Испытание предохранителей, автоматических выключателей и тепловых реле
Цель работы: ознакомиться с конструкцией предохранителей, автоматических выключателей и тепловых реле; определить зависимость времени срабатывания автоматических выключателей и тепловых реле от тока аварийного режима.
Теоретические сведения
Плавкие предохранители
Для защиты электрических сетей и приемников от токов короткого замыкания и перегрузок применяются предохранители.
По конструкции плавкие предохранители подразделяются на резьбовые (пробковые) и трубчатые. Рабочим элементом любого предохранителя служит металлическая плавкая вставка. Основными параметрами предохранителя являются номинальные значения токов и напряжения. Не разрешается устанавливать в сеть предохранители, параметры которых превышают номинальные значения. Номинальный ток предохранителя должен соответствовать наибольшему номинальному току плавкой вставки, которая в нем установлена. Так, в предохранителях на номинальный ток 15 А могут быть установлены плавкие вставки на 6, 10 и 15 А.
Трубчатый предохранитель состоит из двух ножей с присоединенной к ним плавкой вставкой, гаек и изоляционного патрона. Ножи вставляются в губки неподвижных контактов, к одному из которых подведен провод сети, а к другому — провод от электроприемника. У некоторых предохранителей роль ножей играют гайки, которые контактируют с неподвижными губками. Трубчатые предохранители заполнены кварцевым песком, облегчающем гашение дуги при плавлении вставки.
Плавкая вставка предохранителей расплавляется почти мгновенно при токах, величины которых в 5 и более раз превышают номинальную величину. Если же ток в цепи равен номинальному току плавления вставки, то она не расплавляется. При токах в 1,5 раза превышающих номинальный, плавкая вставка расплавляется примерно через 1 час, а в 2,5 раза — через 10 секунд. Плавкий предохранитель после срабатывания следует заменить новым.
Время расплавления вставки сильно зависит от состояния контактов предохранителя и самой плавкой вставки. Если контактные поверхности плохо пригнаны и сильно окислены, если контактные болты плохо затянуты, то вследствие повышенного переходного сопротивления контактов перегреваются не только контакты предохранителя, но и его плавкая вставка. То же может произойти и вследствие высокой температуры окружающего воздуха и так называемого «старения» металла вставки — со временем поверхность вставки окисляется и часто перегревается. Время отключения цепи плавким предохранителем зависит также от металла, из которого изготовлена плавкая вставка и типа примененного дугогасительного устройства.
Наибольший ток, который предохранитель может отключить без каких-либо деформаций, препятствующих его дальнейшей исправной работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключения предохранителя.
Недостатком некоторых типов предохранителей является также невозможность смены плавких вставок после их перегорания. Применение самодельных вставок приводит к неправильным отключениям цепей и нарушению питания потребителей.
Плавкие вставки предохранителей изготавливаются из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, алюминия, меди, серебра и некоторых других металлов. Для ускорения плавления вставки используется металлургический эффект — явление растворения тугоплавких металлов в расплавленных, менее тугоплавких.
Ускорение плавления вставки достигается также применением плавкой вставки специальной формы. При коротком замыкании узкие участки нагреваются настолько быстро, что отвод тепла почти не происходит. Вставка перегорает одновременно в нескольких суженных местах.
К достоинствам предохранителей можно отнести:
1. Небольшая стоимость.
2. Простота устройства и обслуживания.
3. Небольшие размеры.
Конструкции плавких предохранителей:
3. С открытыми фарфоровыми трубками.
4. Роговые предохранители (на опорных изоляторах).
5. Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме (типа ПР без наполнителя). Состоят из фибровой трубки, латунной втулки, колпачка, ножа, шайбы. Плавкая вставка из цинка. При перегорании возникает давление, что и гасит дугу. Эти предохранители относятся к токоограничивающим.
6. С закрытыми трубками и наполнителем типа ПН—2 на напряжение до 500 В и токи до 600 А. Плавкая вставка из мягких ленточек. Наполнитель — чистый кварцевый песок.
