1. Предохранители низкого напряжения

Предохранители с закрытыми разборными патронами без наполнителя типа ПР-2 (рисунок 1.3) 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 рисунок 1.3, 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 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.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений. Суженные участки вставки способствуют быстрому её плавлению при КЗ и создают эффект токоограничения.

Рассмотрим вставку с четырьмя перешейками. После их перегорания образуются четыре разрыва. На каждом катоде разрыва восстанавливается электрическая прочность около 200 В, а суммарная прочность предохранителей достигает 800 В. Это явление наряду с высоким давлением позволяет надежно гасить дугу при напряжении источника до 500 В.

Так как давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки, то оно может достигать больших значений, поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы.

При перегрузках нагрев узких участков происходит быстрее, и вставка плавится в самом горячем месте (сечение А-А, рисунок 1.3, б).

При КЗ вставка плавится в узких сечениях. Возникшая дуга вызывает образование газов (50%СО2, 40%Н2, 10% паров Н2О). 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 (рисунок 1.4 а)- 1.4) широко применяются для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В постоянного тока и выполняются на номинальные токи 100-600 А.

Корпус квадратного сечения 1 (рисунок 1.4 а)) предохранителя типа ПН-2 (рисунок 1.4 а)) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2 (рисунок 1.4 а)) и наполнитель – кварцевый песок 3 (рисунок 1.4 а)). Плавкие вставки привариваются к диску 4 (рисунок 1.4 а)), который крепится к пластинам 5, связанным с ножевыми контактами 9 (рисунок 1.4 а)). Пластины 5 (рисунок 1.4 а)) крепятся к корпусу винтами

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1-0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8 (рисунок 1.4 а)). Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (рисунок 1.4 а)).

При КЗ вставка сгорает, и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. 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 (рисунок 1.4 а)) заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины 5 (рисунок 1.4 а)) кладётся асбестовая прокладка 6 (рисунок 1.4 а)), что предохраняет песок от увлажнения.

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-2 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 (СаSО4) 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, не имеют неразборный патрон без контактных ножей и рассчитываются на токи до 60 А. Предельный отключаемый ток в предохранителях ПН-2 достигает 50 кА.

Предохранители серии ПП-31 с алюминиевыми вставками на номинальные токи 63- 1000 А (предельный ток отключения до 100 кА при напряжении 660 В) разработаны взамен предохранителей серии ПН-2.

Защитная характеристика этих предохранителей показана на рисунке 1.5.

Предохранители серии ПП-17 изготовляются на токи 500-1000 А, напряжение переменного тока 380 В и постоянного тока 220 В. Предельная отключающая способность их 100—120 кА.

Предохранитель состоит из плавкого элемента, помещенного в керамический корпус, заполненный кварцевым песком, указателя срабатывания и свободного контакта. При расплавлении плавкого элемента предохранителя перегорает плавкий элемент указателя срабатывания, освобождая взведенный при сборке указателя боек, который переключает свободный контакт. Последний замыкает цепь сигнализации положения предохранителя.

Малая тепловая инерция, быстрый прогрев полупроводникового перехода крайне затрудняют защиту мощных диодов, тиристоров и транзисторов при токовых перегрузках. Поэтому для их защиты разработаны специальные быстродействующие предохранители. По времени протекания тока t 0,02 с процесс нагрева прибора протекает по адиабатическому закону. Для удобства согласования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие интеграла Джоуля:

Для эффективной защиты необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоулева интеграла защищаемого прибора, поэтому предохранитель должен работать с большим токоограничением. Для этого плавкая вставка выполняется из серебра, имеет перешеек с минимальным сечением и охлаждается кварцевым наполнителем.

Для улучшения охлаждения при больших номинальных токах плавкая вставка выполняется из ленты толщиной 0,05-0,2 мм. При больших токах вставка имеет несколько параллельных ветвей.

Для уменьшения времени горения дуги плавкая вставка имеет большое число перешейков. Число их ограничивается перенапряжением, которое возникает при отключении цепи.

Конструктивно быстродействующий предохранитель представляет собой корпус из прочного фарфора, внутри которого расположены плавкие вставки и кварцевый песок.

Выпускается серия быстродействующих предохранителей ПП-57 на номинальные токи 40-800 А и ПП-59 на номинальные токи 250-2000 А. Номинальные напряжения составляют до 1350 В переменного и до 1050 В постоянного тока.

Быстродействующие предохранители предназначены только для защиты от КЗ. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами. 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 I_огр в сети напряжением 660 В от расчетного тока КЗ I_к. при разных номинальных токах плавкой вставки I_ном для быстродействующего предохранителя ПП-57 показана на рисунке 1.6. Чем меньше номинальный ток вставки, тем меньше паров металла в дуге, тем больше сопротивление дуги и больше степень ограничения тока в цепи.

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 (рисунке 1.7) канал 2 малого диаметра, заполненный жидким металлом (галлий, сплав Gа - 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.

При протекании большого тока жидкий металл в нем испаряется, образуется паровая пробка и электрическая цепь размыкается. После определенного времени пары металла конденсируются и контакт восстанавливается. Предельный отключаемый ток достигает 250 кА при напряжении 450 В переменного тока. Предохранители работают многократно с большим токоограничением.

Номинальный ток плавкой вставки выбирается так, чтобы в нормальном режиме и при допустимых перегрузках отключения не происходило, а при длительных перегрузках и КЗ цепь отключалась возможно быстрее. При этом соблюдаются условия избирательности защиты.

Номинальный ток предохранителя согласуется с выбранным номинальным током плавкой вставки. Предохранители, выбранные по нормальному режиму, проверяются по предельно отключаемому току: