[ документ ]

Презентация Основные понятия практической электротехники [ реферат ]

Расчет и выбор автоматов и предохранителей [ документ ]

1.doc

Лабораторная работа №1

Предохранители.

Цель работы: изучение конструкций и принципа действия основных типов предохранителей до 1000 В и выше 1000 В.

1. Теоретическая часть.

1.1 Общие сведения о предохранителях.

Плавкий предохранитель представляет собой однополюсный коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от сверхтоков (токи перегрузки и токи КЗ). Действие его основано на плавлении током металлической вставки небольшого сечения и гашении образовавшейся дуги. В защищаемую цепь предохранитель включается последовательно.

Достоинства предохранителей:

А) простота устройства и низкая стоимость;

Б) быстрое отключение цепи при КЗ;

В) способность некоторых предохранителей ограничивать ток КЗ.

Основными параметрами предохранителей являются номинальные значения напряжения и токов. Номинальный ток предохранителя должен соответствовать наибольшему току плавкой вставки, которая может быть в нем установлена.

Под номинальным током предохранителя следует понимать ток, на который рассчитаны его токоведущие части, а под номинальным током плавкой вставки - ток, на который рассчитана сама вставка. Он может отличаться от номинального тока предохранителя. Номинальный ток предохранителя равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Протекание тока, превышающего наименьший испытательный ток, приводит к перегоранию плавкой вставки. Наименьший испытательный ток превышает ток плавкой вставки в 1,3…1,5 раза. Выбор плавких вставок, обеспечивающих селективность защиты сети, производится по времятоковой характеристике вставок (рис. 1).

Рисунок 1. - Защитная (времятоковая) характеристика предохранителя при различных номинальных токах плавкой вставки.

Между источником энергии и потребителем обычно устанавливают несколько предохранителей, которые должны отключать поврежденные участки по возможности селективно. Под селективным действием предохранителей понимается избирательность к токам короткого замыкания. Первым должен перегореть предохранитель, который расположен ближе к точке короткого замыкания со стороны источника питания.

По характерным признакам предохранители делятся:

1. 
   по способности ограничивать ток при отключении – на токоограничивающие и нетокоограничивающие;
2. 
   по способу гашения дуги - на обеспечивающие гашение дуги за счет ее тесного соприкосновения с мелкозернистым наполнителем и на обеспечивающие гашение дуги за счет генерирования газов при воздействии дуги на твердый материал корпуса и последующего выхлопа этих газов;
3. 
   по диапазону токов отключения:

- класс 1 - от одночасового тока плавления до номинального тока отключения (предохранители общего значения);

Класс 2 - от нормированного тока отключения, превышающего одночасовой ток плавления, до номинального тока отключения (предохранители для работы совместно с коммутационными аппаратами).

Защитной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, т. е. зависимость времени плавления вставки от действующего значения тока. Как видно из рисунка 1, по мере увеличения номинального тока плавкой вставки характеристики смещаются вправо, т.е. предохранитель надежно защищает объект при больших перегрузках. При малых перегрузках его функции выражены слабее. Значение тока, при котором вставка предохранителя плавится в течение 1 ч., должно быть более 150% и менее 200% номинального тока вставки.

При токах, превышающих ток срабатывания предохранителя, плавкая вставка должна перегореть в кратчайшее время. Чтобы достигнуть резкого сокращения времени плавления вставки с увеличением тока, применяют следующие способы:

1) придают плавкой вставке специальную форму (выполняют в виде
пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках);

2) используют металлургический эффект (напаивают небольшие
оловянные шарики на плавкую вставку, выполненную в виде проволоки).

Рассмотренные способы ускорения перегорания вставки при токах перегрузки и КЗ приводят к существенному достоинству плавких предохранителей - токоограничивающему действию. Плавкая вставка перегорает значительно раньше, чем ток цепи при КЗ успевает достигнуть установившегося значения (штриховая линия) (рис. 2). Таким образом, величина тока КЗ ограничивается в 2 ÷ 5 раз и тем самым снижается разрушительное действие электродинамических сил.

Рисунок 2. - Токоограничивающий эффект предохранителей:

А) при постоянном токе;

Б) при переменном токе

Наибольший ток, который предохранитель может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, препятствующий его дальнейшей работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключения предохранителя.

^ 1.1.1 Предохранители до 1000 В.

В установке переменного и постоянного тока с напряжением до 1 кВ плавкие предохранители применяют для защиты линий, электродвигателей и других приемников электроэнергии от действия токов КЗ и перегрузки.

Предохранители с закрытыми разборными патронами типа ПР-2 изготавливаются на номинальные токи 15 ÷ 1000 А (рис. 3). Патрон предохранителя состоит из фибровой трубки 2 с латунными контактными держателями 1 , закрепляющих контактных ножей 4 , к которым присоединяется плавкая вставка 3 . Для отвода избыточного тепла в месте соединения плавкой вставки и ножа установлена массивная медная шайба 5 , предотвращающая произвольный поворот контактных ножей. Патрон вставляют в неподвижные контактные стойки, закрепленные на изолированной плите.

