Электрический предохранитель это
При эксплуатации бытовой и промышленной электрической сети всегда существуют риски получения электротравм или повреждения оборудования. Они могут возникнуть в любой момент при появлении критических режимов. Снизить такие последствия позволяют защитные устройства. Их применение значительно повышает безопасность пользования электроэнергией.
Защиты электрической схемы работают на основе:
предохранителя;
механического автоматического выключателя.
Принцип работы и устройство предохранителя
Два гениальных ученых Джоуль и Ленц одновременно установили законы взаимных связей между величиной проходящего тока в проводнике и выделением теплоты из него, выявив зависимости от сопротивления цепи и длительности промежутка времени.
Их выводы позволили создать самые простые защитные конструкции, основанные на тепловом воздействии тока на металл провода. У используется тонкая металлическая вставка, через которую пропускается полный ток схемы.
При номинальных параметрах передачи электроэнергии эта «проволочка» надежно выдерживает тепловую нагрузку, а с превышением ее значений сверх нормы — перегорает, разрывая цепь и снимая напряжение с потребителей. Чтобы восстановить работоспособность схемы необходимо заменить перегоревший элемент: плавкую вставку.
Она хорошо видна на конструкциях предохранителей для бытовой теле и радиоаппаратуры со стеклянными, прозрачными корпусами вставок.
На ее концах смонтированы специальные металлические площадки, создающие электрический контакт при установке в гнезда. Этот принцип воплощен в электрических пробках с плавкими вставками, много десятилетий защищавших наших родителей и старшие поколения от повреждений в электрической проводке.
По такой же форме были разработаны автоматические конструкции, которые вкручивались в гнезда вместо пробок. Но они при срабатывании не нуждались в замене составных частей. Для восстановления электроснабжения достаточно утопить кнопку внутрь корпуса.
Такими способами защищались старые электрические ввода в квартиру. Затем наряду с предохранителями стали появляться .
Выбор предохранителя основан на учете:
номинальных величин токов самого предохранителя и его вставки;
коэффициентов минимальной/максимальной кратности испытательного тока;
предельного отключаемого электротока и возможности разрыва транспортируемой мощности;
защитной характеристики плавкой вставки;
номинального напряжения предохранителя;
соблюдения принципов селективности.
Предохранители обладают простой конструкцией. Они широко используются в электроустановках, включая высоковольтное оборудование до 10 кВ, например, в защитах измерительных трансформаторов напряжения.
Принцип работы и устройство автоматического выключателя
Назначением механического коммутационного аппарата, называемого автоматическим выключателем, является:
включение, пропускание, отключение токов при нормальном режиме цепи;
автоматическое снятие напряжения с электроустановки при аварийных режимах, например, токах металлических коротких замыканий. Автоматические выключатели работают в режимах многоразовых защит от КЗ и перегрузок. Возможность многократного использования считается их основным отличием от предохранителя.
Во времена СССР в энергетике широко использовались автоматические выключатели серий АП-50, АК-50, АК-63, АО-15.
В современных электрических схемах работают усовершенствованные конструкции зарубежных и отечественных производителей.
Все они заключены в диэлектрические корпуса, имеют общие исполнительные органы, обеспечивающие:
1. тепловое расцепление цепи при небольшом превышении допустимого значения тока;
2. электромагнитную отсечку при резких бросках нагрузки;
3. дугогасящие камеры;
4. контактные системы.
В случае нагрева энергией выделяемого тепла работает биметаллическая пластина, изгибающаяся от температурного воздействия до приведения в работу механизма расцепления. Эта функция зависит от количества выделенной теплоты и растянута по времени до определенного момента.
Отсечка действует максимально быстро от срабатывания электромагнитного соленоида с возникновением электрической дуги. Для ее гашения применяются специальные меры.
Усиленные контакты рассчитаны на многократные разрывы .
Эксплуатационные отличия автоматических выключателей от предохранителей
Защитные свойства обоих методов проверены временем, причем каждый способ требует анализа конкретных условий эксплуатации при оценке стоимости конструкции с учетом длительности и надежности работы.
Предохранители проще устроены, отключают схему одноразово, дешевле. Ими можно снимать напряжение вручную, но это, как правило, не очень удобно. К тому же при незначительных превышающих токах они долго отключают нагрузку. Этот фактор может служить поводом повышенной пожарной опасности.
Любой предохранитель защищает всего одну фазу сети.
