Глава 5
Предохранители плавкие
5-1.НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Предохранитель —коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную.) Эта операция производится вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.
Рис. 5-1. Времятоковая характеристика предохранителей серии ПН-2
Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили очень широкое их применение. Предохранители низкого напряжения изготовляются на токи от миллиампер до тысяч ампер и на напряжение до 660В, а предохранители высокого напряжения —до 35кВ и выше.
Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако несмотря на это, все они имеют следующие основные [элементы: корпус или несущую деталь, плавкую вставку, контактное присоединительное устройство, дугогасительное устройство или дугогасительную среду.
Важнейшей характеристикой предохранителя является зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока времятоковая характеристика (рис. 5-1).
Предохранитель работает в двух резко отличных режимах:в нормальных условиях ив условиях перегрузок и коротких замыканий. В первом случае нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называютноминальным током плавкой вставки 1ном..Он может быть отличным от номинального тока самого предохранителя.
Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя,указанный на нем, равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.
Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток неплавления -ток, при протекании которого в течение определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, иусловный ток плавления —ток, при протекании которого в течение скрепленного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63—100А плавкие вставки не должны перегореть при протекании тока 1,3 Iномв течение одного часа, а при токе 1,6Iномдолжны перегореть за время до одного часа.
При токах, превышающих условный ток плавления, предохранитель должен сработать в соответствии с времятоковой характеристикой. С ростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока Для получения такой характеристики придают вставке специальную форму или используют металлургический эффект.
Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 5-2, а), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженных участках выделяется больше теплоты, чем на широких. При номинальном токе избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распространиться к более широким частям, и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I≈I∞max) нагрев суженных участков идет быстрее; так как только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис. 5-2,б). При коротком замыкании (I>>I∞) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или в нескольких суженных местах (рис. 5-2, в).
Рис. 5-2. Распределение температур (а) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б) и при коротких замыканиях (в).
Во многих конструкциях плавкой вставке 1 придается такая форма (рис 5-3 а) при которой электродинамические силы F, возникающие при токах короткого замыкания, разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться На рисунке место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения. При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится в суженном месте. В конструкции, показанной на рис. 5-3,б ускорение отключения цепи при перегрузках и коротких замыканиях достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку; при размягчении-металле на суженных участках до того, как происходит плавление этих участков.
Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Полученный таким образом раствор обладает иными характеристиками, чем исходные материалы (например большим электрическим сопротивлением и пониженной температурой плавления) Указанное явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок.
Рис. 5-3. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом.
Для ускорения плавления вставки при перегрузках и снижения общей температуры всей вставки при ее плавлении на проволоки напаиваются небольшие оловянные щарики. При токах перегрузки, когда температура вставки достигает температуры плавления олова, шарик, расплавляется и растворяет, часть металла, на котором он напаян. Происходит местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления-металла, в этом месте. Вставка перегорает в том месте, где был наплавлен шарик. При этом температура всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В номинальном режиме шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки.
Этот способ получения требуемой времятоковой характеристики может применяться при тонких вставках, например при диаметре шарика 1мм для проволок диаметром 0,3мм и диаметре шарика до 2мм при более толстых проволоках. При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается и практически не сказывается.
Рассмотренные способы ускорения перегорания вставки при токах перегрузки и коротких замыканиях обусловливают одно весьма существенное достоинство плавких предохранителей -ихтокоограничивающее действие.Плавкая вставка перегорает много раньше, чем ток в цепи при коротком замыкании успевает достигнуть установившегося значенияiуст.Таким образом, ток короткого замыкания ограничивается в 2—5раз и тем самым снижается разрушительное действие электродинамических сил. Если при возможном установившемся токе короткого замыкания 25кА плавкая вставка перегорела при 8кА, то значение электродинамических сил в цепи ограничено более чем в 9раз. Токоограничивающее действие плавких вставок с использованием металлургического эффекта ниже, чем при других способах токоограничения.
Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно быть осуществлено в возможно короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя и принятого способа гашения. Наибольший ток, который плавкий предохранитель может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, препятствующих его дальнейшей исправной работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключенияпредохранителя.
В современных предохранителях с закрытыми патронами без наполнителя дуга гасится за счет высокого давления, возникающего в патроне вследствие появления дуги, а при наличии наполнителя —за счет интенсивного охлаждения дуги наполнителем и высокого давления, вызываемого дугой в узких каналах наполнителя. При этом гашение дуги происходит в ограниченном объеме патрона предохранителя. За пределы патрона не выбрасываются ни пламя дуги, ни ионизированные газы.