Рисунок З - Предохранитель типа ПР-2:

А) конструкция предохранителя;

Б) форма плавких вставок;

1 - контактные держатели, 2 - фибровая трубка, 3 - плавкая вставка, 4 - контактный нож, 5 - медная шайба

Плавкие вставки изготавливаются из цинка в виде пластины с вырезами. На суженных участках выделяется больше тепла, чем на широких, но при номинальном режиме избыточное тепло, благодаря теплопроводности цинка, передается широким частям, поэтому вся вставка имеет примерно одинаковую температуру.

При перегорании плавкой вставки от действия протекающих токов КЗ и перегрузки образуется электрическая дуга. В основу гашения дуги заложен принцип деления ее на части - разрывы, что обеспечивается самой конструкцией вставки. Нагрев узких участков идет быстрее, чем широких. Вставка перегорает во всех суженных местах. Широкие части под собственной массой падают вниз патрона, улучшая эффективность разрыва электрической дуги.

Высокая температура электрической дуги, воздействуя на стенки фибрового патрона, вызывает образование газов. Давление газов до 4…8 МПа способствует быстрому охлаждению и гашению электрической дуги. Достоинством предохранителей является простота смены сгоревшей вставки.

Предохранители типа ПН-2 выполняются на номинальные токи 100…600 А (рис. 4), широко применяются для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В постоянного тока.

Рисунок 4.-Предохранитель ПН-2:

1 - корпус, 2 - крышка, 3 - контактные ножи, 4 - плавкая вставка, 5 - прорези, 6 - шарики

Корпус ^ 1 фарфоровый, квадратный, имеет резьбовое отверстие для винтов, с помощью которых крепятся крышка 2 с контактными ножами 3 , плавкая вставка 4 , приваренная к шайбам ножей.

Корпус заполнен наполнителем - сухим кварцевым песком и герметически закрыт крышками с асбестовыми прокладками. Плавкие вставки изготовлены из тонких медных лент толщиной 0,15…0,35 мм и шириной до 4,4 мм; на вставке сделаны прорези 5 , уменьшающие сечения вставки в два раза. Для снижения температуры плавления центральной части используется металлургический эффект - на полоски меди напаиваются шарики - 6 , температура плавления в этом случае не превышает 475С.

Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро). Для ускорения плавления вставки при перегрузках и токах КЗ на проволоки напаиваются небольшие оловянные шарики. 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 6 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 (защитной) характеристики может применяться при тонких вставках, например, диаметром шарика 1 мм для проволок 0,3 мм и диаметром шарика 2 мм, при более толстых проволоках. При возрастании диаметра вставки металлургический эффект резко снижается и практически не сказывается. Применение металлургического эффекта позволяет значительно уменьшить ток срабатывания предохранителя при неизменном номинальном токе, т.к. номинальный ток будет зависеть только от сечения плавкой вставки.

При перегорании вставки электрическая дуга гасится в узких щелях кварцевого песка. Для уменьшения эффекта токоограничения и, следовательно, перенапряжений используются прорези на плавкой вставке (узкие места), сгорая в которых дуга разделяется на части. Предохранители НПН подобны ПН, но имеют неразборный патрон без контактных ножей и рассчитываются на токи до 60 А. Предельный отключаемый ток в предохранителях ПН-2 достигает 60 кА.

^ 1.1.2 Предохранители выше 1000 В.

Высоковольтные предохранители типа ПК, ПКТ и стреляющие типа ПСН имеют то же назначение, что и предохранители до 1000 В и предназначены для защиты силовых трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов, электродвигателей и трансформаторов напряжения от токов КЗ и перегрузки.

Предохранители серии ПК (предохранитель кварцевый), ПКТ (предохранитель кварцевый, трансформаторный) выполняются на напряжения 6…35кВ и номинальные токи 7,5…3000 А (рис. 5).

Конструкция представляет собой круглый патрон ^ 1 , изготовленный из фарфора или стекла, армированный латунными колпаками 2 . Внутри корпуса помещена плавкая вставка 5 в виде одной или нескольких параллельно включенных тонких медных проволок, изготовленных чаще из посеребренной меди и намотанных на керамический сердечник (на ток 7,5 А) или выполненных спирально (на большие токи). Корпус (трубка) заполнен кварцевым песком 4 , герметически закрыт крышкой. Длина патрона определяется номинальным напряжением. Срабатывание предохранителя определяется по указателю 7 после перегорания стальной натяжной вставки 6 . Для снижения перенапряжения (время срабатывания предохранителя - 0,008 с.) искусственно затягивается гашение электрической дуги путем применения вставок ступенчатого сечения по длине, параллельно основным рабочим вставкам включают вспомогательные вставки с искровыми промежутками. Последней перегорает стальная вставка указателя, сигнализируя о срабатывании предохранителя.

