Министерство образования и науки Республики Казахстан

Алматинский университет энергетики и связи

Кафедра « Электроснабжение промышленных предприятий»

Тема № 1

НИЗКОВОЛЬТНЫЕ ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

специальность:

050718-«Электроэнергетика»

Алматы

2013

Краткие теоретические сведения

Плавкий предохранитель - аппарат, автоматически отключаю­щий электрическую цепь при коротком замыкании или перегрузке в ней. Отключение цепи осуществляется путем расплавления плав­кой вставки, которая нагревается током защища­емой цепи. Отсюда возникло и название плавкий предохра­нитель. Плавкие предохранители появились одновременно с появлением электрических сетей. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность и небольшая стоимость обеспечили им очень широкое применение. Предохранители до 1 кВ изготовляются на номинальные токи до 1000А.

Важнейшей характеристикой предохранителя является защитная характеристика, представляющая собою зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока, приведенная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Защитная характеристика предохранителя ПН-2

Режимы работы предохранителя

Работа предохранителя протекает в трех резко отличающихся друг от друга режи­мах: при номинальном токе, в условиях перегрузок и КЗ.

В первом случае нагрев вставки имеет характер устано­вившегося процесса, при котором все выделяемое в ней тепло отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки, нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Установившаяся температура не должна превышать допустимых значений.

Номинальным током предохранителя называется такой длительный ток, при котором температура контактных частей предохранителя не превышает допустимую для них величину. А номинальным током плавкой вставки называется ток, длительное протекание которого не вызывает перегорание вставки. 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.

Кроме указанных токов стандартом на предохранители нормируется еще один ток, называемый плавящим током. Плавящим током называется ток, под действием которого плавкая вставка перегорает.

Стандартом задается диапазон, в котором находится плавящий ток.

Величина минимального то­ка равна ,

а величина мак­симального тока - .

где - номинальный ток плавкой вставки.

Нижнее значение тока указанного диапазона определяет ток, при котором вставка гарантированно не расплавится в течение условного времени, а верхнее значение тока определяет ток, при котором вставка гарантированно перегорит за условное время. Условное время зависит от номинального тока вставки и составляет для наиболее распространенных токов 1 или 2 часа.

При токах, превыша­ющих максимальный ток плавления плавкая вставка должна перегорать в кратчайшее время.

Исходя из значения максимального плавящего тока, сечение кабеля по условию защиты его от перегрева можно рекомендовать выбирать из условия:

,

где - допустимый ток кабеля.

Способы сокращения времени плавления плавкой вставки

Чтобы достигнуть резкого сокращения време­ни плавления вставки с рос­том тока, идут по двум на­правлениям:

1. Придают плавкой вста­вке специальную форму;

2. Используют металлургический эффект.

По первому способу вставку выполняют в виде пластинки с вырезами, уменьшающи­ми ее сечение на отдельных участках (рисунок 2).

Рисунок 2.- Фигурная плавкая вставка и распределение температуры вдоль вставки

На этих суженных участ­ках выделяется больше тепла, чем на широких участках. При номиналь­ном токе избыточное тепло вследствие теплопроводности мате­риала вставки успевает распространиться к более широким частям, и вся вставка имеет практически одну температуру.

При пере­грузках нагрев суженных участков идет быстрее, так как только часть тепла успевает отводиться к широким участ­кам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рисунок 3б).

Рисунок 3.- Места перегорания фигурных плавких вставок

При перегрузках (б) и коротких замыканиях (в)

При коротком замыкании нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом тепла от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновре­менно во всех или в нескольких суженных местах (рисунок.3 в).

Второй способ сокращения времени плавления вставки - 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 лавления. Указанное явление используется в пре­дохранителях с вставками из ряда параллельных проволок. Для ускорения плавления вставки при перегрузках и снижения общей температуры всей вставки при плавлении ее, на проволоки напаиваются небольшие оловянные шарики. 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 время - токовой характеристики может применяться при тонких вставках, например, при диаметре шарика в 1 мм для проволок диаметром 0,3 мм и диаметрах шарика до 2 мм при более толстых проволоках. При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается и практически не сказывается.

Плавкие вставки изготовляют из свинца, сплавов свинца с оло­вом, цинка, меди, серебра и др. Вставки из легкоплавких металлов (температура плавления 200—420° С) обладают невысокой электро­проводностью и получаются значительных сечений, особенно при больших номинальных токах. Широкое распространение имеют цинковые вставки. Пары цинка ускоряют процесс рекомбинации ионов и делают его более быстрым, чем даже для чистого воздуха. 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. Применяются такие вставки на малые токи. Медные плавкие вставки должны обязательно иметь антикоррозий­ное покрытие. В противном случае окисление приведет к постепен­ному уменьшению сечения вставки и несвоевременному перегоранию.

Конструкции предохранителей

Предохранители типа ПР-2

Предохранители типа ПР-2 (П - предохранитель, Р- разборный) изготовляются на напряжение 220 и 500В и токи патронов 15-1000А.

Предельный ток отключения зависит от номинального тока пре­дохранителя и лежит в пределах 1,2 - 1,5 кА.

Плавкая вставка 2 (Рисунок 4) изготавли­вается из цинка путем штамповки.

Применение легкоплавкого металла - цинка, стойкого против коррозии, и фигурная форма плавкой вставки позволяют получить благоприятную защитную характеристику.

Рисунок 4. – Конструкция предохранителя типа ПР-2

Патрон предохранителя ПР-2 выполнен из толстостенной фибровой трубки 1, на которой с обеих сторон плотно насажены латунные втулки 3, предотвращающие разрыв трубки. На втулки навинчиваются колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 2, привинченную к контактным но­жам 6, до установки ее в патрон. Для предотвращения поворота контакт­ных ножей предусмотрена шайба 5, имеющая паз для контактного ножа.