Достаточно совершенная система дугогашения совместно с токоограничивающим действием вставки обусловливают неограниченную отключающую способность плавких предохранителей. Это не значит, что предохранители могут отключать сколь угодно большие токи короткого замыкания. Неограниченную отключающую способность следует понимать так: плавкие предохранители могут применяться для защиты цепей, в которых установившийся ток короткого замыкания мог бы достигнуть очень больших значений (в современных крупных энергоустановках можно предполагать 200-500кА). Плавкие вставки изготовляют из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди, серебра и др. Вставки из легкоплавких металлов (свинец, цинк -температура плавления 200-420°С) позволяют получить невысокую температуру всего предохранителя, однако они обладают невысокой проводимостью и получаются значительных сечений, особенно при больших номинальных токах. Широко распространены цинковые вставки. Пары цинка имеют относительно высокий потенциал ионизации, что способствует гашению дуги. Вставки из меди и серебра получаются меньшего сечения, но недостатком их является высокая температура плавления, что приводит при токах перегрузки к сильному нагреву и быстрому разрушению деталей предохранителя. Медные плавкие вставки должны обязательно иметь антикоррозионное покрытие. В противном случае окисление приведет к постепенному уменьшению сечения вставки и несвоевременному перегоранию.
Применение параллельных плавких вставок (при больших токах) позволяет при том же суммарном поперечном сечении их получить большую поверхность охлаждения, тем самым улучшить условия охлаждения вставок и лучше использовать объем наполнителя (в предохранителях с наполнителем).
5-2.КОНСТРУКЦИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Пример конструкции предохранителя со сменными плавкими вставкамиобщего назначения без наполнителя приведен на рис. 5-4.Такие предохранители изготовляются на напряжение до 500В и токи до 1000А. Гашение дуги у них происходит за счет высокого давления (до 10МПа и более), возникающего вследствие газогенерации из стенок трубок при высокой температуре электрической дуги. Другая характерная конструкция предохранителей —резьбовая. Примером современной конструкции с наполнителем является приведенный на рис. 5-5предохранитель серии ПН-2.
Предохранители серии ПН-2предназначены для защиты силовых цепей до 500В переменного тока и 440В постоянного тока, они выполняются на номинальные токи 100, 250, 400и 630А, обладают токоограничивающим действием и высокой разрывной способностью.
Рис. 5-4. Предохранители серии ПР-2: а — общий вид; б, в — патроны на номинальные токи 15—63 А и 100—1000 А; г — формы плавких вставок
1 - неподвижные контактные стойки; 2 - патрон; 3 - фибровая (газогенерирующая) трубка; 4 - плавкая вставка; 5 - латунная втулка; б - латунные колпачки (подвижный контакт); 7 - контактный нож
Рис. 5-5. Предохранители серии ПН-2: а — общий вид и детали; б — разрез
Корпус 1(рис. 5-5) представляет собой глазурованную квадратную снаружи, круглую внутри фарфоровую трубку с четырьмя резьбовыми отверстиями с каждого торца. В трубку введен узел с плавкой вставкой 2,приваренной электроконтактной точечной сваркой к шайбам врубных контактных выводов 3.Контактный узел с каждого торца трубки крепится к крышке 4винтами. Крышки с асбестовыми прокладками 5привинчиваются к корпусу и герметически закрывают его.
Внутренняя полость трубки наполняется чистым и сухим кварцевым песком 6, полностью охватывающим рабочую длину вставки. Применяется песок с содержанием кварца не менее 98 %,с диаметром зерен 0,2 - 0,3мм, обработанный двухпроцентным раствором соляной кислоты, промытый и прокаленный при температуре120-180°С. Герметизация корпуса предохраняет песок от увлажнения.
Плавкая вставка выполняется из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15—0,35мм и шириной до 4мм с просечками 7,уменьшающими на длине не менее 6мм сечение вставки в два раза. Применение тонких параллельных ленточек позволяет снизить сечение плавкой вставки для данного номинального тока, а следовательно, и количество паров металла в дуге. Последнее обстоятельство облегчает гашение дуги. Возникновение нескольких дуг в параллельных каналах позволяет участвовать в рассеянии энергии дуги большему объему наполнителя, чем также облегчается гашение дуги.
Для снижения нагрева предохранителя при малых перегрузках используется металлургический эффект. На каждую ленточку вставки напаивается оловянный шарик 8.Температура плавления металла ленточки в месте, где напаян оловянный шарик, достигает 475°С. Превышение температуры деталей предохранителя находится в пределах нормы. Отключающая способность -от 50кА для предохранителя на 100А до 100кА для предохранителя на 630А.
5-3.ПРЕДОХРАНИТЕЛИ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ
Для защиты полупроводниковых преобразователей потребовалось создание специального класса предохранителей, так называемых быстродействующих (время до расплавления плавкого элемента и начала ограничения тока 2—3мс), на напряжение до 2000В и токи 2000—5000А (в общепромышленных электротехнических установках номинальные напряжения не превышают 660В, а номинальные токи практически равны 1000А) [33].