Рисунок 5-Предохранитель типа ПК-10:

1 - круглый патрон, 2 - латунные колпаки, 3 - шарики олова, 4 - кварцевый песок, 5 - плавкая вставка, 6- стальная натяжная вставка, 7 - указатель

Предохранители серии ПКТ, применяемые для защиты измерительных
трансформаторов напряжения, по конструкции подобны ПК, но имеют одну константовую вставку, намотанную на керамический сердечник. Малое сечение вставки обеспечивает быстрое срабатывание, но при этом образуется значительный токоограничивающий эффект. Разновидностью предохранителей ПК является предохранитель типа ПКУ (усиленный с большой мощностью отключения).

Применение параллельных плавких вставок (при больших токах) позволяет при том же суммарном поперечном сечении вставок лучше использовать объем наполнителя, тем самым улучшить условия охлаждения вставок.

Предохранители серии ПСН (предохранитель стреляющий, наружной установки) выполняются на напряжения 10, 35, 110 кВ и номинальные токи 50…100 А (рис. 6). Этот вид предохранителей относится к предохранителям с автогазовым гашением дуги.

Основной частью предохранителя является газогенерирующая труба ^ 4 , выполненная из винипласта. Внутри трубы расположен гибкий проводник 2 , с контактным наконечником 3 , соединенный с плавкой вставкой 1 , патрон предохранителя крепится к опорному изолятору 6 .

При перегорании плавкой вставки и действии высокой температуры дуги на внутренние стенки трубы происходит бурное газообразование. Пружинный контакт предохранителя, соединенный с наконечником 5 , выбрасывает гибкий проводник из канала трубы. Электрическая дуга растягивается до критической длины и гаснет за счет автогазового дутья. Срабатывание сопровождается звуковым эффектом - выстрелом. Образующийся воздушный промежуток обеспечивает изоляцию в месте разрыва.

Предохранители ПСН устанавливаются в открытых РУ для защиты силовых трансформаторов от токов КЗ.

Рисунок 6-Предохранитель типа ПСН-35:

1 - плавкая вставка, 2 - гибкий проводник, 3 - контактный наконечник, 4 - газогенерирующая труба, 5 - наконечник, 6 - опорный изолятор

1.1.3 Выбор плавких предохранителей.

При выборе плавких вставок руководствуются следующими условиями:

1. 
   Номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать номинальному напряжению установки.
2. 
   Номинальный ток вставки должен быть выбран так, чтобы она не расплавилась в утяжеленном режиме, когда рабочий ток имеет наибольшее значение. Вставка не должна плавиться в переходных режимах, когда броски тока в среднем достигают 8... 10 I ном. Трансформатора, включаемого в работу. Номинальный ток вставки должен быть выбран так, чтобы обеспечить избирательность отключения при КЗ.
3. 
   Номинальный ток отключения предохранителя не должен быть меньше периодической составляющей тока КЗ.
4. 
   Значение наибольшего мгновенного тока, пропускаемого
   токоограничивающими предохранителями, не должно превышать
   допустимых токов аппаратов в защищаемой части сети.
5. 
   Необходимо обеспечить селективность действия предохранителей.

Таблица 1.1. – Типы предохранителей

Тип предохранителя	Номинальный ток плавкой вставки
ПНИ – 33 габарит 00
ПНИ – 33 габарит 0	2,4,8,10,12,16,20,25,32,40,50,63,80,100,125,160
ПНИ – 35 габарит 1	40,50,63,80,100,125,160,200,250
ПНИ – 37 габарит 2	40,50,63,80,100,125,160,200,250,315,355,400
ПНИ – 39 габарит 3	100,125,160,200,250,315,355,400,500,630
Номинальное напряжение	До 650 В
Номинальная частота	50 Гц
^ Номинальная отключающая способность	50 кА при, 120 кА при 500 В
Классификационная группа	g O
Материал контактов	Медь с гальваническим покрытием сплавом олово - висмут
Показатель срабатывания (индикатор)	Выдвижной шток

Таблица 1.2. – Типы предохранителей

Тип предохранителя	Характеристика
ПН-2-30А	выполняется на номинальный ток 30А, широко применяются для защиты силовых цепей
ПН-2-100А	выполняется на номинальный ток 100А, широко применяются для защиты силовых цепей
ПР-2-15А	предохранители с закрытыми разборными патронами, изготавливаются на номинальный ток 15А
ПР-2-У4-100А	предохранители с закрытыми разборными патронами, изготавливаются на номинальный ток 100А. Для установки в умеренном климате, в помещении с контролируемой атмосферой
ПР-2-100А	предохранители с закрытыми разборными патронами, изготавливаются на номинальный ток 100А
ПР-2-200А	предохранители с закрытыми разборными патронами, изготавливаются на номинальный ток 200А
ПР-2-600А	предохранители с закрытыми разборными патронами, изготавливаются на номинальный ток 600А
НПН-2-60А	предохранители имеют неразборный патрон без контактных ножей, изготавливаются на номинальный ток 60А
НПН-2-40А	предохранители имеют неразборный патрон без контактных ножей, изготавливаются на номинальный ток 40А

Таблица 1.3 – Параметры предохранителей

Таблица 1.4 – Общие сведения о предохранителях

Продолжение таблицы 1.4.