Автоматические выключатели сложнее, дороже, более функциональны. Зато они точнее настраиваются под уставки защищаемой электросхемы, подбираются по рабочему расчетному току с учетом коммутируемых мощностей.
Корпуса современных автоматов из реактопластов обладают повышенной устойчивостью к термическому воздействию. Они не плавятся, стойки к воспламенению. Для сравнения: полистирольный корпус старых выключателей мог противостоять температурам не выше 70 градусов.
Конструктивное исполнение позволяет подбирать модели для одновременного размыкания от одной до четырех электрических цепей. Если в трехфазной цепи использовать предохранители, то они будут снимать напряжение со схемы с разными выдержками времени, что может стать дополнительной причиной развития аварии.
Предохранители работают от тока, без учета его характеристик. Автоматические выключатели подбирают под нагрузку и классифицируют буквами:
- электромеханические (автоматические выключатели);
- электронные;
- самовосстанавливающиеся.
- быстрые повторные включения;
- защита от перегрузок для разных токов;
- отключение цепи при снижении напряжения ниже нормы;
- коммутационные операции;
- дистанционное управление.
- тип D – силовая (электроплита, стиральная и посудомоечная машины);
- тип В – освещение;
- тип С – хозяйственные помещения (гараж, подвал).
- самовосстанавливающие электрическую цепь после устранения аварии;
- устройства сигнализации об аварии;
- восстанавливающие питание за счет внешнего вмешательства.
- Нормальный режим сети. В этом режиме нагрев устройства происходит, как установившейся процесс. При этом он полностью нагревается до определенной температуры и отдает выделяемую теплоту в окружающую среду. На каждом элементе указывается так называемая номинальная сила тока (как правило, указывается наибольшее значение тока элемента конструкции). В предохранитель можно вставить плавкий элемент разной номинальной силы тока.
- Режим коротких замыканий и . Прибор сконструирован так, что при возрастании силы тока в сети, он мог сгореть за кратчайшее время. Для этого плавкий элемент на отдельных участках делают с меньшим сечением, где выделяется больше теплоты, чем на широких участках. При перегорают практически все или полностью все зауженные участки. Когда плавится элемент, вокруг него создается электрическая дуга, гашение которой происходит в патроне механизма.
- основание из электроизоляционного материала с металлической резьбой (необходимо для соединения с электрической цепью);
- сменная вставка, которая плавится.
Время срабатывания предохранителя при К.З. должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов.
При К.З. в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность (избирательность) защиты.
Характеристики предохранителя должны быть стабильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.
В связи с возросшей мощностью уставок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.
Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.
в качестве материала плавкой вставки используют легкоплавкие металлы (цинк, олово, их сплавы);
используют металлургический эффект.
придают плавкой вставке специальную форму.
с открытой плавкой вставкой в воздухе;
закрытые предохранители;
предохранители с наполнителем (засыпные);
инерционные;
быстродействующие предохранители для защиты полупроводниковых приборов;
жидкометаллические;
блоки предохранитель - выключатель.
А — электросети увеличенной протяженности;
В — освещение коридоров и площадок;
С — силовые и осветительные системы с умеренными пусковыми токами;
D — преобладающие нагрузки от включения электродвигателей с большими пусковыми параметрами;
К — индуктивные печи и электрические сушилки;
При перегрузках электрической цепи и коротких замыканиях появляется опасность пожара, оплавления проводки или выхода из строя электроприборов. Чтобы предотвратить опасность, применяются плавкие или автоматические предохранители. Они включаются последовательно с нагрузкой и разрывают цепь при превышении номинального тока.
Типы наиболее распространенных автоматических выключателей
Классификация
По принципу действия предохранители бывают плавкие и автоматические. Первые – это обычные пробки. Они широко применяются в бытовых сетях, поскольку являются последним и самым надежным рубежом защиты. Их вкручивают около счетчика, а цоколь такой же, как у лампы накаливания. После каждого срабатывания перегоревшие пробки следует поменять.
Предохранители устанавливают после счетчика. Вводной автомат, установленный впереди счетчика, должен быть опломбирован, чтобы исключить кражу электроэнергии. Для этого его помещают в бокс с возможностью доступа только к переключателю.
Автоматы подразделяются на следующие типы:
Наиболее распространены автоматические выключатели (фото выше).
