Контрольные вопросы и задания

1. Каково назначение разъединителей, отделителей и короткозамыкателей?

2. Какие требования предъявляются к конструкции разъединителей?

3. В чем состоит назначение и принцип действия магнитного замка?

4. Объясните конструкцию разъединителей типа РВК, РЛНД, и преимущества разъединителей РПГ.

5. Каково назначение заземляющих ножей разъединителей?

6. В чем состоит основное отличие отделителя обычного исполнения от разъединителя?

7. При помощи каких приводов можно управлять разъединителями, отделителями и короткозамыкателями?

8. Каковы основные отличия выключателей нагрузки от разъединителей, от выключателей?

9. Расскажите об устройстве выключателя нагрузки ВНП-16.

10. Объясните назначение отключающих пружин и буферов.

11. Объясните процесс гашения дуги.

Работа 6. Плавкие предохранители

Содержание работы

1. Изучить конструкцию плавких предохранителей.

2. Изучить процессы гашения дуги в предохранителях разных типов.

3. Изучить работу предохранителей при отключении больших и малых токов.

Общие сведения

Высоковольтные токоограничивающие предохранители – аппараты массового применения, предназначенные для защиты воздушных и кабельных линий, силовых трансформаторов от 10 до 1000 кВА при 6…10 кВ, 1600 кВА при 35 кВ, электродвигателей до 2000 кВт, конденсаторов до 150 квар и другого оборудования. В установках напряжением 6…10 кВ устанавливаются: в комплектных распределительных устройствах в цепях линий, измерительных трансформаторов напряжения; в устройствах высокого напряжения цеховых и городских подстанций. В установках напряжением 35…110 кВ могут устанавливаться в распределительных устройствах высшего напряжения трансформаторных подстанций с мощностью трансформатора до 4000 МВА. Пример установки предохранителя в распределительном устройстве представлен на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Расположение высоковольтного предохранителя в распределительном устройстве

Предохранители закрытые, фибровые, типа ПР (П – предохранитель, Р – разборный) изготовляют на номинальные напряжения до 500 В и номинальные токи до 1000 А. Предохранитель (рис. 5.9а) состоит из фибрового патрона 3 с напрессованными на концах латунными обоймами 2, на которые навинчены латунные колпачки 1, плавкой вставки 4, присоединенной к контактным ножам 5. Колпачки 1 поддерживают контактные ножи и плотно закрывают торцы патрона. Плавкая вставка из цинка имеет два или несколько сужений. При соответствующем токе вставка плавится в месте сужения, зажигается дуга, под действием высокой температуры которой из стенок фибрового патрона выделяются газы (водород, углекислый газ). Давление внутри патрона достигает нескольких мегапаскалей, и дуга быстро гаснет. Эти предохранители являются токоограничивающими и инерционными.

Инерционность предохранителей типа ПР объясняется тепловыми процессами в фигурной плавкой вставке при нагревании ее током. Если ток относительно невелик, наиболее нагретой частью вставки является место перехода от самой узкой части к широкой (зона А). В этой зоне вставка и расплавляется. При резком увеличении тока тепло, выделяемое в самых узких частях вставки, за счет тепловой инерции не успевает отводиться к более широким частям и вставка перегорает в самых узких частях.

Н аполненные предохранители типа ПН-2 изготовляют на напряжение до 500 В и номинальные токи – до 1000 А (рис. 5.9б).

Рис. 5.9. Предохранитель: а – патрон предохранителя с закрытой фибровой трубкой типа ПР; б – предохранитель наполненный типа ПН-2: 1 – колпачок; 2 – обойма; 3 – фибровый патрон; 4 – плавкая вставка; 5 – контактный нож; 6 – фарфоровый корпус; 7 – заполнитель (кварцевый песок); 8 – крышка; 9 – контактные стойки; 10 – оловянные шарики

Предохранитель состоит из квадратного фарфорового патрона, двух металлических крышек, прикрепленных винтами к торцам фарфорового патрона, двух контактных ножей и плавких вставок, укрепленных на ножах. Внутренняя полость патрона, имеющая цилиндрическую форму, наполнена сухим кварцевым песком.

Плавкие вставки штампуются из тонкой медной ленты. На ее средней части напаян оловянный шарик.