Устройство, состоящее из плавкого металлического элемента в виде тонкой пластины или проволоки и корпуса с контактным устройством называют предохранителем. Он предназначен для защиты электрических цепей от токов перегрузки и короткого замыкания.

Длительное протекание тока – нормальный режим работы плавкой вставки. Но при увеличении нагрузки выше номинальной или возникновения короткого замыкания (I сети >I вставки) металл нагревается до температуры плавления и, расплавляясь, разрывает цепь. В отличии от плавкая вставка является одноразовой и при ее срабатывании подлежит замене на новую.

Изготавливают плавкие вставки, как правило из сплава свинца с медью, с оловом, а также с другими металлами. Медные вставки перед установкой лудят, чтоб избежать окисления металла и ухудшения его проводящих свойств. Они имеют малое поперечное сечение, так как имеют малое сопротивление. Довольно большое количество предохранителей снабжают дугогасительными средствами внутри их корпуса (например фибра или кварцевый песок). Ток, на который рассчитывается плавкая вставка, называют номинальным током плавкой вставки I вставки, в отличии от номинального предохранителя I предохр. , на который рассчитывается токоведущие части устройства, а также контактные и дугогасительные.

Время перегорания плавкой вставки зависит от протекаемого через нее тока, а зависимость этого тока от времени перегорания t=f(I) называют защитной характеристикой. Она показана ниже:

На рисунке показаны характеристики двух различных предохранителей 1 и 2. У них разные номинальные токи и как видим из графика при одном и том же токе перегрузки устройство 1 перегорит быстрее чем 2. Соответственно чем меньше номинал устройства, тем быстрей оно перегорит. Это свойство позволяет обеспечивать селективную защиту электрических цепей.

По конструктивным особенностям можно выделить трубчатые и пробочные предохранители.

Трубчатые – выполняют закрытыми с корпусами из газогенерирующего материала – фибры, при повышении температуры он создает в трубке большое давление за счет чего происходит разрыв цепи. Предохранитель типа ПР:

Где: 1 – контакты замыкающие, 2 – латунные колпаки, 3 – кольца латунные, 4 – плавкая вставка, 5 – трубка фибровая.

Такое устройство состоит из плавкой вставки 4, которая заключается в фибровую трубку разборного типа 5, армированную концевыми латунными кольцами 2, которые замыкают контакты 1.

Пробочные предохранители применяют, как правило, в осветительных установках, для защиты бытовых потребителей (электросчетчики), а также для электродвигателей малой и средней мощности. Способом крепления плавкой вставки они отличаются от трубчатых.

Также существуют самовосстанавливающиеся предохранители. Суть их работы состоит в том, что при нагревании они резко изменяют свое сопротивление в большую сторону, что приводит к разрыву цепи. Как только температура их снижается до рабочей, сопротивление уменьшается и цепь замыкается снова. За основу их конструкции взяты полимерные материалы, которые обладают кристаллической решеткой при нормальном температурном режиме работы и резко переходят в аморфное состояние при нагревании.

Такие предохранители получили широкое распространение в цифровой технике (компьютеры, мобильные телефоны, системы АСУ ТП). В виду большой стоимости в силовых цепях, как правило, не применяются. Они очень удобны, так как не требуют замены после разрыва цепи.

Довольно много электриков во избежание частого перегорания плавких вставок делают так называемые «жучки» — вместо специального сплава плавкой вставки прикрепляют обычную проволоку малого сечения. Этого делать не следует, потому что время перегорания сплава и обычной проволоки такого же сечения могут сильно разнится, что может привести к печальным последствиям. Поэтому если у вас часто срабатывают предохранители, следует установить причину их срабатывания, а не пытаться загрубить защиту путем установки «жучков».

Также про устройство и работу предохранителей вы можете посмотреть здесь:

Плавкие предохранители

Предохранитель - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под дей­ствием тока, превышающего определенное значение.

В плавких предохранителях отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекаю­щим через нее током защищаемой цепи. После отключения цепи не­обходимо заменить плавкую вставку исправной.

Предохранитель включается последовательно в защищаемую цепь, а для создания видимого разрыва электрической цепи и безо­пасного обслуживания совместно с предохранителями применяются неавтоматические выключатели или рубильники.

Предохранители изготавливаются на напряжение переменного тока 42, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.

Основными элементами предохранителя являются корпус, плав­кая вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.

Предохранители характеризуются номинальным током плавкой вставки, т. е. током, на который рассчитана плавкая вставка для дли­тельной работы. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены сменные плавкие элементы на различные номинальные то­ки, поэтому сам предохранитель характеризуется номинальным током

предохранителя (основания), который равен наибольшему из номи­нальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конст­рукции предохранителя. Например, предохранители серии ПН2 и ПР2 имеют сменные плавкие вставки. Так предохранитель серии ПН2-100 имеет корпус, рассчитанный на ток до 100 А и сменные плавкие вставки на токи 30, 40, 50, 60, 80, 100 А.