После счетчика электрический ток расходится по линиям в квартире. Главный ввод и каждый контур в отдельности нужно защитить от перегрузок и короткого замыкания (КЗ). В домах старой постройки применяются пробки с тонкими токопроводящими вставками (рис. а). При номинальных параметрах плавкая вставка выдерживает токовую нагрузку. Когда ее значение превышает норму, вставка пробки перегорает и разрывает цепь. Для восстановления схемы перегоревший элемент следует поменять на исправный. Это может сделать своими руками даже не специалист.
Плавкие и автоматические предохранители (пробки)
С аналогичной формой были сделаны автоматические устройства, способные заменить пробки. На рис. б изображен предохранитель автоматический резьбовой ПАР-10, где число обозначает номинальный ток. Для него не требуется при каждом срабатывании заменить плавкие вставки, а восстановление работоспособности обеспечивается нажатием кнопки.
Принцип действия предохранителя-пробки
Автоматический предохранитель ПАР изготовлен наподобие пробки и вворачивается вместо нее в патрон. ПАР во включенном состоянии замыкает цепь между резьбовой гильзой (1) и центральным контактом (2) с помощью провода (4) (рис. б). Провод навит на катушку электромагнита (5) и связан с биметаллической пластиной (6). При температурной перегрузке от большого тока пластина изгибается и освобождает рычаг, удерживающий пружину (7). Она разъединяет контакты и поднимает вверх кнопку (9), по которой видно, что автомат сработал. Если возникает ток КЗ, сердечник (8) электромагнита резко втягивается, освобождая рычаг, и пружина размыкает контакты.
Ручное отключение автоматического предохранителя производится путем нажатия на маленькую кнопку (10), которая воздействует на рычаг.
Автоматические выключатели
Для защиты от токов КЗ и перегрузок применяются автоматы (автоматические выключатели). По сравнению с плавкими предохранителями, для которых требуется частая замена, их функциональность существенно расширена в следующих направлениях:
Устройство автомата
Бытовой автоматический предохранитель содержит две защиты – тепловую и электромагнитную. Тепловой расцепитель для защиты от перегрузок – это пластина из биметалла, через которую проходит электрический ток и нагревает ее. При достижении током пороговой величины пластина деформируется так, что воздействует на отключение электрического контакта. В зависимости от перегрузки, время срабатывания может быть длительным. Минимальный ток отключения зависит от типа автомата и составляет не менее 1,3 от номинальной величины. После остывания пластины устройство снова готово к использованию.
Схема устройства автоматического выключателя
Со временем параметры автоматического выключателя могут измениться из-за износа контактов.
Электромагнитный расцепитель является защитой от КЗ. Механизм расцепления в устройстве всего один, но приводится в действие по-разному. При КЗ величина тока значительно выше номинального и биметаллическая пластина может разрушиться. Поэтому требуется мгновенное размыкание контактов, которое производит электромагнит. Импульс тока проходит через катушку и за счет электромагнитной индукции приводит в действие подвижный сердечник, освобождающий пружину расцепителя.
При коротком замыкании отключение автомата вызывает появление электрической дуги, которая принудительно гасится в дугогасительной камере.
Автомат можно использовать как обычный выключатель нагрузки. Обычно для этого стараются применять реле напряжения, имеющее более мощные контакты.
Выбор автоматического предохранителя
В зависимости от назначения автоматы подразделяются на типы, приведенные в таблице.
Типы бытовых автоматических выключателей
Из таблицы видно, что самым важным критерием выбора автомата является номинальный ток. Он должен быть на 10-15% меньше допустимой токовой нагрузки проводки, поскольку главной функцией устройства является ее защита. Затем выбирают автомат, ближайший из стандартного ряда.
Следующий критерий выбора – ток срабатывания. Его можно выбрать, исходя из назначения аппарата, как указано в вышеприведенной таблице.
В системе электроснабжения квартиры или дома может быть установлено несколько автоматов. Номиналы каждого выбираются, исходя из нагрузки каждой линии. При этом должна соблюдаться селективность, чтобы аппараты на верхнем уровне не срабатывали раньше устройств, установленных на низших уровнях.
Схема ввода предусматривает установку впереди счетчика главного двухполюсного автомата, а затем подключение однополюсников на каждую линию. На схеме перед ними установлен дифференциальный автомат, одновременно являющийся автоматом и УЗО.
Схема последовательного подключения автоматических выключателей
Для данной схемы вместо дифференциального выключателя можно установить УЗО, поскольку главный автомат уже есть.
Однополюсный автомат должен подключаться на фазу, а не на нейтраль. Иначе напряжение останется на нагрузке при обесточивании линии.