Рис. 5-6. Общий вид быстродействующего предохранителя.
Термическая стойкость электротехнического устройства определяется, интегралом Джоуля (см. § 2-8),а защитные свойства плавкого предохранителя при этом оцениваются фактическим значениемI2!предохранителя, которое имеет место от момента наступления короткого замыкания (перегрузки) до момента отключения цепи и которое должно быть меньше допустимого для защищаемого объекта. По отношению к полупроводниковым приборам дело обстоит наоборот: так, тиристор типа Т171-320 на 320А имеет интеграл Джоуля 2,5-105А2-с, а у предохранителей типа ПН2-400 на 400А он равен 3-106А2-с.
Основными характеристиками быстродействующих предохранителей являются наибольшие интегралы Джоуля отключения, наибольший пропускаемый ток и преддуговое время.
Современные быстродействующие предохранители отечественного и зарубежного производства изготовляются в виде закрытых неразборных плавких вставок (рис. 5-6),устанавливаемых, как правило, непосредственно на проводниках комплектного устройства. Плавкая вставка размещена в керамическом корпусе 2призматической формы, на котором винтами 4с шурупной резьбой укрепляются выводы 1плавкой вставки, герметизирующие прокладки 3и торцевые крышки 5.
Плавкие элементы быстродействующих предохранителей обычно изготовляются из листовых материалов толщиной 0,05—0,2мм в виде лент, в которых с помощью отверстий той или иной формы при штамповке образуются места ослабленного поперечного сечения —перешейки (рис. 5-7,а), а концы плавкого элемента соединяются с контактными выводами плавкой вставки обычно точечной сваркой. Чем больше перешейков, тем интенсивнее гашение дуги, так как суммарное падение напряжения на плавкой вставке в этот период пропорционально числу последовательно включенных дуг и тем больше на каждой дуге, чем меньше в ней ток, т. е. больше параллельно включенных перешейков (плавких вставок).
При работе плавкого предохранителя в режиме циклических нагрузок перешейки плавкого элемента испытывают большие знакопеременные механические воздействия (удлинение и укорочение). Для повышения срока службы предохранителя его плавкие элементы выполняют с изгибами, принимающими на себя температурные деформации (рис. 5-7,б).
Рис. 5-7. Схемы форм плавких вставок быстродействующих предохранителей.
В качестве материала плавкого элемента обычно используется технически чистое серебро, которое более стойко к коррозии под воздействием температуры и имеет лучшую электропроводимость, чем, например, медь. Соединение его с медными выводами контактной сваркой не вызывает технологических трудностей. Ведутся работы по исследованию возможностей применения других материалов. Наиболее перспективным в этом отношении является стойкий к коррозии алюминий: образующаяся на его поверхности очень тонкая плотная оксидная пленка защищает основной металл от развития коррозии.
5-4.ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ВЗРЫВНЫЕ
Разновидностью специальных предохранителей являются устройства, в которых токоведущая вставка в аварийном режиме разрушается под действием взрывного заряда. Эти устройства получили название взрывных предохранителей (коммутаторов). Схема такого устройства приведена на рис. 5-8.Контроль тока в цепи осуществляется датчикомД.При коротком замыкании датчик выдает сигнал через преобразовательПрна импульсный трансформатор Т, который повышает напряжение сигнала до значения, достаточного для срабатывания взрывного устройстваВУ,расположенного в корпусе плавкой вставкиП.В результате взрыва токопроводящая вставка разрушается. Следует отметить, что сигнал от датчика может быть не только по значению тока, но и по скорости его нарастания, что существенно ускоряет выдачу сигнала.
Рис. 5-8. Схема устройства взрывного передохранителя.
Гашение дуги, возникающей при разрушении вставки, может быть осуществлено различными способами, например в трансформаторном масле, окружающем вставку (работы, выполняемые в СССР), обдувом дуги струёй газа взрывного вещества, установкой «дугогасящей» вставки ППпараллельно основной (наподобие дугогасительного контакта). В последнем примере сперва происходит ограничение тока за счет сопротивления дугогасящего контура, а затем отключение цепи вставкойПП.
Время срабатывания —интервал времени от момента достижения аварийным током значения, равного току уставки, до начала токоограничения предохранителем —в этих устройствах составляет доли миллисекунды (0,2 — 0,7мс).
Эксплуатация взрывных предохранителей связана с некоторыми неудобствами при замене взрывного устройства. Однако сейчас нет других аппаратов защиты на большие номинальные токи (в частности, постоянного тока) и напряжения, способных отключать аварийные токи за столь короткое время при практически неограниченной отключающей способности.