Предохранители до 1 кВ изготавливаются на номинальные токи до 1000 А.

В нормальном режиме тепло, выделяемое током нагрузки в плавкой вставке, передается в окружающую среду, и температура всех частей предохранителя не превышает допустимую. При пере­грузке или КЗ температура вставки увеличивается и она расплавляет­ся. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. За­висимость времени плавления плавкой вставки от величины тока (кратности тока срабатывания по отношению к номинальному току плавкой вставки) называется защитной (время - токовой) характери­стикой предохранителя (рис. 3.1.). При одном и том же токе время плавления плавкой вставки зависит от многих причин (материала вставки, состояния ее поверхности, условий охлаждения и т. д.). Что­бы уменьшить время срабатывания предохранителя, применяются плавкие вставки из разного материала, специальной формы, а также используется металлургический эффект.

Наиболее распространенными материалами плавких вставок яв­ляются медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.

Медные вставки подвержены окислению, их сечение со време­нем уменьшается и защитная характеристика предохранителя изменя­ется. Для уменьшения окисления обычно применяют луженые мед­ные вставки. Температура плавления меди 1080 °С, поэтому при токах, близких к минимальному току плавления, температура всех элементов предохранителя значительно возрастает.

Цинк и свинец имеют низкую температуру плавления (419 °С и 327 °С), что обеспечивает небольшой нагрев предохранителей в продолжительном режиме.

Цинк стоек к коррозии, поэтому сечение плавкой вставки не ме­няется во время эксплуатации, защитная характеристика остается по­стоянной. Цинк и свинец имеют большие удельные сопротивления, поэтому плавкие вставки оказываются большого сечения. Такие плав­кие вставки обычно применяются в предохранителях без наполните­лей. Предохранители со вставками из цинка и свинца имеют большие выдержки времени при перегрузках.

Рис. 3.1. Время-токовая характеристика плавкого предохранителя

Серебряные вставки не окисляются, и их характеристики наибо­лее стабильны.

Алюминиевые вставки применяются в предохранителях в связи с дефицитом цветных металлов. Высокое сопротивление окисных пленок на алюминии затрудняет осуществление надежного разъемно­го контакта. Алюминиевые вставки находят применение в новых кон­струкциях предохранителей серии ПП31.

При больших токах плавкие вставки предохранителей выпол­няются из параллельных проволок или тонких медных полос.

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зави­симость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 1.1) во всех точках шла немного ниже характеристики защищае­мой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 3.1). Однако ре­альная характеристика предохранителя (кривая 3) пересе­кает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предо­хранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. По­этому ток плавления вставки выбирается больше номи­нального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересека­ются. В области больших перегрузок (область Б) предо­хранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (l,5–2) I H 0 M нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отда­ется окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки.

Ток, при котором плавкая встав­ка сгорает при достижении ею уста­новившейся температуры, называет­ся пограничным током I ПОГР.

Для ускорения плавления вставок из меди и серебра используется металлургический эффект - явление растворения тугоплавких металлов в расплавленных, менее тугоплавких. Если, например, на медную про­волоку диаметром 0,25 мм напаять шарик из оловянно-свинцового сплава с температурой плавления 182 °С, то при температуре проволоки 650 °С она расплавится в течение 4 мин, а при 350 °С - в течение 40 минут. Та же проволока без растворителя плавится при температуре не менее 1000 °С . Для создания металлургического эффекта на мед­ных и серебряных вставках применяют чистое олово, обладающее более стабильными свойствами. В нормальном режиме работы шарик практи­чески не влияет на температуру вставки.

Рис 3.2. Плавкий предохранитель серии ПР2: а - патрон; б - формы плавких вставок

Ускорение плавления вставки достигается также применением плавкой вставки специальной формы (рис. 3.2, б). При токах КЗ узкие участки нагреваются настолько быстро, что отвод тепла почти не происходит. Вставка перегорает одновременно в нескольких сужен­ных местах (сечение А - А и В - В, рис. 3.2, б) прежде, чем ток КЗ достигнет своего установившегося значения в цепи постоянного тока или ударного тока в цепи переменного тока (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Токоограничивающий эффект плавких вставок

предохранителей: а - при постоянном токе;

б - при переменном токе

Ток КЗ при этом ограничивается до значения i огр (в 2-5 раз). Та­кое явление называется токоограничивающим действием и улучшает условия дугогашения в предохранителях.

Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно осуществляться в возможно короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя.

Наибольший ток, который плавкий предохранитель может от­ключать без каких-либо повреждений или деформаций, называется предельным током отключения.

Предохранители получили широкое применение для защиты электродвигателей, электрооборудования, электрических сетей в про­мышленных, бытовых электроустановках и имеют различную конст­рукцию.

Плавкие предохранители наряду с простотой их устройства и малой стоимостью имеют ряд существенных недостатков:

Не могут защитить линию от перегрузки, так как допускают
длительную перегрузку до момента плавления;

Не всегда обеспечивают избирательную защиту в сети вслед­
ствие разброса их характеристик;

При коротком замыкании в трехфазной сети возможно сраба­
тывание одного из трех предохранителей и линия остается работать
на двух фазах.

