книги / Электрические аппараты. Общий курс

Серебряные плавкие вставки не подвержены тепло­

Время-токовые характеристики со вставкой постоян­ ного сечения из легкоплавкого металла довольно хорошо согласуются с характеристикой силового трансформато­ ра и других подобных объектов. Это объясняется низ­ кой температурой плавления, стойкостью против корро­ зии и малой теплопроводностью материала вставки.

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, вы­ сокой температуры плавления и большого отношения /погр/Люм в области малых перегрузок не защищает объ­ екта (область Л, рис. 17-1).

На время-токовую характеристику сильное влияние оказывают технологические отклонения (неоднородность вставки, качество сборки и др., см. § 17-5).

17-3. Нагрев плавкой вставки при коротком замыкании

Если ток, проходящий через вставку, в 3—4 раза больше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т. е. все тепло, выделяемое плавкой вставкой, идет на ее нагрев.

Согласно § 2-6 время нагрева вставки до температуры

где А' — постоянная, определяемая только свойствами материала и от размера вставки не зависящая;

q — поперечное сечение вставки; / к — ток;

fiK— плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достиг* ла температуры плавления, для перехода .вставки из

твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

По мере того как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится. Время перехода из твердого состояния в жидкое находится по формуле [Л. 17-1]

сложно. Как только появится жидкий участок вставки,

ках возрастает плотность тока и повышается температу­ ра. Уменьшение сечения вставки создает разрывающие усилия, аналогичные силам в контактах при коротких замыканиях (§ 1-6).

Таким образом, как правило, дуга загорается раньше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

Основным параметром предохранителя при коротком замыкании является п р е д е л ь н ы й т о к о т к л ю ч е ­ н и я — ток, который он может отключить при в о з в р а ­ щ а ю щ е м с я н а п р я ж е н и и , равном наибольшему рабочему напряжению.

Время дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем равно:

— ^ПЛ Uперех + t.дуги» (17-3) Для предохранителя со вставкой на воздухе это вре­

где коэффициент п = 3 учитывает преждевременное раз­ рушение вставки, а /Со=1,2-М ,3 учитывает длительность процесса гашения дуги.

В предохранителях с наполнителем разрушение встав­ ки до полного ее плавления менее вероятно. Время рабо­ ты предохранителя можно найти с помощью формулы

Коэффициент £д учитывает длительность горения ду­ ги и равен 1,7—2. -

Рис. 17-2. Отключение цепй предохранителем с токоограничением.

При вставке переменного сечения ее плавление про­ исходит в точках, имеющих наименьшее сечение. Про­ цесс нагрева суженного перешейка протекает так быст­ ро, что тепло почти не успевает отводиться на участки повышенного сечения. Наличие участков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента нача­ ла короткого замыкания до появления дуги. Процесс га­ шения начинается еще до момента, когда ток короткого замыкания достигнет установившегося или даже ампли­ тудного значения. Применяемые средства дугогашения позволяют погасить дугу за тысячные доли секунды. Про­

предохранителя, так как отключается не установивший­ ся ток короткого замыкания, а ток, определяемый вре­ менем плавления вставки.

Сростом номинального тока возрастает, естественно,

иминимальное сечение вставки, которое должно пропу­ стить этот ток. Увеличение этого сечения приводит к

возрастанию длительности плавления вставки и умень­ шению эффекта токоограничения. Хороший отвод тепла от вставки при номинальном режиме позволяет выбрать уменьшенное сечение вставки и повысить эффект токо­ ограничения.

17-4. Конструкция предохранителей низкого напряжения

« 0 = © 0 з > в)

Рис. 17-3. Предохранитель типа ПР-2.

легкоплавкого материала — цинка, стойкого против коррозии, и вы­ бранная форма вставки позволяют получить благоприятную защитную характеристику. Плавкая вставка 3 присоединяется к ножевидным контактам 5 с помощью болтов с шайбами.

Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, кото­ рый состоит из фибрового цилиндра 1, латунной обоймы 2 и латун­ ного колпачка 4. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упро­ щенную конструкцию контактной системы ( рис. 17-3, а).

Процесс гашения дуги происходит следующим образом. При от­ ключении сгорают суженные сечения плавкой вставки и возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги стенки патрона, вы­ полненные из фибры, выделяют газ, *в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давления поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению (§ 4-2).

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис. 17-3, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при коротких замыканиях и создают эффект токоограничения.

При отключении переменного тока гашению помогает околоэлектродная прочность. Если положить, что гашение дуги происходит за

2 мс, то утолщенные части вставки за это время под действием силы тяжести переместятся всего на 0,02-10-3 м, т. е. можно считать,

что вставка, имеющая четыре суженных сечения, создает четыре раз­ рыва на полюс. Это обеспечивает надежное гашение дуги при напря­

жении 500 В.

