Тема 4.1 Трубчатые и пробочные предохранители

Студент должен:

Знать:

- назначение, применение, классификацию предохранителей;

- амперсекундные (времятоковые) характеристики предохранителей;

- конструктивные особенности и маркировку трубчатых и пробочных предохранителей;

уметь:

- выбирать тип и номинальные параметры предохранителей;

- заменять плавкую вставку в предохранителе.

Классификация предохранителей. Способы гашения дуги. Характеристики предохранителей. Условные обозначения на схемах. Применение в системах электропривода, автоматики сигнализации и контроля. Конструктивные особенности различных типов предохранителей. Маркировка, подключение. ТО№1 и ТО№2 предохранителей. Достоинства и недостатки предохранителей.

Материал для изучения

Для защиты судовых электрических установок и электрических сетей небольшой мощности применяются предохранители. Предохранители отключают электрические цепи и установки при перегрузках и коротких замыканиях. Это простейшие защитные аппараты, которые благодаря своим малым габаритам, большой отключающей способности и малой стоимости нашли широкое распространение в цепях низкого и высокого напряжения.

Рис. 4.1.1. Времятоковые характеристики плавких вставок

Предохранитель — электрический аппарат, в котором при токе, большем заданной величины, плавкая вставка расплавляется и размыкает электрическую цепь. Несмотря на значительное количество конструкций, предохранители в основном состоят из следующих элементов: корпуса, плавкой вставки, контактного устройства и дугогасительного устройства или дугогасительной среды.

Основным элементом предохранителя является плавкая вставка, включаемая последовательно с защищаемой электрической цепью.

Работа предохранителя протекает в двух отличных друг от друга режимах: в нормальных условиях и в условиях перегрузок и коротких замыканий. В первом случае плавкая вставка нагревается током номинальной нагрузки, во втором — повышенным током перегрузки или значительными токами короткого замыкания.

Нагревание вставки при длительном номинальном токе носит характер установившегося процесса. В этом случае вся энергия, выделяемая вставкой, отдается в окружающую среду и токопроводам. Одновременно нагреваются до установившейся температуры и другие элементы предохранителя. При этом температура элементов предохранителя не должна превышать принятых для них допустимых значений.

Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки I_ном. Ток, на который рассчитаны токоведущие и контактные части предохранителя, называется номинальным током предохранителя I_пр. Токи I_ном и I_пр могут отличаться, так как в корпусе одного и того же предохранителя можно использовать плавкие вставки на различные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя. Обычно он указывается на самом предохранителе.

Наибольший ток, при котором плавкая вставка не перегорает в течение длительного времени, называется предельным током плавкой вставки I_¥ .

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным (плавящим) током. Величина плавящего тока обычно нормируется.

Основной характеристикой предохранителя является зависимость времени плавления вставки от протекающего через нее тока. Она называется времятоковой или защитной характеристикой предохранителя. На рис. 4.1.1 приведены времятоковые характеристики двух плавких вставок на различные номинальные токи. Каждая кривая асимптотически подходит при t ® ¥ к своему минимальному плавящему току. При одном в том же токе перегрузки время плавления для вставки 1 с меньшим номинальным током будет меньше. Это обстоятельство иногда используют для обеспечения селективной защиты электрических цепей. С увеличением тока перегрузки (ток I₂) разница во времени плавления вставок будет уменьшаться, и при коротком замыкании она практически равна нулю.

При токах, близких к плавящему, температура вставки приближается к температуре плавления. В связи с тем, что время плавления при этом тоже велико (более 1 ч) и температура плавления материалов вставки может составлять сотни градусов (медь 1083°С, серебро 961°С), все элементы предохранителя нагреваются до высоких температур. Это создает повышенную тепловую нагрузку, которая приводит к ухудшению дугогасящих и изоляционных свойств предохранителей. В связи с этим применяются меры к снижению температуры плавления вставки, что наиболее просто достигается применением легкоплавких металлов, например цинка и др. Вставки из материала с низкой температурой плавления при предельном токе должны иметь и большее сечение. При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Большой объем вставки увеличивает количество паров металла в дуге, затрудняет ее гашение и уменьшает предельный допустимый ток, отключаемый предохранителем. Поэтому применение легкоплавких металлов не дает удовлетворительного результата.

В настоящее время широкое распространение получили фигурные вставки, находят применение также медные и серебряные вставки с использованием металлургического эффекта.

Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) в расплавленном состоянии растворяют некоторые тугоплавкие металлы (медь, латунь, серебро).