В этом случае трехфазные электродвигатели, подключенные к сети, оказываются включенными на две фазы, а это приводит к пе­регреву обмоток электродвигателей и их выходу из строя.

Предохранители с закрытыми разборными корпусами (патрона­ми) без наполнителя серии ПР2 (рис. 3.2) изготавливаются на напря­жение 220 и 500 В и номинальные токи 100-1000 А. Патрон предо­хранителя ПР2 (рис. 3.2, а) на токи 100 А и выше состоит из толстостенной фибровой трубки 1, на которую плотно насажены ла­тунные втулки 3, имеющие мелкую резьбу. На трубки навинчиваются латунные колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 2, при­винченную к ножам 6, до установки ее в патрон. В предохранителях этой серии предусмотрена шайба 5, имеющая паз для ножа и предот­вращающая поворот ножей.

Патрон вставляется в неподвижные контактные стойки, укреп­ленные на изоляционной плите. Необходимое контактное нажатие обеспечивается пружинами.

Плавкие вставки изготавливаются из цинка в виде пластины с вырезами. На суженных участках выделяется больше тепла, чем на широких. При номинальном токе избыточное тепло благодаря тепло­проводности цинка передается широким частям, поэтому вся вставка имеет примерно одинаковую температуру. При перегрузках нагрев узких участков происходит быстрее, и вставка плавится в самом горя­чем месте (сечение А - А, рис. 3.2, б).

При КЗ вставка плавится в узких сечениях А - А и В - В. Воз­никающая дуга вызывает образование газов (50 % СО 2 , 40 % Н 2 , 10 % паров Н 2 О), так как стенки патрона выполнены из газогенери-рующего материала - фибры. Давление в зависимости от отключае­мого тока может достигать 10 МПа и более, что обеспечивает быстрое гашение дуги и токоограничивающее действие предохранителя. Для уменьшения возникающего при отключении тока КЗ перенапряжения плавкая вставка имеет несколько суженных мест. При их поочеред­ном плавлении полная длина дугового промежутка вводится в цепь не сразу, а ступенями.

Предохранители насыпные серии ПН2 (рис. 3.4) широко приме­няются для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В по­стоянного тока и выпускаются на номинальные токи 100-1000 А.

1 2

Рис. 3.4. Плавкий предохранитель серии ПН2

Фарфоровая, квадратная снаружи и круглая внутри, трубка 1 имеет четыре резьбовых отверстия для винтов, с помощью которых крепится крышка 4 с уплотняющей прокладкой 5. Плавкая вставка 2 приварена электроконтактной точечной сваркой к шайбам контакт­ных ножей 3. Крышки с асбестовыми прокладками герметически за­крывают трубку. Трубка заполнена сухим кварцевым песком 6. Плав­кая вставка выполнена из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15-0,35 мм и шириной до 4 мм. На вставке сделаны про­рези 7, уменьшающие сечение вставки в 2 раза. Для снижения темпе­ратуры плавления вставки используется металлургический эффект -на полоски меди напаяны шарики олова 8, температура плавления в этом случае не превышает 475 °С, дуга возникает в нескольких па­раллельных каналах (в соответствии с числом вставок); это обеспечи­вает наименьшее количество паров металла в канале между зернами кварца и наилучшие условия гашения дуги в узкой щели. Насыпные

предохранители, так же как предохранители серии ПР2, обладают то-коограничивающим свойством.

Для уменьшения возникающих перенапряжений плавкая вставка имеет по длине прорези, причем их количество зависит от номиналь­ного напряжения предохранителя (из расчета 100-150 В на участок между прорезями). Так как вставка сгорает в узких местах, то длинная дуга оказывается разделенной на ряд коротких дуг, суммарное на­пряжение, которых не превышает суммы катодных и анодных паде­ний напряжения .

Наполнителем в предохранителях серии ПН является чистый кварцевый песок (99 % SiO2). Вместо кварца может быть применен мел (СаСО3), иногда его смешивают с асбестовым волокном. При возникновении дуги мел разлагается с выделением углекислого газа СО 2 и СаО - тугоплавкого материала. Реакция происходит с погла-щением энергии, что способствует гашению дуги.

Предельный отключаемый ток предохранителей серии ПН2 дос­тигает 50 кА.

Насыпные предохранители серии НПН имеют неразборный стеклянный патрон без контактных ножей и рассчитаны на токи до 60 А.

Взамен предохранителей ПН2 разработаны предохранители серии ПП-31 с алюминиевыми вставками на номинальные токи 63-1000 А и имеющие предельный ток отключения до 100 кА при напряжении 660 В.