Согласно [Л. 3-3] давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать боль­ ших значений. Фибровая трубка поэтому должна обладать высокой механической прочностью. Для повышения прочности на концах фиб­ рового цилиндра установлены латунные обоймы, укрепленные на ци­ линдре с помощью заклепок. Колпачки предохранителя 4 крепят к корпусу патрона 2, диски 6 жестко связанные с контактными но­ жами 5.

Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов. Это позволяет монтировать соседние полюсы на

близком расстоянии.

Предохранители выпускаются с двумя размерами вдоль оси — короткие и длинные. Короткие предназначены для работы при пере­ менном напряжении не выше 380 В. Они имеют меньшую отключаю­ щую способность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с на­ пряжением до 500 В.

В зависимости от номинального тока меняется диаметр патрона. Всего выпускается шесть габаритов патронов, различающихся диа­ метром. В патроне каждого габарита могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.

Испытательные токи для предохранителя типа ПР-2 приведены в табл. 17-2.

перегоранию предохранителя.

Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1ч, плавит вставку предохранителя.

С достаточной точностью можно принять пограничный ток рав­ ным среднему арифметическому значению испытательных токов.

Предохранители ПР-2 работают с токоограничением. Так, в цепи с действующим током короткого замыкания 50000 А предохранитель

на ток б А произведет отключение при токе всего 400 А; Однако чем больше номинальный ток, тем меньше эффект токоограничения. При номинальном токе 600 А токоограничение отсутствует, так как дуга горит весь полупериод.

1 8 Рис. 17-4. Предохранитель типа ПН-2.

предохранители ПР-2. Разрез такого предохранителя типа ПН-2 по­ казан на рис. 17-4.

Корпус предохранителя 1 изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие встав­ ки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Снаружи корпус имеет форму квадрата. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевым контактом 9. Пласти­ ны 5 закрепляются на корпусе с помощью винтов, которые ввинчи­ ваются в отверстия с резьбой.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1—0,2 мм. Для получения эффекта токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Разбивка плавкой вставки на несколько парал­ лельных ветвей — ленточек (в данном случае их три) позволяет бо­ лее полно использовать объем наполнителя. Применение тонкой лен­ ты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номи­ нального тока, что обеспечивает высокую токограничивающую спо­ собность. Соединение нескольких суженных участков последователь­ но способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя.

Для снижения температуры плавления вставки на суженные участки наносятся оловянные шарики 7.

В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содер­

тщательно просушивается при температуре 120—180°С.

При коротком замыкании плавкая вставка сгорает и образуется дуга, которая горит в канале, образованном песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую ох­ лаждающую поверхность.

Поскольку дуга горит в узкой щели, начиная с тока выше 100 А, она имеет возрастающую вольт-амперцую характеристику. Градиент напряжения на дуге достигает таких высоких значений, как (2—6)Х XIО4 В/м. Это дает возможность гасить дугу за несколько миллисе­ кунд при небольшой длине.

патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины 3 кладется асбестовая прокладка 6, что предохраняет песок от ув­ лажнения. При номинальном

собность являются достоин­ ствами, этого предохраните­

ля. Технические характеристики предохранителей ПН-2 приведены в [Л. 3-7].

В том случае, когда необходимо иметь малые габариты распре­ делительного устройства, применяют резьбовые предохранители ти­ па ПРС, изображенные на рис. 17-5. Один конец цепи подводится к зажиму /, который связан с контактной гильзой 2, оканчивающей­ ся резьбовым соединением, связанным с контактом'съемной головки 3. Плавкая вставка 4 располагается в фарфоровом цилиндре 5, за­ полненном внутри кварцевым песком. На торцах цилиндра 5 укреп­ лены контактные колпачки, к которым присоединена плавкая встав­ ка 4. Второй конец цепи через зажим 7 соединяется с контактным

винтом 8.

Предохранитель имеет указатель срабатывания. При сгорании плавкой вставки освобождается специальная пружина, которая вы­ брасывает глазок, расположенный у застекленного отверстия 6.

Перезарядка предохранителя производится путем замены ци­ линдра 5 (вместе со сгоревшей плавкой вставкой и сигнализирующим устройством) новым цилиндром.

Предохранители этого типа выпускаются на*токи до 100 А. Они могут устанавливаться в цепях постоянного тока при напряжении до 440 В и переменного тока частотой 50 Гц при напряжении до 500 В, их предельная отключающая способность составляет 60 кА.

Эти предохранители более сложны в производстве, чем предохра­ нители ПН-2, поэтому и более дороги. Их целесообразно применять

в тех случаях, когда неооходимы малые габариты и быстрота смены сгоревшей плавкой вставки. Характеристики предохранителей типа ПРС приведены в [Л. 3-7].