Медь интенсивно окисляется, а ее окись стабильна вплоть до температуры плавления меди. Благодаря стабильности пленка могла бы быть защитной, если бы не механические повреждения, возникающие при изменении температуры и препятствующие адгезии пленки к чистому металлу. Вследствие воздействия этих сил окисная пленка растрескивается и отслаивается, облегчая тем самым развитие коррозии. Для предотвращения этого разрушительного явления традиционно используется гальваническое серебрение. Это обусловлено тем, что серебро имеет высокую и стабильную электрическую проводимость. Серебряные плавкие элементы хорошо работают в непрерывном режиме, при циклических нагрузках и перегрузках, на воздухе и в песчаном наполнителе. После окончания этих воздействий электрическое сопротивление серебряного плавкого элемента возвращается к исходному значению. Плавкие элементы из серебра имеют максимальный, по сравнению со всеми другими использующимися материалами, срок службы. Серебро обладает физическими свойствами, положительно влияющими на защитные характеристики предохранителей – низкие значения удельной теплоемкости, удельной теплоты плавления, удельной теплоты испарения, удельного сопротивления, интеграла плавления, высокий потенциал ионизации и т.д. Серебро обладает хорошими технологическими свойствами: легко поддается точной штамповке, сварке и пайке, не требует при этом дополнительной обработки. При воздействии высоких температур серебро может окисляться, но окислы серебра неустойчивы, и при температуре выше 180 С они восстанавливаются до чистого серебра. Дуга, возникающая после перегорания плавкой вставки, оказывается стесненной в узком канале между песчинками. За счет интенсивной поверхностной рекомбинации сопротивление дуги увеличивается и ток короткого замыкания, не достигнув максимального (ударного) значения, быстро снижается до нуля. Таким образом, кварцевые предохранители являются токоограничивающими. Контактные ножи предохранителя врубаются в штампованные медные контактные стойки, укрепленные на изоляционной плите. Давление в контактах создают стальные пружинные кольца.

Основными техническими характеристиками плавкого предохранителя являются: номинальное напряжение предохранителя U_h; номинальный ток предохранителя I_h; номинальный ток плавкой вставки предохранителя I_hв, А; номинальный ток отключения предохранителя I_hотк, кА.

В один и тот же корпус предохранителя могут быть установлены плавкие элементы на различные номинальные токи, поэтому предохранитель характеризуется двумя параметрами – I_h и I_hв, при этом всегда выполняется условие I_h > I_hв.

Фарфоровый или стеклянный патрон предохранителя, заполненный кварцевым песком, армирован по концам латунными колпачками, являющимися одновременно контактами, которые вставляются в пружинные держатели, укрепленные на опорных изоляторах. К колпачкам припаяны плавкие вставки. Патрон предохранителя герметически запаян.

Плавкие вставки на номинальные токи до 7,5 А наматывают на керамический ребристый сердечник. Предохранители на токи свыше 7,5 А выполняют без сердечников.

Для снижения перенапряжений, возникающих при гашении дуги, плавкие вставки по длине выполняют из проводников различного сечения. В местах их соединения напаивают шарики из олова. При незначительном увеличении аварийного тока (перегрузка) плавкая вставка сравнительно медленно и равномерно по всей длине нагревается до температуры плавления олова (505 К). При этом твердая медь вставки растворяется в жидком олове (металлургический эффект). Дальнейшее нагревание приводит к испарению раствора меди в олове, и в месте пайки загорается дуга короткой длины. Перенапряжения, возникающие при зажигании этой дуги, не опасны для изоляции электроустановки.

При быстром нарастании аварийного тока (короткое замыкание) плавкая вставка за счет тепловой инерции разогревается неравномерно. Наибольшее выделение тепла происходит в проводнике меньшего сечения. Эта часть вставки практически мгновенно (2…4 мкс) разогревается до температуры плавления меди, расплавляется и испаряется. На месте испарившегося проводника зажигается дуга, обусловленная коммутационным перенапряжением, пропорциональным длине дуги. Если после этого аварийный ток продолжает увеличиваться, то происходит последующее расплавление проводника большого сечения и его испарение, также сопровождающееся перенапряжением. Таким образом, при срабатывании таких предохранителей наблюдается двукратное перенапряжение, но ограниченное значением 2,5 U_н.

Предохранители типа ПКТ снабжены указателем срабатывания.