Предохранители серии ПП-17 изготавливаются на токи 500-1000 А, напряжение переменного тока 380 В и постоянного тока 220 В. Предель­ная отключающая способность предохранителей ПП-17 100-120 кА. Предохранитель состоит из плавкого элемента, помещенного в кера­мический корпус, заполненный кварцевым песком, указателя сраба­тывания и свободного контакта. При расплавлении плавкого элемента предохранителя перегорает плавкий элемент указателя срабатывания, освобождая введенный при сборке указателя боек, который переклю­чает свободный контакт, и замыкается цепь сигнализации срабатыва­ния предохранителя.

Для защиты полупроводниковых приборов разработаны быст­родействующие предохранители серии ПП-41, ПП-57, ПП-59, ПП-71. Эти предохранители выполняются с плавкими вставками из серебря­ной фольги в закрытых патронах с засыпкой кварцевым песком. Они рассчитаны на установку в цепях переменного тока напряжением

380-1250 В и постоянного тока 230-1050 В. Электротехническая промышленность изготавливает предохранители на номинальные то­ки 100-2000 А, предельные токи отключения до 200 кА. Эти предо­хранители обладают эффективным токоограничивающим действием.

В схемах управления станков, механизмов, машин, а также в системах электроснабжения жилых и общественных зданий широко применяются пробочные плавкие предохранители серии ПРС. Номи­нальный ток корпуса 6; 25; 63; 100 А.

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим что такое предохранитель, его устройство, виды предохранителей и разные конструкции.

Любая электрическая система работает на балансе подводимой и потребляемой энергий. Когда в схему электрооборудования подается напряжение, то оно прикладывается к определенному сопротивлению цепи. В итоге на основании закона Ома вырабатывается ток, благодаря действию которого совершается работа.

При нарушениях изоляции, ошибках монтажа, аварийном режиме сопротивление электрической цепи плавно снижается или резко падает. Это ведет к соответствующему возрастанию тока, который при достижении величины, превышающей номинальное значение, причиняет вред оборудованию и человеку.

Вопросы безопасности всегда были и будут актуальны при использовании электрической энергии. Поэтому защитным устройствам постоянно придается повышенное внимание. Первые такие конструкции, названные предохранителями, широко используются до настоящего времени.

Электрический предохранитель является частью рабочей цепи, врезается в рассечку питающего провода, должен надежно выдерживать рабочую нагрузку и защищать схему от появления сверхнормативных токов. Эта функция заложена в основу его классификации по номинальному току.

По применяемому принципу действия и способу разрыва схемы все предохранители подразделяют на 4 группы:

1. с плавкой вставкой
2. электромеханической конструкции
3. на основе электронных компонентов
4. самовосстанавливающиеся модели с нелинейными обратимыми свойствами после действия сверхтоков

Плавкая вставка

Предохранители этой конструкции имеют в своем составе токопроводящий элемент, который под действием тока с величиной, превышающей номинальное установленное значение, расплавляется от перегрева и испаряется. Этим обеспечивается снятие напряжения со схемы и защита ее.

Плавкие вставки могут быть изготовлены из металлов, например, меди, свинца, железа, цинка или отдельных сплавов, обладающих таким коэффициентом термического расширения, который обеспечивает защитные свойства электрооборудования.

Работа плавкой вставки под расчетной нагрузкой обеспечивается созданием надежного баланса температур между теплом, выделяемым на металле от прохождения по нему рабочего электрического тока, и отводом тепла в окружающую среду за счет рассеивания.

При возникновении аварийных режимов это равновесие быстро нарушается. Металлическая часть плавкой вставки при нагреве увеличивает значение своего активного сопротивления. Это вызывает больший разогрев, поскольку выделяемое тепло прямо пропорционально величине I2R. При этом снова возрастает сопротивление и выделение тепла. Процесс продолжается лавинообразно до тех пор, пока не наступает расплавление, закипание и механическое разрушение плавкой вставки.

Виды предохранителей, плавкая вставка

Основным эксплуатационным параметром плавкой вставки является его времятоковая характеристика, определяющая зависимость кратности аварийного тока (относительно номинального значения) ко времени срабатывания.

Для ускорения работы плавкой вставки при малых кратностях аварийных токов используются специальные технические приемы:

Изменение сечения

На сужениях пластин увеличивается сопротивление и создается большее выделение тепла. В нормальном режиме работы эта энергия успевает равномерно распространиться по всей поверхности, а при перегрузках создаются критические зоны на узких местах. Их температура быстро достигает состояния, при котором металл плавится и разрывает электрическую цепь.

Для увеличения быстродействия пластины делают из тонкой фольги и применяют их в несколько слоев, включенных параллельно. Перегорание любого участка на одном из слоев ускоряет срабатывание защиты.

Принцип металлургического эффекта

Он основан на свойстве отдельных легкоплавких металлов, например, свинца или олова, растворять в своей структуре более тугоплавкие медь, серебро и отдельные сплавы.

Для этого на многожильные проволочки, из которых делают плавкую вставку, наносят капли олова. При допустимой температуре металла проводов эти добавки не создают никакого эффекта, но в аварийном режиме они быстро расплавляются, растворяют часть основного металла и обеспечивают ускорение срабатывания предохранителя.