При трехфазном главном вводе устанавливается четырехполюсный автомат, а нагрузка на фазы равномерно распределяется по линиям. Если нагрузка трехфазная (электрический котел, электродвигатель станка), то к ней подключается четырехполюсный автомат с меньшим номиналом, чем у главного на входе. На рисунке изображена схема трехфазного ввода в дом.
Схема трехфазного ввода в частный дом
Основные однофазные потребители располагаются после счетчика и разделяются на три группы, для каждой из которых требуется свой предохранитель:
На схеме также изображена трехфазная линия, которая обычно применяется для хозяйственных нужд. Для нее выбирается автомат типа С. Если в линии установлены станки с трехфазными двигателями, лучше применить аппарат типа D.
Электронные предохранители и ограничители тока
Электронные защитные устройства разделяются на три вида:
В электронике применяются датчики тока, подключенные к нагрузке. При увеличении падения напряжения на датчике выше заданного, с него подается сигнал на защитное устройство, которое отключает цепь или ограничивает ток.
Простейшей защитой радиоэлектронных устройств от токовых перегрузок является стабилизатор напряжения 220в , изображенный на рис. а. Ток нагрузки здесь не может быть выше максимального тока транзистора КП302В. Для изменения величины выходного тока можно выбрать другой транзистор или включить их параллельно.
Электронные схемы ограничения предельного тока
На рис. б электрический ток также ограничивается транзисторами. VT1 работает в режиме насыщения, и напряжение входа практически полностью передается на выход. В рабочем режиме VT2 закрыт и светодиод HL1 не горит. Датчиком тока служит резистор R3. При превышении на нем порогового значения падения напряжения начинает открываться транзистор VT2, а VT1 – закрываться, ограничивая нагрузочный ток. При этом загорается светодиод HL1, сигнализируя о достижении током порогового значения.
Для больших рабочих токов применяется схема защиты на тиристоре (рис. в). В нормальном режиме тиристор заперт, а составной транзистор работает в режиме насыщения. Когда в нагрузке R н появляется короткое замыкание, через управляющий переход тиристора протекает ток, открывающий его. При этом управляющая цепь транзисторов шунтируется открытым тиристором и ток в нагрузке снижается до минимума.
Видео про предохранители AES 50A, 70A
Об особенностях использования водозащищенных автоматических предохранителей серии AES 50A, 70A видео ниже.
Современный автоматический предохранитель, получивший развитие из обычной пробки до многофункционального аппарата, соответствует требованиям безопасности при работе электрической цепи. Важно правильно его подбирать под тип подключаемой нагрузки и характеристики проводки. Быстродействие и мощность автоматов достаточно высокие. Если необходимо защищать схемы на полупроводниках, применяются электронные устройства. Наиболее эффективной является защита с несколькими устройствами, включая плавкие предохранители.
Плавкий предохранитель – это коммутационный электрический аппарат, который используется для отключения защищенной цепи. Его назначение – это защита электрической сети и электрооборудования от короткого замыкания и значительной перегрузки. Основными параметрами изделий являются номинальный и предельно отключаемый ток, а также номинальное напряжение. В этой статье мы подробно рассмотрим плавкие предохранители: их назначение, типы, устройство и принцип действия.
Как работает устройство?
Плавкий предохранитель работает в двух режимах, которые значительно отличаются друг от друга.
Сила тока должна указываться на корпусе прибора, а также должно учитываться максимально разрешенное напряжение, при котором прибор не выйдет из строя.
На графике ниже указывается зависимость времени перегорания плавкого элемента от тока:
Где l10 – это ток, при котором происходит плавление элемента и отключение его от сети за 10 с.
Разновидности и типы элементов
Плавкие предохранители делятся на два вида: низковольтные и высоковольтные. Деление это объясняется величиной напряжения рабочей электросети, в которой используется предохранитель.
Низковольтные приборы маркируются как ПН или ПР и рассчитаны для напряжения до 1000 В. В низковольтных устройствах ПН вокруг вставки из меди находится мелкозернистый наполнитель. Применение их рассчитано до 630 Ампер.
Прибор ПР более простой (на фото ниже), чем ПН, но при коротком замыкании и они способны гасить электрическую дугу. Рассчитаны на токи от 15 до 60 Ампер.
По конструктивным особенностям предохранители делятся на патронные, пробочные, пластичные и трубчатые. По типу исполнения выпускают разборные и неразборные изделия. У разборных есть возможность доступа к вставке. Конструкция разбирается и сгоревшая вставка заменяется на новую. Неразборные сконструированы из стеклянной колбы, поэтому считаются одноразовыми и замене вставки не подлежат.
