротивления, ; = – ₀ – перегрев проводника относительно окружающей среды, где  и ₀ – температура проводника и окружающей среды, °С; l – длина плавкой вставки, м; q – сечение плавкой вставки, мм².

Часть этого тепла идет на нагрев плавкой вставки и повышение её температуры:

, (2)

где G – масса плавкой вставки, кг; c – удельная теплоемкость материала проводника, Дж/кг°С. Остальное тепло отводится с поверхности проводника путем излучения, конвекции, теплопроводности.

Энергия, отводимая с поверхности плавкой вставки за счет всех видов теплоотдачи,

. (3)

Уравнения теплового баланса для нормального режима работы запишем в следующем виде:

(4)

или

. (5)

Решив это дифференциальное уравнение, получим:

, (6)

где А – постоянная интегрирования, зависящая от начальных условий, при t = 0  = 0, т.е. в начальный момент нагревания плавкая вставка имеет температуру окружающей среды ₀.

Тогда при t = 0

. (7)

Отсюда следует, что нагрев плавкой вставки происходит по экспоненциальной кривой, рис.1.

По (6) можно определить температуру плавкой вставки в любой момент времени с начала прохождения тока. Величина называется постоянной времени нагрева. Она зависит от размеров поверхности, свойств проводника и не зависит от времени, температуры. Постоянную времени определяют как подкасательную ОТ, построенную к кривой нагрева. Сама касательная ОВ к кривой характеризует подъем температуры при отсутствии теплоотдачи.

Рис. 1. Зависимость нагрева плавкой вставки

По уравнению (6) при t= вычисляют номинальный установившийся ток плавкой вставки, определяющийся предельно допустимой температурой плавкой вставки _{пред.доп} (_{пред.доп} для меди – 250 °С, цинка – 200 °С, свинца – 150 °С). При небольших перегрузках (1,5–2)I_н нагрев плавкой вставки происходит медленнее, чем при КЗ. Процесс происходит с отдачей тепла в окружавшую среду, что необходимо учитывать при определении времени срабатывания плавких вставок при протекании по ним токов перегрузки.

В предохранителях с закрытыми разборными патронами из фибры без наполнителя (тип ПР) дуга гаснет за счет высокого давления (1000 Н/см² и более) и свойств среды, возникающих в патроне при горении дуги и разложении фибры (50 % СО₂, 40 % На). В предохранителях с наполнителем (обычно кварцевым песком) типа ПН дуга гаснет благодаря интенсивному охлаждению ствола дуги наполнителем и давлению, создаваемому дугой в узких каналах наполнителя.

Предохранители характеризуются следующими показателями.

Номинальным током плавкой вставки I_ном, т. е. током, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы (при его протекании вставка не должна перегорать).

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 (при котором токоведущие и контактные части предохранителя нагреваются до допустимой температуры).

Независимо от конструкции, работа предохранителя характеризуется так называемой защитной или ампер-секундной характеристикой предохранителя, которая представляет собой зависимость времени плавления плавкой вставки от величины протекающего через нее тока, рис. 2.

Наибольший ток, при котором вставка не перегорает в течение 12 ч, называют минимальным плавящим током I_пл.min или пограничным током I_погр. Его значение зависит от сечения вставки, материала и ее длины, от конструкции предохранителя, окружающей температуры и обычно нормируется.

Рис. 2. Ампер-секундная характеристика

Номинальный ток плавкой вставки должен быть меньше пограничного тока приблизительно в 1,31,4 раза меньше для предотвращения отключения цепи при нестабильности ампер-секундной характеристики вставки вследствие окисления металла вставки, повышения переходного сопротивления контактов и т.п.

Величина минимального плавящего тока, при котором плавкая вставка не должна перегорать в течение 1–2 часов:

I_пл.min = (1,3–1,4)I_ном .

Величина максимального тока, при котором плавкая вставка должна расплавиться за время до 2 часов:

I_пл.max = 1,6I_ном .