После перегорания плавкой вставки возникает дуга, под действием температуры которой фибра выделяет газ, содержащий около 40 % водорода. Происходит диссоциация молекул водорода с поглощением тепла. Температура дуги снижается, что приводит к снижению термической ионизации, усилению процесса деионизации дугового пространства и погашению дуги. Кроме снижения температуры повышается до нескольких атмосфер давление газа в патроне. Высокое давление затрудняет ударную ионизацию, способствует деионизации и гаше­нию дуги.

Кроме того при перегорании вставки образуются несколько коротких дуг, количество которых равно числу сужений вставки. На каждом катоде разрыва восстанавливается электрическая прочность около 200 вольт.

В результате электрическая прочность предохранителя будет равна произведению числа дуг на напряжение катода. Например, при наличии у вставки 4 сужений. электрическая прочность предохранителя будет равна 800 вольт. Это гораздо больше величины напряжения сети и дуга после первого же перехода через нуль гаснет.

При коротких замыканиях суженный участок плавкой вставки начи­нает плавиться раньше, чем ток короткого замыкания достигнет своего ус­тановившегося значения в цепи постоянного тока или удар­ного тока в цепи переменного тока (рисунок 5).

Рисунок 5.- Осциллограмма отключения тока КЗ предохранителем

Величина тока коротко­го замыкания в цепи при этом ограничивается в несколько раз. Такие пре­дохранители называются токоограничивающими. Цепи, защищенные токоограничивающими предохранителями, обычно не проверяют на термическое и динамическое действие токов короткого замыкания.

Достоинством предохранителей ПР-2 является простота их переза­рядки, недостатком - несколько большие размеры, чем у насыпных предо­хранителей типа ПН-2

Плавкие предохранители типа ПН-2

Предохранители типа ПН-2 (П - предохранитель, Н - насыпной) применяются для защиты силовых цепей до 500В переменно­го и 440В постоянного тока и изготовляются на номинальные токи до 1000А, предельный отключаемый ток - до 50 кА.

Корпус предохранителя 1 (рисунок 6) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2 и на­полнитель - кварцевый песок 3.

Рисунок 6 - Предохранитель типа ПН-2

Снаружи корпус имеет форму квадрата, внутри - цилиндра. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с контактным ножом 9. Пластины 5 закрепляются на корпусе с помощью винтов 10, которые ввинчиваются 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 параллельных ветвей - ленточек (на рисунке 6 их три) позволяет более полно использовать объем наполнителя.

Для снижения температуры плавления вставки при токах перегрузки ис­пользуется металлургический эффект - на полоски меди напаяны шарики олова 7.

В качестве наполнителя используется чистый кварцевый песок. Реч­ной песок для этого не пригоден, т.к. может содержать токопроводящие включения. Размер зерен кварца должен быть в пределах 0,1 - 0,5 мм. Уве­личение размеров зерен уменьшает их общую поверхность, аккумулирую­щую энергию, а уменьшение размеров затрудняет проникновение газов внутрь наполнителя. При коротком замыкании плавкая вставка сгорает и образуется дуга, которая горит в канале, образованном песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую по­верхность. Ускорение гашения дуги происходит за счет быстрого отвода тепла из зоны горения дуги к холодным стенкам предохранителя, снижению температуры горения дуги и термической ионизации и усилению процесса деионизации.

Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов высокая токоограничивающая способность являются достоинствами пре­дохранителя ПН-2.Предохранители НПН подобны ПН, но имеют не разборный патрон без контактных ножей и изготовляются на токи до 60 А.

В последнее время согласно сообщениям заводов - изготовителей предохранители типа ПН-2 снимаются с производства, и вместо них будут выпускаться предохранители типа ППН-33 (Кореневский завод низковольтной аппаратуры) и предохранители типа ПП-32 (Завод « Электроаппарат, г. Курск)

Предохранители ПНБ-7 с наполнителем в закрытом патроне - быст­родействующие, на токи 40-600А, предназначены для защиты полупровод­никовых устройств. Быстродействие достигается конструкцией плавкой вставки. Она изготавливается из листового серебра с очень большим от­ношением максимального сечения к минимальному (в пределах 10-50).

К недостаткам предохранителей можно отнести однократность их действия и необходимость замены после срабатывания плавкой вставки или всего предохранителя. Кроме того при использовании их для защиты асинхронных двигателей имеется опасность работы двигателя в неполнофазном режиме при перегорании одного из предохранителей. Это приводит к резкому снижению вращающего момента, торможению двигателя росту тока статора и перегреву машины.

В соответствии с современными стандартами предохранители маркируют двумя буквами. Первая буква в обозначении типа плавкой вставки указывает диапазон отключения:

«g» — плавкие вставки с отключающей способностью во всем диапазоне;

«а» — плавкие вставки с отключающей способностью в части диапазона.

Вторая буква указывает категорию применения.

Примеры:

«gG» — плавкие вставки общего назначения с отключающей способностью во всем диапазоне;

«gM» — плавкие вставки для защиты цепей двигателей с отключающей способностью во всем диапазоне;

«aМ» — плавкие вставки для защиты цепей двигателей с отключающей способностью в части диапазона;

Плавкие вставки типа «gG» можно использовать для защиты цепей двигателей, если по своим характеристикам они способны выдержать пусковой ток двигателя. На рисунке 7 приведены защитные характеристики указанных выше категорий применения.

Рисунок 7 – Защитные характеристики плавких предохранителей

В настоящее время в электроустановках до 1000В вместо предохранителей все чаще применяют автоматические выключатели.