Конструкция
Современный плавкий предохранитель состоит из двух частей:
Основа устройства – вставка, которая сгорает или плавится при коротком замыкании. Для того чтобы погасить дугу, которая образовывается в результате перегорания сменной вставки, устанавливают дугогасящие приспособления.
Выводы вставки соединяются с клеммами таким образом, что предохранитель подключается в линию электрической цепи. Для этого применяют специальные надежные крепежные клеммы (держатели), которые должны обеспечивать хороший контакт. Если его не будет – то в этом месте может возникнуть нагрев.
Особенностью конструкции предохранителей считается то, что устройство сгорает раньше, чем повреждаются другие части механизма. Ведь его легче заменить, чем микросхему или другой компонент оборудования. Поэтому такую деталь и выбирают с тем учетом, чтобы скорость его плавления была больше, чем в проводах линии. Их температура не должна достигнуть опасного уровня, так как это приведет к выходу из строя оборудования.
Конструкция механизма пробочного типа имеет вид патрона, в который вкручивается плавкий предохранитель с цоколем. При возникновении аварийной ситуации перегорает пробка. На сегодня это пробка имеет вид кнопки, похожей на обычный выключатель. Эта кнопка после аварии возвращает устройство в рабочее состояние.
Помимо того, что плавкий компонент защищает электрическую цепь от повреждений, он еще и защищает от пожаров и возгораний. Ведь обычный провод может соприкасаться с горючими материалами в момент возгорания, а деталь сгорает внутри корпуса прибора.
Номиналы устройства подбираются по наименьшим расчетным токам электрической сети или отдельной части электрической цепи. Таблица номиналов предоставлена ниже:
Если необходимо сменить такой компонент на АВ (автоматические выключатели), то их номинал должен быть на шаг больше составляющей части. Например:
О том, мы рассказывали в соответствующей статье.
16.предохранитель.doc
16. Предохранители. Назначение предохранителей. Конструкция. Условия выбора предохранителей.ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили очень широкое их применение.
Предохранители низкого напряжения изготавливаются на токи от миллиампер до тысячи ампер и на напряжение до 660 В, а предохранители высокого напряжения – до 35 кВ 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; плавкую вставку; контактное присоединительное устройство; дугогасительное устройство или дугогасящую среду.
Процесс срабатывания предохранителя делится на несколько стадий: нагревание вставки до температуры плавления, плавление и испарение вставки, возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующегося изоляционного промежутка.
^ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРЕДОХРАНИТЕЛЯМ
. 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 равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.
Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении установившейся температуры, называется пороговым (пограничным) током
. Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе , необходимо, чтобы > . С другой стороны, для лучшей защиты значение должно быть возможно ближе к номинальному. При токах, близких к пограничному, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления (происходит тепловое «старение» плавкой вставки, т.к. все детали предохранителя нагреваются до высоких температур).
Чтобы достигнуть резкого сокращения времени плавления вставки с ростом тока, идут по следующим направлениям:
Например: на плавкую медную вставку t пл =1100 С наносится шарик олова с t пл =232 С.
При прохождении тока по вставке оловянный шарик расплавляется и расплавляет медь.
Этот способ применим только при тонких вставках, при возрастании диаметра влияние его резко снижается и практически не сказывается.
^ НАГРЕВ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ ПРИ КЗ
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.
Время нагрева вставки до температуры плавления определяется
,где
- постоянная, определяемая только свойствами материала и от размеров вставки не зависящая - плотность тока во вставке (отношение поперечного сечения вставки к току во вставке при К.З.)
После того как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится (в десятки раз).
Время перехода из твердого состояния в жидкое:
,
где
- постоянная, зависящая от свойств материала (температуры плавления)
Значения и можно найти в справочных таблицах.
Основным параметром предохранителя при К.З. является предельный ток отключения – ток, который он может отключить при наибольшем рабочем напряжении.
Полное время отключения цепи предохранителем (разрыв жидкометаллического мостика под действием электродинамических сил и образования дуги) равно:
Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя.
Для предохранителей со вставкой, находящейся в воздухе:
- коэффициент, учитывающий время горения дуги.
В предохранителях с наполнителем
- коэффициент, учитывающий время горения дуги предохранителя с наполнителем.