На тонкую медную проволоку диаметром менее 1 мм наносится шарик из олова диаметром 1 мм. При нагревании вставки токами перегрузки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления. За счет растворения меди происходит местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления металла в этой точке. В результате вставка перегорает в том месте, где был расположен оловянный шарик, а возникшая при этом дуга расплавляет проволоку по всей длине. Таким образом, применение оловянного шарика вызывает перегорание плавкой вставки при температурах более низких, чем температура плавления меди.

Фигурные вставки выполняются в виде пластинки с вырезами, уменьшающими их сечение на отдельных участках (рис. 4.1.2). При нагревании вставки на узких участках выделяется больше тепла, чем на широких.

При установившемся режиме тепло с узких частей вставки отводится за счет теплопроводности к местам, имеющим большее сечение.

Рис. 4.1.2. Фигурные вставки

При коротком замыкании нагрев узких сечений вставки происходит так быстро, что отвода тепла от них не происходит: плавкая вставка перегорает в наиболее узких местах. Малое сечение вставки в узком месте может сократить время перегорания вставки настолько, что ток короткого замыкания не успеет достигнуть установившегося значения.

Влияние формы вставки на защитную характеристику показано на рис. 4.1.2. В некоторых конструкциях предохранителей вставка имеет такую форму, при которой электродинамические силы, возникающие при коротких замыканиях, разрывают ее до того, как она расплавится.

Применение фигурных вставок и использование металлургического эффекта приводят к ускорению перегорания вставки при коротких замыканиях и могут обеспечить токоограничивающее действие предохранителей: плавкая вставка плавится раньше, чем ток короткого замыкания достигнет своего ударного значения. При этом в 2—5 раз ограничивается величина тока короткого замыкания и уменьшается разрушительное действие электродинамических сил. Фигурные вставки, имеющие суженные участки, обладают более высоким токоограничивающим действием, чем вставки с использованием металлургического эффекта.

Плавление и испарение плавкой вставки начинается тогда, когда материал вставки достигнет температуры плавления. При малых токах плавление и испарение металла вставки происходит на каком-то одном участке. Возникающая при этом дуга разрушает вставку на длине, обеспечивающей гашение дуги.

После плавления металла вставки в момент его испарения возникает дуга. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя и принятого способа гашения. Оно должно быть минимальным.

В судовых установках используются предохранители с закрытым патроном.

Патроном предохранителя называется его легко снимающаяся часть, состоящая из оболочки, предназначенной для помещения в ней плавкой вставки и армированной деталями для крепления плавкой вставки и подвода тока к ней.

В предохранителях с закрытым патроном и наполнителем (обычно мелкозернистый кварцевый песок) гашение дуги происходит при помощи изоляционной мелкозернистой среды в узких каналах при высоком давлении. Хорошая система дугогашения и токоограничивающее действие вставки позволяют получить большую отключающую способность в таких предохранителях.

Плавкие вставки судовых предохранителей обычно выполняются из цинка и серебра. Серебро и цинк образуют на воздухе прочную пленку окисла, которая предохраняет вставку от изменения сечения. Широко распространены цинковые вставки. Пары цинка ускоряют процесс рекомбинации ионов и улучшают условия гашения дуги.

Вставки из меди и серебра имеют высокую температуру плавления и применяются в основном в предохранителях с мелкозернистым наполнителем. Такие вставки рассчитаны на малые токи. Медные вставки должны иметь антикоррозионное покрытие.

Для предотвращения возможности нарушения контакта или выпадения из контактных стоек предохранителя при вибрациях и ударных сотрясениях применяют специальные зажимы, которыми предохранитель крепится к контактным стойкам.

Кроме защитной характеристики, параметром предохранителя является предельная разрывная способность. Предельной разрывной способностью предохранителя называется наибольшее значение тока короткого замыкания, при котором гарантируется надежность работы предохранителя. Чем выше разрывная способность, тем лучше качество предохранителя.

Рис. 4.1.3. Короткие (а) и длинные (б) предохранители серии ПР-2

Отечественная промышленность выпускает несколько серий судовых предохранителей. Мы рассмотрим только две серии: ПР-2 и ПН-2.