Эффективность этого способа проявляется только на тонких проводниках и значительно снижается при увеличении их поперечного сечения.

Основной недостаток плавкой вставки состоит в том, что при срабатывании ее необходимо вручную заменять новой. Для этого требуется поддерживать их запас.

Предохранители электромеханической конструкции

Принцип врезания защитного устройства в питающий провод и обеспечение его разрыва с целью снятия напряжения позволяет отнести созданные для этого электромеханические изделия к предохранителям. Однако, большинство электриков выделяет их в отдельный класс и называет автоматическими выключателями или сокращенно автоматами.

При их работе специальный датчик постоянно контролирует величину проходящего тока. После достижения критического значения подается управляющий сигнал на исполнительный механизм – взведенную пружину от теплового или магнитного расцепителя.

Предохранители на электронных компонентах

У этих конструкций функцией защиты электрической схемы занимаются бесконтактные электронные ключи на основе силовых полупроводниковых приборов из диодов, транзисторов или тиристоров. Их называют электронными предохранителями (ЭП) или модулями контроля и коммутации тока (МККТ).

В качестве примера на видео ниже рассказывается принцип работы предохранителя на транзисторах.

Такие электронные предохранители отличаются быстродействием, их время срабатывания не превышает 30 миллисекунд.

Рассмотренная выше схема считается простой, она может быть значительно расширена новыми дополнительными функциями:

• непрерывного контроля тока в цепи нагрузки с формированием команд на отключение при превышениях тока более 30% номинальной величины
• отключения защищаемого участка в случаях возникновения коротких замыканий или перегрузок с выдачей сигнала при увеличении тока в нагрузке выше 10% от установленной уставки
• защит силового элемента транзистора при возникновении температур более 100 градусов

У таких схем используемые модули МККТ по времени срабатывания делятся на 4 группы. Самые быстродействующие устройства относят к классу «0». Они отключают превышающие уставку токи на 50% за время до 5 мс, на 300% - за 1,5 мс, на 400% - за 10мкс.

Само-восстанавливающиеся предохранители

Эти защитные устройства отличаются от плавких вставок тем, что после отключения аварийной нагрузки они сохраняют свою работоспособность для дальнейшего многократного использования. Поэтому их назвали само-восстанавливающимися.

За основу конструкции взяты полимерные материалы, обладающие положительным температурным коэффициентом для электрического сопротивления. Они обладают кристаллической структурой решетки при обычных, нормальных условиях и резко переходят в аморфное состояние при нагреве. Характеристика срабатывания такого предохранителя обычно приводится в форме логарифма сопротивления в зависимости от температуры материала.

Когда полимер имеет кристаллическую решетку, то он хорошо, как металл, пропускает электрический ток. В аморфном состоянии проводимость значительно ухудшается, чем обеспечивается отключение нагрузки при возникновении ненормального режима.

Такие предохранители используются в защитных устройствах для ликвидации возникающих многократных перегрузок там, где замена плавкой вставки или ручные действия оператора затруднительны. Это сфера автоматических электронных устройств, широко используемых в компьютерных технологиях, мобильных гаджетах, измерительной и медицинской технике, транспортных средствах.

На надежную работу само-восстанавливающихся предохранителей оказывает влияние температура окружающей среды и величина протекающего сквозь него тока. Для их учета введены технические термины:

• ток пропускания, определяемый как максимальное значение при температуре +23 градуса Цельсия, которое не приводит к срабатыванию устройства
• ток срабатывания, как минимальная величина, которая при той же температуре приводит к переходу полимера в аморфное состояние
• максимальное значение приложенного рабочего напряжения
• время срабатывания, измеряемое от момента возникновения аварийного тока до отключения нагрузки
• мощность рассеивания, определяющая способность предохранителя при +23 градусах передавать тепло в окружающую среду
• первоначальное сопротивление до подключения в работу
• сопротивление, достигаемое через 1 час после окончания срабатывания.

Само-восстанавливающиеся предохранители обладают:

Виды предохранителей, разновидности конструкций предохранителей

В зависимости от задач предохранители создают для работы в цепях:

Поскольку они работают в цепях разного напряжения, то корпуса изготавливают с отличительными диэлектрическими свойствами. По этому принципу предохранители подразделяют на конструкции, работающие:

К специальным конструкциям относят предохранители:

• взрывные
• пробивные
• с погашением дуги при размыкании цепи в узких каналах мелкозернистых наполнителей или образования автогазового либо жидкостного дутья
• для транспортных средств

Ограничиваемый предохранителями аварийный ток может составлять от долей ампера до килоампера.

Иногда электрики вместо плавкой вставки в корпус устанавливают калиброванную проволоку. Этот способ не рекомендуется применять потому, что даже при точном подборе поперечного сечения электрическое сопротивление проволоки может отличаться от рекомендованного из-за свойств самого металла или сплава. Такой предохранитель не будет точно работать.

Еще большей ошибкой считается применение самодельных «жучков» наудачу. Они чаще всего бывают причиной несчастий и пожаров, возникающих в электропроводке.