За счет того, что в предохранителях используется металлургический эффект, вставки с перешейками, легкоплавкие материалы, добиваются того, что предохранитель отключает ток короткого замыкания еще до достижения установившегося значения (средства дугогашения гасят дугу за миллисекунды), т.е. имеется эффект токоограничения.
Д
уга образуется через время после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения.
^ ПО ПРИНЦИПУ УСТРОЙСТВА ПРЕДОХРАНИТЕЛИ МОЖНО РАЗДЕЛИТЬ НА
СЛЕДУЮЩИЕ ВИДЫ:
Предохранитель-компонент электрических и радиоэлектронных устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети от аварийных электрических токов, возникающих при авариях и отказах, неправильного включения, ошибок монтажа. В большей части конструкций отключение цепи осуществляетсяпутём 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.
Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили широкое их применение. Предохранители низкого напряжения изготовляются на токи от миллиампер до тысяч ампер и на напряжение до 660 В, а предохранители высокого напряжения – до 35 кВ 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.
В качестве плавких вставок используются цинковые пластинки с несколькими сужениями (перешейками). В нормальных условиях нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдаётся в окружающую среду. При этом, кроме вставки, нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений.
При прохождении большого тока короткого замыкания быстрее всего расплавляются перешейки, имеющие большое сопротивление. Создаётся несколько разрывов цепи и возникает электрическая дуга. Внутри патрона создаётся давление, пропорциональное квадрату тока в момент плавления вставки. Оно может повыситься до нескольких десятков атмосфер. Наличие нескольких разрывов, повышение давления и некоторые другие факторы позволяют резко уменьшить время с момента начала короткого замыкания до погасания дуги. Процесс гашения начинается ещё до того, как ток короткого замыкания достигнет установившегося или даже амплитудного значения. Таким образом, предохранитель может отключить повреждённую цепь с токоограничением. При этом облегчаются условия гашения дуги для самого предохранителя, так как отключается не установившийся ток короткого замыкания, а ток, определяемый временем расплавления вставки.
Хорошие результаты даёт применение плавкой вставки из медной проволоки с использованием металлургического эффекта. На тонкую проволоку диаметром менее 1 мм наносится шарик олова. При нагреве сначала плавится олово, имеющее температуру плавления 232 °С. В месте его контакта с проволокой начинается растворение меди и уменьшение сечения вставки. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока в месте расположения шарика проволока не расплавится. Возникающая дуга разрушает её по всей длине. Данная конструкция снижает среднюю температуру плавления вставки до 280 °С и главное – время срабатывания предохранителя.
После срабатывания предохранителя требуется замена сгоревшей плавкой вставки новой. Во избежание изменения уставки срабатывания плавкая вставка должна быть прокалибрована с указанием на клейме номинального тока вставки. Клеймо должно быть поставлено заводом изготовителем или электротехнической лабораторией. Применение вставок без клейма запрещается.
Патрон предназначен для размещения плавкой вставки и крепления предохранителя к панели. Предохранители, которые включаются в сеть с большим напряжением, имеют большую длину патрона и повышенную отключающую способность. В зависимости от величины номинального тока меняется диаметр патрона. В каждом габарите могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи. В некоторых типах предохранителей патрон заполняется кварцевым песком. При коротком замыкании дуга горит в канале, образованном песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность. Это позволяет при относительно небольшой длине патрона добиться эффективного гашения дуги.
Предохранители характеризуются номинальным напряжением, номинальным током, а также предельно отключаемым током предохранителя и номинальным током плавкой вставки. Номинальное напряжение предохранителя U ном.пр. соответствует наибольшему напряжению цепи, в которую допускается включать предохранитель.
Номинальный ток предохранителя (патрона, контактных стоек) I ном.пр. соответствует длительному току, на который он рассчитан. Так как в один и тот же патрон можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи, то I ном.пр. равняется наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя.
Предельно отключаемый ток предохранителя I о.пр. – наибольший ток, при котором ещё обеспечивается гашение дуги без повреждения патрона предохранителя.
Номинальный ток плавкой вставки I ном.в. – наибольший ток, который неограниченное время не вызывает перегорание плавкой вставки.
Зависимость времени расплавления вставки от величины протекающего по ней тока называется защитной время-токовой характеристикой плавкой вставки. На рис. 1 по оси абсцисс отложены кратности расплавляющего тока по отношению к номинальному току плавкой вставки. Чем на большую величину ток превышает номинальное значение плавкой вставки, тем она быстрее перегорит.