Предохранители серии ПР-2. На рис. 4.1.3 показан предохранитель серии ПР-2 с закрытым разборным патроном без наполнителя. Они выпускаются двух габаритов: на напряжение до 380В и до 500В. Патроны предохранителей изготовляются на токи от 15 до 1000А, а плавкие вставки от 6 до 1000А. Короткие предохранители выпускаются для работы при напряжении не свыше 380В переменного тока, а длинные рассчитаны на работу в сети с напряжением 500В. Короткие предохранители имеют меньшую отключающую способность, чем длинные. Диаметр патронов зависит от номинального тока. Всего выпускается семь различных по диаметру габаритов патронов. В патроне каждого диаметра могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи.

Патрон (рис. 4.1.3) состоит из фибрового цилиндра 1, на концы которого навернуты латунные втулки, 3, имеющие прорезь, через которую проходит плавкая вставка 2. На концах втулки навернуты латунные колпачки 4. У предохранителей, рассчитанных на токи до 60А (рис. 4.1.3, а), они являются контактными частями патрона. У патронов на токи от 100 до 1000А (рис. 4.1.3, б) контактными частями являются медные ножи 6. Шайба 5 с пазом служит для фиксации положения ножа относительно патрона. Плавкие вставки представляют собой цинковые пластинки, имеющие от одного до четырех сужений. Применение цинка, стойкого против коррозии, и выбранная форма вставки позволяют получить необходимую защитную характеристику, стабильную во времени.

Рис. 4.1.4. Схема предохранителя серии ПН-2

Гашение дуги происходит в закрытом трубчатом патроне. Под действием высокой температуры дуги из фибровых стенок патронов выделяется газ, который охлаждает дугу. Давление в патроне за доли полупериода может повышаться до 4—8 МПа, что способствует быстрому гашению дуги.

Для извлечения предохранителя из контактных стоек используются специальные клещи из изоляционного материала или патроны выполняются с пластмассовой рукояткой.

Предохранители серии ПН-2 с закрытым патроном и наполнителем выполняются на номинальные токи 100, 250, 400 и 600А для защиты силовых электрических цепей переменного тока напряжением до 500В и постоянного тока 440В.

Корпус предохранителя 1 (рис. 4.1.4) выполнен из высоковольтного глазурованного фарфора или стеатита и имеет прямоугольную форму. Внутри корпус имеет отверстие круглого сечения, в котором расположена ленточная плавкая вставка 8 и наполнитель 9. Вставка выполняется из одной или нескольких ленточек толщиной 0, 1—0, 2 мм. Для получения эффекта токоограничения вставка имеет просечки 3. Для снижения температуры плавления вставки используется металлургический эффект. На каждую ленточку вставки напаивается оловянный шарик 4. Плавкая вставка приваривается контактной сваркой к диску 7, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевым врубовым контактом 2. Пластина 5 крепится к корпусу с помощью винтов через асбестовую прокладку б. В качестве наполнителя используется кварцевый песок или асбестовые волокна, перемешанные с молотым мелом.

Разбивка вставки на несколько параллельных ветвей — ленточек — позволяет эффективнее использовать объем наполнителя. При сгорании вставки образуется несколько дуг, которые горят в параллельных каналах, образованных кварцевыми песчинками, обладающими высокой теплопроводностью.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском заменяются новыми, патрон засыпается песком и закрывается.

В предохранителях ПН-2 не создается больших давлений, и к механической прочности их предъявляют не такие высокие требования, как к трубчатым. Поэтому предохранители ПН-2 имеют меньшие габариты, чем предохранители типа ПР.

Помимо рассмотренных типов предохранителей в судовых электрических установках используются также предохранители типов ПДС, ПД и ПК.

Пробочные предохранители типа ПДС выпускаются на номинальное напряжение 320В постоянного тока и 380В переменного тока семи величин с номинальным током от 6 до 600А. Предохранители предназначены для непосредственной установки на токоведущие шины распределительных устройств. Основание, корпус и головка предохранителя выполняются из стеатита.

Плавкая вставка представляет собой фарфоровый цилиндр, на конусных торцах которого укреплены контактные колпачки. Между колпачками внутри цилиндра расположена плавкая вставка.

Предохранитель имеет устройство, сигнализирующее о его срабатывании. При сгорании плавкой вставки освобождается специальная пружина, которая выбрасывает глазок, расположенный у застекленного окна головки предохранителя.

Перезарядка предохранителя производится путем замены фарфорового цилиндра вместе со сгоревшей плавкой вставкой и сигнализирующим устройством на новый цилиндр.

Трубчатые предохранители типа ПК представляют собой стеклянные трубки с металлическими колпачками конической формы и плавкой вставкой в виде прямой нити. Выполняются они на токи до 5А.