Выбор предохранителей производится по следующим условиям:
- По номинальному напряжению UПР≥UНОМ.
- По номинальному току предохранителя IПР≥IMAX.
- По номинальному току плавкой вставки IВСТ≥IMAX.
- По предельному отключаемому току IОТКЛ≥IПО.
- По току срабатывания IВСТ3.
Автоматические выключатели и тепловые реле В отличие от плавких предохранителей электромагнитные и тепловые реле, а также автоматические выключатели максимального тока после их срабатывания можно вновь использовать для защиты цепей, для чего их контакты нужно вручную вернуть в исходное положение. Действие электромагнитных реле и выключателей максимального тока основано на втягивании сердечника электромагнита при прохождении по его обмотке тока, величина которого превышает величину тока уставки. При этом усилие через толкатель передается на удерживающую защелку контактной группы, в результате чего контакты аппарата под действием пружины размыкаются. Если электромагнитные реле максимального тока размыкают цепь управления, то автоматические выключатели размыкают силовую цепь приемника электроэнергии. У автоматического выключателя номинальный ток значительно больше, чем у электромагнитного реле, поэтому и размеры его также больше. Не всегда нужно отключать электрическую цепь при значительных, но кратковременных перегрузках, Например, не нужно отключать цепь электродвигателя при нормальном его запуске, хотя пусковой ток в 5. 7 раз превышает номинальный. В электромагнитном аппарате защиты такой цепи предусматривают выдержку времени. При токе значительной перегрузки сердечник втягивается в обмотку электромагнита, но толкатель не сразу приподнимает защелку, поскольку усилие на рейку от сердечника передается пружиной. Рейка же находится в зацеплении с зубчатой передачей, последнее колесо которой имеет лопасти. Только через определенный промежуток времени защелка поднимается и контакты разомкнутся. Если же за это время ток в цепи уменьшится и сердечник возвратится в исходное положение, контакты не разомкнуться. Работа тепловых реле и автоматов защиты основана на изгибе биметаллических пластин при нагреве. Биметаллическая пластина состоит из двух механически соединенных слоев различных металлов, один из которых обладает малым коэффициентом теплового расширения (пассивный слой), а другой — большим (активный слой). Поэтому прямая биметаллическая пластина при нагревании изгибается в сторону пассивного слоя. Когда по защищаемой цепи проходит ток, величина которого превышает номинальную величину, в нагревательном элементе (активном сопротивлении) тепла выделяется больше, чем при номинальном токе и биметаллическая пластина изгибается так, что ее незакрепленный конец через толкатель приподнимает защелку. При этом пружина разомкнет контакт. Роль нагревательного элемента может выполнить и сама биметаллическая пластина. Тогда к одному ее концу присоединяют провод сети, а к другому — провод приемника электроэнергии. Скорость увеличения температуры (следовательно, и изгибания) биметаллической пластины пропорциональна величине тока перегрузки. Автоматические выключатели обладают рядом преимуществ перед плавкими предохранителями:
- Использование не только как защитного, но и как коммутационного аппарата (некоторые марки автоматов имеют дистанционное управление).
- Меньшие габариты и улучшенная электробезопасность при обслуживании.
- После срабатывания через непродолжительное время (необходимое для остывания биметаллической пластины) вновь готов к повторному включению.
- Благодаря регулируемому механизму защелки можно в некоторых пределах изменять уставку срабатывания.
- При трехполюсном исполнении отключает сразу все фазы сети и не допускает несимметричного режима работы трехфазных приемников.