Рис. 1. Время-токовая характеристика плавкой вставки
Ток расплавления плавкой вставки увеличивается с увеличением её сечения, но время-токовая характеристика сохраняет тот же вид (кривые 1-3 на рис. 2). Это может быть использовано для обеспечения селективности защиты. Если один и тот же ток I 1 протекает через два предохранителя, то плавкая вставка меньшего сечения расплавится за время t 1 (кривая 1), а второго – за время t 2 (кривая 2). Поэтому, если в сеть будут последовательно включены два или более предохранителя на разные номинальные токи, то раньше всех расплавится плавкая вставка предохранителя, находящегося ближе к месту повреждения.
Рис. 2. Время-токовые характеристики плавких вставок
Как видно из приведённой на рис. 1 характеристике, плавкие предохранители имеют большую зону разброса и вследствие этого невысокую точность во всём диапазоне токов. Это объясняется тем, что на величину плавящего тока и время расплавления влияет большое число факторов – материал, длина и сечение плавкой вставки, её состояние (старение, окисление, целостность), конструкция плавкой вставки и патрона (определяет условия охлаждения), температура окружающей среды и др.
Предохранители серии ПР-2. Эти предохранители изготовляются на напряжение 220 В (габарит 1) и напряжение 500 В (габарит 2), на номинальные токи патронов 15÷1000 А и плавких вставок 6÷1000 А. Отключающая способность в зависимости от габарита и номинального тока составляет 1,2÷20 кА.
Узел предохранителя состоит из двух контактных стоек и одного патрона, внутри которого размещены одна или две (в зависимости от значения тока) плавкие вставки. Плавкие вставки (рис. 3, в) изготовляются из листового цинка марок Ц0 или Ц1. Стойки представляют собой комплекты токопроводящих частей с врубными контактами и крепёжными деталями. Контактное нажатие создаётся в предохранителях на 15÷63 А за счёт пружинящих свойств материала скобы контактных стоек, в предохранителях на 100÷350 А – стальной кольцевой или пластинчатой пружиной, в предохранителях на 630÷1000 А – за счёт винта с пластмассовой рукояткой, установленного на контактной стойке.
Рис. 3. Предохранитель серии ПР-2: а – патрон на номинальные токи 15÷63 А; б – патрон на номинальные токи 100÷1000 А; в – формы плавких вставок
Патрон (рис. 3, а и б) представляет собой фибровую трубку 1, на которую с двух сторон навёрнуты латунные втулки 3, имеющие прорезь для плавкой вставки 2. На втулки навёрнуты латунные колпачки 4, являющиеся у предохранителей до 63 А контактными частями патрона. У предохранителей на 100÷1000 А контактными частями являются медные ножи 6. Для предотвращения поворота ножей предусмотрена подкладная шайба 5, имеющая паз для ножа.
Возникающая при перегорании вставки дуга вызывает сильную газогенерацию из стенок трубки 1, давление в трубке резко возрастает (до 10 МПа и более), что приводит к интенсивному гашению дуги.
Предохранители серии ПД и ПДС (рис. 4) рассчитаны для защиты цепей постоянного тока напряжением до 350 В и переменного тока частоты 50 Гц напряжением до 380 В. Предохранители серии ПДС изготовляются семи величин на токи 1÷630 А, серии ПДС – шести величин на токи 1÷350 А и имеют повышенную механическую прочность. Предохранители серии ПДС отличаются от предохранителей ПД тем, что корпус у них выполнен не из фарфора, а из стеалита. Предохранители ПД и ПДС состоят из контактной гильзы 9 с фарфоровым или стеалитовым основанием 12 и плавкой вставки. Плавкая вставка закрепляется головкой 2, которая навинчивается на контактную гильзу. В контактную гильзу завальцована контактная стойка 10 для внешних присоединений.Другой внешний контакт 13 в предохранителях на токи до 63 А крепится к токопроводу путем расклепки или пайки, в предохранителях на большие токи он выполняется в виде болтового соединения. Контактная гильза изолируется от токоведущей шины гетинаксовой шайбой 11. Пружинное кольцо 7 предотвращает самоотвинчивание головки.
Вставка состоит из полого фарфорового цилиндра 5, на торцах которого укреплены контактные колпачки 4. Между колпачками расположены плавкие вставки 6 и контрольная проволочка, связанная с контрольным алюминиевым глазком 3. Цилиндр заполнен кварцевым песком 8. Контрольная проволочка перегорает вместе с плавкими вставками, и контрольный глазок выбрасывается расположенной под ним пружинкой. В застеклённое отверстие 1 виден контрольный глазок, по которому наблюдают за исправностью плавкой вставки. Гашение дуги осуществляется за счёт высокого давления и интенсивного охлаждения в узких каналах наполнителя. Отключающая способность этих предохранителей до 15 кА.