Величина пограничного тока зависит от многих факторов, главнейшие из которых конфигурация плавкой вставки и конструкция предохранителя.

Длительность перегорания плавкой вставки существенным образом зависит от степени перегрузки. Так, при небольших перегрузках большое влияние на длительность перегорания оказывают массивность и степень поджатия контактов, температура и быстрота движения окружающего вставку воздуха, состояние поверхности, химический состав материала вставок.

Роль перечисленных факторов при токах короткого замыкания практически не сказывается на времени перегорания плавкой вставки.

Рис. 3. Согласование защитных характеристик предохранителя и защищаемого объекта

Характеристика (кривая 1) располагается несколько ниже характеристики защищаемого объекта (кривая 2) при любом значении тока в цепи (рис. 3). Однако реальная характеристика предохранителя (кривая 3) пересекает кривую 2. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

Предохранитель состоит из корпуса или несущей детали, плавкой вставки, контактного присоединительного устройства, дугогасительного устройства или дугогасительной среды.

По принципу устройства предохранители можно разделить на следующие виды: с открытой плавкой вставкой в воздухе; закрытые предохранители с наполнителем (засыпные); жидкометаллические и инерционные.

Предохранители разборного типа без наполнителя способны отключать токи до 1020 кА при напряжении источника 220500 В, а с наполнителем до 100 кА при напряжении сети 380 В [29].

В закрытых предохранителях, выполненных в виде фибровой трубки, закрытой с концов латунными колпаками, гашение дуги осуществляется в результате повышения давления внутри трубки из-за разложения фибры. В засыпных предохранителях возникшая при плавлении вставок электрическая дуга тесно соприкасается с мелкими зернами наполнителя (кварцевый песок), интенсивно охлаждается, деионизируется и поэтому быстро гаснет.

П редохранители серии ПР-2 (рис. 4.3.) имеют закрытые разборные патроны без наполнителя, изготовляются на напряжение 220 В и напряжение 500 В. Номинальные токи патронов 15–1000 А. Номинальные токи вставок 6–1000 А.

Трубчатый патрон предохранителя состоит из фибрового цилиндра 1 (рис. 4.), латунных втулок 3, имеющих прорезь для плавкой вставки 2, и латунных колпачков 5.

Плавкая вставка 2 изготовляется из цинка, стойкого против коррозии. Вставка выполняется в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках. Такая конструкция вставки позволяет снизить время ее перегорания при протекании больших токов и, кроме того, повысить отключающую способность предохранителя в результате снижения количества паров металла в дуге при перегорании вставки (вставка перегорает лишь в суженных местах).

В предохранителях с I_ном патрона 15–60 А латунные колпачки 5 являются контактными частями предохранителя, а у предохранителей с I_ном от 100 А и выше контактными частями являются медные ножи 6.

Предохранители насыпные типа ПН-2 (рис. 5) широко применяются для зашиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В постоянного тока, имеют номинальные токи патронов 40–600 А; номинальные токи вставок 6–600 А.

Наполненные предохранители выполняются из фарфоровой, квадратной снаружи и круглой внутри трубки 1. Трубка имеет четыре резьбовых отв ерстия 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. Наполнителем в предохранителях ПН является чистый кварцевый песок (99 % SiO₂). Вместо кварца может быть применен мел (СаСО₃), иногда его смешивают с асбестовым волокном. При гашении дуги мел разлагается с выделением углекислого газа СО₂ и СаО - тугоплавкого материала. Реакция происходит с поглощением энергии, что способствует гашению дуги. Иногда применяют для засыпки гипс (СаSO₄) и борную кислоту.

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

Предохранители низкого напряжения изготовляют на токи от миллиампер до тысяч ампер и на напряжения 250, 500 и 660 В.

Плавкие предохранители не имеют размыкающих контактов и приводов, поэтому их применяют в сочетании с простейшими отключающими аппаратами для оперативной коммутации цепей: рубильниками, контакторами.