К недостаткам можно отнести более высокую стоимость и меньшую надежность в эксплуатации. Тепловые реле используются в основном для защиты электродвигателей от ненормальных режимов работы: перегрузки, обрыва фазы, межвитковых замыканий и т.п., при которых потребляемый двигателем ток ненамного превышает номинальный и основная защита (предохранители или автоматические выключатели) не срабатывает. Это и является их основным преимуществом перед предохранителями или автоматическими выключателями. Тепловые реле, как правило, не имеют силовых контактов, поэтому устанавливаются в комплекте с магнитными пускателями и воздействуют на цепь управления двигателем. Программа работы и порядок ее выполнения 1. Ознакомьтесь с конструкциями низковольтных предохранителей, находящихся на стенде и снимите времятоковую характеристику медной проволоки диаметром 0,25 мм. 1.1. Заготовьте из медной проволоки вставки длиной 70 мм. 1.2. Установите вставку в патрон и заверните крышки предохранителя, затем вставьте предохранитель в гнезда стенда. 1.3. Ключ SA2 в левое положение. Включить автомат SF1. 1.4. Тумблерами SA3… SA7 установите ток вторичной цепи 35 А. для включения нагрузки нажмите кнопку SBC. Одновременно включите секундомер. Лампа HL1 сигнализирует о подаче напряжения на стенд, HL2 — наличие тока в цепи предохранителя. 1.6. При погасании HL2 остановите секундомер и запишите показания — время срабатывания предохранителя. 1.7. Отключите автомат SF1. Установите в предохранитель новую плавкую вставку. 1.8. В той же последовательности определите время срабатывания предохранителя при токах 15, 20, 25 А. 1.9. По результатам эксперимента постройте зависимость =f(I). 1.10. На этом же графике постройте расчетную зависимость =f(I), где — расчетное время плавления вставки, определяемое по формуле: =(S 2 /IР)10 5 ; с, где S — сечение медной проволоки, мм 2 ; IР — рабочий ток вставки, А. 2. Ознакомьтесь с конструкцией автоматических выключателей АП-50 и ВА47-29 и определите время срабатывания их при различных токах перегрузки. 2.1. Включите автоматический выключатель SF-2 (ВА47-29; IНОМ=6 А). Ключ SA1 — в левое положение. Установите ток во вторичной цепи 30 А, нажмите кнопку SBC и засеките время по секундомеру. 2.2. Определите время срабатывания теплового расцепителя SF-2. 2.3. Отключите автомат SF1. 2.4. Полученные результаты запишите в табл. 1. Посчитайте кратность перегрузки по формуле: K=I/IНОМ, где I — ток нагрузки; IНОМ — номинальный ток автомата. 2.5. Через 3. 5 минут, необходимых для остывания биметаллической пластины, включите автомат SF1 и и тумблерами SA3… SA7 установите ток вторичной цепи 35 А. 2.6. Повторите измерения для значений тока в цепи автомата 40, 45 и 50 А. 2.7. После подсчета величины I/IНОМ постройте график =f(I/IНОМ). 3. Ознакомьтесь с устройством автомата АП-50 (SF-3; IНОМ=4 А), сняв с него крышку. Разберитесь во взаимодействии рычагов, пружин и расцепителей. На примере этого автомата убедитесь в действии электромагнитного расцепителя. 3.1. Включите автомат SF-3. Ключ SA1 – в правое положение. 3.2. Тумблерами SA3… SA7 установите ток вторичной цепи 50 А. Нажмите кнопку SBC — автомат отключится почти мгновенно. 3.3. Теперь проведите опыты с тепловым расцепителем. Порядок проведения опыта тот же, что и для п. 2. 3.4. Результаты измерений и расчетов запишите в табл. 1. 3.5. Постройте график зависимости =f(I/IНОМ) и сравните его с таким же графиком для автомата ВА47-29. 4. Ознакомьтесь с устройством реле защиты ТРН-25-04 (IНОМ=25 А). Для этого снимите изоляционную скобу, закрывающую нагреватель элемента с биметаллическими пластинами. Обратите внимание на клеммы, к которым присоединяются проводники от электроприемников и сети. Нажатием на биметаллическую пластину вызовите срабатывание реле, т.е. размыкание реле, а нажатием на кнопку «возврат» включите реле для проведения эксперимента. 4.1. Для определения времени срабатывания реле при различных токах перегрузки и для построения графика =f(I/IНОМ) поставьте ключ SA2 в правое положение. Установите ток 30 А. 4.2. Запишите величину тока и время срабатывания реле при токах 35, 40, 45 А в последовательности, указанной в п.п.2, 3. 4.3. Подсчитайте величину I/IНОМ и постройте график =f(I/IНОМ). Таблица 9
Эксплуатация электроустановок в сельском хозяйстве — Плавкие предохранители
Плавкий предохранитель — это коммутационный аппарат однократного действия, в котором при токе больше заданного значения размыкается электрическая цепь за счет расплавления плавкой вставки, нагреваемой током. Он служит для защиты участка цепи или электрической установки от действия токов короткого замыкания (КЗ) или от длительных перегрузок. В электрических сетях хозяйственного назначения плавкие предохранители применяют на напряжении до 35 кВ. В частности, для защиты силовых трансформаторов на подстанциях напряжением 35 кВ используют предохранители типа ПСН-35.