5-5.КОНСТРУКЦИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Назначение и принцип работы предохранителей высокого напряжения такие же, как и предохранителей низкого напряжения. Основная трудность создания предохранителей высокого напряжения —гашение дуги. В современных конструкциях применяется главным образом гашение в узких каналах при высоком давлении (предохранители с мелкозернистым наполнителем) и гашение при помощи автогазового или жидкостного дутья.
Предохранители с мелкозернистым наполнителем серий ПК и ПКТ.Они выполняются на напряжения 3; 6,3; 10и 35кВ и номинальные токи 400, 300, 200и 40А соответственно. Небольшая разрывная способность 200MB-А для силовых предохранителей и 1000MB-А и более (не ограничено) у предохранителей (серия ПКТ) на малые токи для защиты цепей измерительных трансформаторов напряжения. Такая высокая отключающая способность достигается токоограничивающим эффектом. Полное время отключения силовыми предохранителями тока короткого замыкания достигает 0,005—0,007с. Предохранители предназначены для внутренней и наружной установки.
Предохранитель (рис. 5-9)состоит из контактных стоек 1,укрепленных через соответствующие изоляторы 2на стальном основании 3,и патрона 4.Патрон состоит из изоляционного корпуса 8,армированного по концам латунными колпаками 13и закрытого герметично с обеих сторон крышками 5.Внутри патрона размещаются плавкие вставки 7.Весь объем заполнен кварцевым песком 6. Перегорание предохранителя сигнализируется якорем 14,который после перегорания удерживающей его стальной указательной вставки 11выталкивается пружиной 12.
На малые токи плавкая вставка выполняется в виде намотки из тонких проволок 9на керамическом сердечнике 10.На большие токи плавкие вставки выполняются в виде отдельных спирально свитых проволок 9(рис. 5-9,6).Проволоки медные, посеребренные либо константановые. Такая форма вставок обусловлена стремлением разместить достаточно длинную вставку в патроне ограниченной длины. Согласно работе [4]длина плавкой вставки (в миллиметрах) для этих предохранителей составляет l=160+70Uном, гдеUном—номинальное напряжение, кВ.
Для снижения температуры предохранителя при небольших перегрузках на места скрутки плавких вставок напаяны оловянные шарики. На токи 7,5А и ниже для ограничения перенапряжении вставки имеют переменное сечение. Разное времяперегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при отключении.
Рис. 5-9. Предохранители серии ПК: а – общий вид; б – патрон с плавкой вставкой на керамическом сердечнике; в – патрон со спиральными плавкими вставками.
Рис. 5-10. Предохранители с автогазовым (а) и жидкостным (б) гашением.
Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги(рис.5-10).Эти предохранители выполняются с короткой плавкой вставкой. Плавкая вставка состоит из медной 4(токоведущей) и стальной 5(удерживающей) частей. После расплавления (перегорания) вставки (сначала медной части, а затем стальной) 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 стреляющем предохранителе (тип ПСН -рис. 5-10,а) вытягивание гибкой связи 3из патрона осуществляется пружиной ножа, связанного с контактным наконечником 1. Дуга,втянутая в газогенерирующую трубку 2,резко повышает давление в трубке (до 10-12МПа) и создает весьма интенсивное продольное автодутье. Гибкая связь окончательно выбрасывается из патрона, дуга энергично гасится. Гашение сопровождается выбросом раскаленных газов, световым и звуковым эффектом.
В жидкостном предохранителе (рис. 5-10,б)пружина 8,растягивая дуговой промежуток, тянет поршень б и проталкивает через отверстия 7жидкость, заполняющую весь объем под поршнем. Создаваемое интенсивное продольное дутье надежно гасит дугу.
Автогазовое и жидкостное гашение позволяет создать конструкции предохранителей на напряжения 110—220кВ с высокой отключающей способностью.
5-6.ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
Предохранитель-выключатель -аппарат (блок), выполненный как рубильник, в котором в качестве подвижных контактов (ножей) применены предохранители. Таким образом, он одновременно предназначен для неавтоматической коммутации силовых электрических цепей в устройствах распределения электрической энергии, а также для защиты этих цепей при токах перегрузки и короткого замыкания. Используется на напряжение до 380В частотой 50Гц с номинальными токами до 400А и отключающей способностью в соответствии с примененным предохранителем.
Аппарат состоит из несущей конструкции, неподвижных контактов, подвижных контактов-предохранителей, ручного привода с системой рычагов. Привод обеспечивает необходимое перемещение патронов предохранителей из положения «Отключено» в положение «Включено» и обратно. В закрытом исполнении имеется блокировка, исключающая открывание дверцы (кожуха) при включенном положении аппарата и включение аппарата при открытой дверце.