Предохранители серии ПН-2 (рис. 5) предназначены для защиты силовых цепей до 500 В переменного тока и 440 В постоянного тока, выполняются на номинальные токи 100, 250, 400 и 630 А, обладают токоограничивающим действием и высокой разрывной способностью. Корпус 1 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 4 винтами. Крышка с асбестовыми прокладками 5 привинчивается к корпусу и герметически закрывает 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÷0,3 мм, обработанный двухпроцентным раствором соляной кислоты, промытый и прокаленный при температуре 120÷180 о С. Герметизация корпуса предохраняет песок от увлажнения.
Плавкая вставка выполняется из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15÷0,35 мм и шириной до 4 мм с просечками 7, уменьшающими на длине не менее 6 мм 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 объёму наполнителя, чем также облегчается гашение дуги.
Для снижения нагрева 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 – 50 кА для предохранителя на 100 А и до 100 кА для предохранителей на 630 А. Предохранители серии ПН-2 находятся на уровне лучших современных конструкций.
Предохранители серии ПК и ПКТ выполняются с мелкозернистым наполнителем на напряжение 3, 6, 10 и 35 кВ и номинальные токи 400, 300, 200 и 40 А соответственно. Наибольшая разрывная способность 200 мВА для силовых предохранителей и 1000 мВА и более 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÷0,007 с. Предохранители предназначены для внутренней и наружной установки.
Предохранитель серии ПК (рис. 6) состоит из контактных стоек 1, укреплённых через соответствующие изоляторы 2 на стальном основании 3, и патрона 4. Патрон состоит из изоляционного корпуса 8, армированного по концам латунными колпаками 13 и закрытого герметично с обеих сторон крышками 5. Внутри патрона размещаются плавкие вставки 7. Весь объём заполнен кварцевым песком 6. Перегорание предохранителя сигнализируется якорем 14, который после перегорания удерживающей его стальной указательной вставки 11 выталкивается пружиной 12.
Рис. 6. Предохранители серии ПК: а – общий вид; б – патрон плавкой вставкой на керамическом сердечнике; в – патрон со спиральной плавкой вставкой
На малые токи плавкая вставка выполняется в виде намотки из тонких проволок 9 на керамическом сердечнике 10. На большие токи плавкие вставки выполняются в виде отдельных спирально свитых проволок 9 (рис. 6). Проволоки медные, посеребрённые либо константановые. Такая форма вставок обусловлена стремлением разместить достаточно длинную вставку в патроне ограниченной длины.
Для снижения температуры предохранителя при небольших перегрузках на места скрутки плавких вставок напаяны оловянные шарики. Для ограничения перенапряжений при токах 7,5 А и ниже вставки имеют переменное сечение. Разное время перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при отключении.
Предохранители стреляющие серии ПСН-35 предназначены для наружной установки в сетях напряжением 35 кВ и выше. В корпусе патрона 1 (рис. 7) установлены трубки из винипласта 2 и 3, соединённые между собой стальным корпусом 4 с предохранительным клапаном 6. Гибкий проводник 7 с наконечником 8 находятся в натянутом положении за счёт пружины контактного ножа и удерживается в этом положении плавкой вставкой 5. При перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под действием пружины, вытягивает за собой гибкий проводник. Выбросу гибкого проводника способствуют газы, образующиеся при разложении винипластовой трубки электрической дугой. Дуга тянется за гибким проводником и гасится потоком газа, вытекающего из отверстия трубки. После отключения между ножом и концом трубки образуется воздушный промежуток, обеспечивающий нужный уровень изоляции отключенной цепи. Время горения дуги в таком предохранителе существенно зависит от отключаемого тока, возрастая от 0,04 с при больших отключаемых токах, которые для стреляющих предохранителей находятся на уровне 3÷5 кА, до 0,3 с при отключаемых токах в сотни ампер.
Рис. 7. Стреляющий предохранитель ПСН-35
Плавкая вставка состоит из нихромовой проволоки-держателя, воспринимающего механическую нагрузку откидывающегося ножа, и медных проволочек или пластинок, количество и сечение которых устанавливается в зависимости от номинального тока вставки.