В электрических сетях до 1 кВ применяются плавкие предохранители следующих видов:
с открытой плавкой вставкой серии П; предохранители этой серии не имеют устройств, ограничивающих объем дуги, выброс пламени и частиц расплавленного металла;
с полузакрытым патроном серии СПО или ПТ; патрон предохранителя этих серий открыт с одной или двух сторон, что несколько ограничивает выбросы пламени и металла;
с закрытым патроном, в котором дуга гасится без выброса ионизированных газов; в предохранителях без наполнителя, плавкая вставка находится в заполненном воздухом патроне (серий Е27, ЕЗЗ, ПР1, ПР2, ПРС), в предохранителях с наполнителем — в патроне, заполненном кварцевым песком (серий НПН, ПН2, ПНБ, ПРТ и др.). Предохранители серий Е и ПРС — пробочные.
Основными параметрами предохранителей является номинальный ток, номинальное напряжение и предельный ток отключения.
Номинальный ток предохранителя Iном,пр (указан на предохранителе) равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя.
Номинальный ток плавкой вставки Iном.вст — это ток, указанный на плавкой вставке, при котором она работает длительное время и не расплавляется. Номинальный ток плавкой вставки должен быть всегда меньше или равен номинальному току предохранителя (Iном,вст < Iном,пр).
Номинальное напряжение предохранителя Uном,np указывается на предохранителе и соответствует наибольшему номинальному напряжению сети, в которой допускается установка данного предохранителя.
Предельный ток отключения Iпред.пр — наибольшее значение тока КЗ, при котором гарантируется надежная работа предохранителя, т. е. обеспечивается гашение дуги без, каких-либо повреждений.
Рис. 30. Ампер-секундная характеристика плавкой вставки
Важной характеристикой предохранителя является ампер-секундная или защитная характеристика вставки, представляющая собой зависимость времени t перегорания плавкой вставки от протекающего по ней тока 1 (рис. 30). Как видно из рисунка, время перегорания плавкой вставки быстро уменьшается с увеличением тока.
Предохранители, устанавливаемые в сетях 380 В и ниже, должны выдерживать ток, равный 1,3 Iном.вст, неограниченно длительное время, а ток 1,6 Iном,вст — до 1 ч. При токах (2-г-2,5) Iном,вст время снижается до нескольких минут или секунд в зависимости от типа предохранителя и плавкой вставки. При выборе плавких вставок необходимо учитывать защитные характеристики каждой отдельной вставки. Семейства таких характеристик имеются для каждой серии предохранителей.
В электрических сетях сельского хозяйства наибольшее применение получили предохранители серий Ё, ПРС, ПР, ПН и НПН; технические данные некоторых из них приведены в табл. 3.
Предохранители пробочные серии Е применяются главным образом для защиты участков осветительной сети переменного тока. Они могут также использоваться для защиты пусковых устройств с номинальным напряжением до 500 В электродвигателей в случаях, когда максимальное значение тока короткого замыкания (КЗ) на защищаемом участке не превышает 2000 А.