в) Предохранители для защиты полупроводниковых приборов. В настоящее время мощные полупроводниковые диоды и тиристоры, которые ради краткости будем называть приборами, находят широ­ кое применение в выпрямительных установках и схемах автоматиче­ ского управления. Существующие до последнего времени предохра­ нители и автоматы из-за относительно большого времени срабаты­ вания не могут защитить приборы при коротких замыканиях. Для выполнения поставленной задачи разработаны специальные быстро­ действующие предохранители.

При временах /^0,02 с можно считать, что процесс нагрева прибора протекает по адиабатическому закону. Для удобства согла­ сования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие

джоулева интеграла G = ^ i2dt.

о

Согласно [Л. 17-5] для приборов, нагретых номинальным током, допустимый ток в течение 0,02 с равен 3,6 /п.

Тогда

GHn = (3,6/H).0,02 = 0,26/2.

Если прибор нагревается с холодного состояния, то допустимый ток равен 7 /н, а интеграл [Л. 3-7]

°хол.п = (7/н)а-0,02

Для того чтобы предохранитель защитил прибор, необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоу­ лева интеграла прибора. Джоулев интеграл предохранителя состоит из джоулева интеграла нагрева до температуры плавления Gnл вставки и джоулева интеграла гашения образовавшейся дуги Gram. С целью сокращения первой составляющей предохранитель должен работать с большим токоограничением. Для достижения этой цели плавкая вставка выполняется из серебра, имеет перешеек с мини­ мальным сечением и хорошо охлаждается кварцевым наполнителем (предохранители ПНБ). В некоторых предохранителях ПБФ плавкая

вставка зажата между дисками корунда (А12Оз), обладающего теп­ лопроводностью в 7 раз большей, чем кварцевый наполнитель. Плот­ ности тока в перешейке в номинальном режиме достигают 2000 А/мм2.

Джоулев интеграл Gram обычно учитывается коэффициентом &общ*

фактический ток короткого замыкания не более 15 кА. Джоулев ин­

теграл плавления (с холодного состояния) для вставки 100 А равен (0,2—2) -10—4 А2-с. Полный джоулев интеграл G06m~ (54-10)X ХЮ~4 А2-с (напряжение 660 В). Данные серии ПНБ-5 приведены в [Л. 3-7]. В настоящее время отечественной промышленностью вы­ пускаются более совершенные предохранители серий ПП-31, ПП-41, ПП-51, ПП-61, ПП-71.

Следует отметить, что быстродействующие предохранители пред­ назначены только для защиты от коротких замыканий. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.

ключатель (БПВ), обеспечивающие отключение номинальных токов и защиту цепей от перегрузок и коротких замыканий.

Общий вид БПВ представлен на рис. 17-6. В стальной раме 1 поступательно перемещается траверса 4, на которой укреплены пре­ дохранители 5. При вращении рукоятки 3 траверса с предохраните­ лями перемещается и контакты аппарата размыкаются. Наличие двух разрывов на полюс обеспечивает отключение номинальных то­ ков до 350 А при переменном напряжении до 550 В. Для отключения номинального постоянного тока 350 А при напряжении до 440 В раз­ рывы снабжаются деионными решетками (§ 10-3).

Съем патрона с перегоревшей вставкой возможен только в от­ ключенном положении БПВ, после освобождения защелки 2. Элек­ трическая износостойкость аппарата 2500 коммутационных циклов, механическая —5000 циклов.

17-5. Выбор предохранителей

а) Выбор по условиям длительной эксплуатации и условиям пуска. В процессе длительной эксплуатации температура нагрева предохранителя не должна превос­ ходить допустимых для него значений. В этом случае обеспечивается стабильность характеристик предохрани­

теля. Для выполнения этого требования необходимо, что­ бы патрон и плавкая вставка выбирались на номиналь­ ный ток, равный или несколько больший, чем номиналь­ ный ток установки.

Предохранитель не должен отключать установку при перегрузках, которые являются эксплуатационными. Так, при пуске асинхронного двигателя с короткозам-

Рис. 17-7. Время-токовая характеристика предохранителя ПН-2.

кнутым ротором пик пускового тока может достигать 7/н двигателя. По мере разгона двигателя пусковой ток падает до значения, равного номинальному току маши­ ны. Длительность пуска зависит от характера нагрузки. Для двигателей привода металлорежущих станков с от­ носительно небольшой инерцией механизма время раз­ гона составляет 1 с. Процесс разгона центрифуги проис­ ходит значительно медленней из-за большой инерции механизма, и длительность пуска может достигать 10 с и более.

Предохранитель должен не только выдерживать пу­ сковые токи, но в нем не должно происходить старения