Кварцевые предохранители типа ПКН (токоограничивающий) с одной плавкой вставкой из высокоомного материала (константана) служат для защиты трансформаторов напряжения и отличаются от предохранителей типа ПК меньшими размерами и отсутствием указателя срабатывания.

В кварцевых предохранителях большая длина намотанного на сердечник плавкого элемента увеличивает габариты предохранителя. Кроме того, круглое сечение проволочных ПЭ обусловливает минимальное отношение периметра ПЭ к его сечению, снижает плотность номинального тока и приводит к необходимости увеличения количества параллельно включенных ПЭ, что в свою очередь приводит к увеличению количества патронов в предохранителе. Для улучшения удельных параметров предохранителей в новых конструкциях плавкий элемент выполнен из круглой, специальным образом прокатанной проволоки в виде повторяющихся одинаковых участков, состоящих из двух переходящих одна в другую частей.

Рис. 5.10. Патрон высоковольтного токоограничивающего предохранителя (ПКГ)

Сечение первой плавно увеличивается в осевом направлении от минимального до максимального значения с последующим плавным уменьшением вновь до минимального, а отношение периметра плавкого элемента к его сечению в осевом направлении плавно меняется от минимального значения в максимальном сечении до максимального – в минимальном. Сечение второй части минимальное, при этом отношение максимального значения сечения к минимальному составляет 1,3…1,5, а отношение длины всего участка к длине его части с минимальным сечением 5…10 – в зависимости от длины проволоки. Высоковольтный токоограничивающий предохранитель (рис. 5.10) содержит заполненный кварцевым песком изоляционный корпус 1, закрытый по концам колпачками 2, внутри которого размещена плавкая вставка 3. Плавкая вставка 3 представляет собой сердечник 4, с намотанным на него по спирали плавким элементом 5, выполненным из круглой проволоки. При возникновении короткого замыкания первыми одновременно расплавляются и испаряются участки ПЭ 5 с минимальным сечением. При этом не происходит резкого обрыва тока. Ток в течение некоторого времени продолжает нарастать до расплавления участков с максимальным сечением, а затем начинает плавно уменьшаться до нуля. Напряжение на дуге развивается плавно и не превышает допустимых значений. При отключении токов перегрузки расплавление происходит в том месте, где температура имеет наибольшее значение, а именно там, где минимальное сечение начинает переходить в максимальное, так как отношение периметра плавкого элемента к его сечению в осевом направлении плавно изменяется от максимального значения в минимальном сечении до минимального – в максимальном. Плотность тока плавно изменяется от максимальной в минимальном сечении до минимальной – в максимальном. Возникшая затем дуга развивается в сторону минимального сечения, являющегося своего рода радиатором. Напряжение на ней быстро растет, приводя к быстрому ее погасанию. При такой форме ПЭ, его часть с максимальным сечением, как правило, остается нерасплавленной.

Указания к выполнению работы

1. Ознакомиться с техническими данными предохранителей и записать их в протокол.

2. При изучении конструкции предохранителей обратить внимание на форму плавкой вставки предохранителя типа ПР, на наличие оловянных шариков на вставках предохранителей с кварцевым наполнителем, на различное сечение плавкой вставки по длине, на наличие нескольких параллельных вставок.

3. Изучить работу предохранителей и процесс гашения дуги в них. Особое внимание обратить на инерционность предохранителя типа ПР, на использование металлургического эффекта, на способность предохранителей ограничивать ударное значение тока короткого замыкания, на процесс гашения дуги.

4. Изучить новые конструкции токоограничивающих предохранителей.

Контрольные вопросы и задания

1. Каково назначение плавких предохранителей и в сочетании с какими другими аппаратами их применяют?

2. Какие качества предохранителя типа ПР зависят от формы его плавкой вставки?

3. Объясните конструкцию предохранителя типа ПР и процесс гашения дуги в нем.

4. Объясните конструкцию кварцевых низковольтных предохранителей и процесс гашения дуги в них.

5. Объясните конструкцию кварцевых предохранителей типа ПК и процесс гашения дуги в них.

6. Как устроен указатель срабатывания предохранителя типа ПК? 7. Чем объясняется свойство токоограничения в кварцевых предохранителях?

8. Объясните конструкцию стреляющих предохранителей и процесс гашения дуги в них.