Основные достоинства предохранителей это простота и компактность конструкции, экономичность, а недостатки необходимость замены перегоревшей вставки, невозможность автоматического повторного включения (АПВ) отключившегося присоединения, ограниченная селективность (избирательности) действия.

Высоковольтные предохранители

Предохранители выше 1000 В аналогичны рассмотренным выше, но работают при более тяжелых условиях гашения дуги, это определяет их конструктивные особенности.

В современных конструкциях в основном применяется гашение дуги в узких каналах при высоком давлении (предохранители с мелкозернистым наполнителем) и гашение дуги при помощи автогазового или жидкостного дутья.

Предохранители серий ПК и ПКТ с мелкозернистым наполнителем (в виде кварцевого песка) состоят из герметичной фарфоровой трубки, армированной латунными контактными колпачками. Внутри трубки расположены медные посеребренные или плавкие константановые проволочные вставки: Для улучшения условий гашения дуги вставки должны иметь достаточно большую длину и малое сечение. Это достигается применением нескольких параллельных вставок в виде спиралей-пружин (ПК) или спиралей намотанных на ребристый керамический сердечник (ПК, ПКТ). Для уменьшения температуры плавления вставки при перегрузках и для увеличения токоограничивающего действия при коротких замыканиях на вставки напаивают оловянные шарики, создающие «металлургический эффект».

При расплавлении вставки дуга горит в узком канале, образованном испарившимся металлом плавкой вставки. Тесное соприкосновение дуги с окружающим ее кварцем в условиях высокого давления, образовавшегося за счет паров металла, ускоряет ее гашение. Предохранители ПК и ПКТ имеют указатели, которые выбрасываются специальной пружиной из трубки при перегорании вставки.

Рис. 6. Высоковольтные предохранители ПК и ПКТ

1 – крышка; 2 – кварцевый песок; 3 – плавкая ставка; 4 – кожух;

5 – указатель срабатывания

При перегорании предохранителя в момент испарения «взрыва» пары металла обладают свойствами диэлектрика, вследствие чего ток мгновенно обрывается, и могут возникнуть перенапряжения (до 4,5–5U_ф), способные пробить газовый промежуток. Для снижения перенапряжения применяют вставки, состоящие из двух последовательно соединенных вставок разных сечений. Вначале перегорает вставка с меньшим сечением, потом вставка с большим сечением. Это приводит к некоторому замедлению отключения и снижению перенапряжения.

Предохранители серии ПК предназначены для защиты силовых цепей напряжением до 35 кВ, их изготовляют на номинальные токи до 400 А мощностью отключения S_отк=200 тыс кВА, (S_отк= U_номI_отк).

Предохранители серии ПКТ предназначены для защиты измерительных трансформаторов напряжения до 35 кВ, мощностью отключения 1000 MBА и более.

Рис. 7. Предохранители с автогазовым гашением дуги (стреляющие)

1 – патрон; 2 – плавкая вставка; 3 – металлическая проволока; 4 – гибкий проводник;

5 – наконечник; 6 – скоба; 7 – контактная скоба; 8 – держатель; 9 – штыревой изолятор

Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги выполняют с короткой плавкой вставкой, которая состоит из медной токоведущей части и стальной удерживающей части, рис. 7.

После перегорания сначала медной, а затем стальной части дуговой промежуток удлиняется с помощью пружин или давления образующихся газов. Дуга втягивается в дугогасящую или газогенерирующую среду и под действием газового или жидкостного дутья гаснет.

В стреляющих предохранителях типа ПСН, используемых в установках 10, 35 и 110 кВ, дуговой промежуток, возникающий при сгорании плавкой вставки, удлиняется пружиной ножа, а дуга затягивается в канал газогенерирующей трубки и гасится мощным продольным дутьем газов, выбрасываемых из трубки со световым и звуковым эффектом.