Предохранитель состоит из фарфорового основания, на котором смонтированы стальная оцинкованная обойма с выдавленной резьбой и плоская контактная пластина с выводными шпильками, фарфоровой крышки и фарфоровой пробки, на которой смонтированы стальная оцинкованная трубка с выдавленной резьбой и контактный колпачок. Между трубкой и колпачком внутри пробки находится плавкий проволочный мостик, концы которого припаяны к трубке и колпачку.
Таблица 3. Технические данные плавких предохранителей
Номинальное напряжение, В
Номинальный ток, А
Отключающая способность при токах КЗ, Ai менее
4, 6, 10, 15,
20, 25
10, 15, 20, 25, 30, 60
15, 20, 25, 35, 45, 60
100, 125, 160, 200
Предохранители серий ПР1 и ПР2 применяются для защиты установок переменного тока с напряжением до 250 В (первый габарит) и с напряжением до 500 В (второй габарит). Они могут использоваться и для защиты установок постоянного тока напряжением до 220 и 440 В. Предохранители серии ПР выпускаются на номинальные токи от 15 до 1000 А в двух исполнениях (по длине) патронов (на 230 и 500 В).
Собственно предохранитель серии ПР2 (рис. 31) состоит из фибрового патрона 1 с концевой металлической обоймой 3, на которой имеется резьба, плавкой вставки 2, крепящейся к контактным ножам 5, и металлических колпачков 4 с резьбой и прорезями для контактных ножей. Предохранитель вставляется в две контактные стойки с пружинящими губками. Необходимое контактное нажатие между контактной стойкой и головкой или ножом патрона осуществляется в предохранителях 6—60 А за счет пружинящих свойств контактных губок стойки, в предохранителях на 100—350 А при помощи стальной кольцевой пружины и в предохранителях на 600— 1000 А с помощью винта с пластмассовой рукояткой, установленного на контактной стойке. Предохранители на 100, 200 и 350 А_ имеют унифицированные контактные стойки, как у рубильников и переключателей единой серии. Предохранители серии ПР1 отличаются от предохранителей ПР2 размерами и конфигурацией отдельных деталей.
Рис. 31. Разборный предохранитель серии ПР
Предохранители серии ПН2 обладают повышенной коммутационной способностью и, начиная с тока 5000 А, работают как токоограничивающие. Поэтому их можно использовать для защиты электроустановок при любой мощности питающей сети с напряжением до 500 В переменного тока и до 400 В постоянного тока. Предохранители серии ПН2 получили наибольшее распространение в распределительных сетях сельскохозяйственного назначения. Благодаря своей высокой механической прочности они могут использоваться в блоке рубильник — предохранитель. Предохранители изготовляются на номинальные токи от 100 до 600 А.
Предохранитель ПН2 (рис. 32) — разборный, состоит из фарфорового патрона 3 квадратного сечения, двух металлических крышек 2, прикрепленных к торцам патрона с круглой внутренней полостью, двух контактных ножей 1 и плавких вставок 4, закрепленных между ножами. Внутренняя полость патрона заполняется сухим
кварцевым песком, который обеспечивает быстрое гашение дуги и охлаждение возникающих при плавлении вставки газов. Для герметизации патрона имеется прокладка 5.
Плавкие вставки штампуются из тонкой медной ленты. В средней части вставки напаивается оловянный шарик, который плавится при более низкой температуре в отличие от ленты. Этим снижается температура плавления ленты и обеспечивается перегорание плавкой вставки при токах перегрузки.
Рис. 32. Предохранитель серии ПН2
Предохранители устанавливаются на контактные стойки с пружинящими губками, которые крепятся на изоляционной панели или на специальных изоляторах, устанавливаемых и на металлических панелях. Контактные стойки предохранителей — штампованные, из твердой меди. Контактные нажатия между губками стоек и ножами патрона осуществляются разрезными пружинящими стальными кольцами. Для безопасности обслуживания на крышках патронов предохранителя имеются Т-образные выступы, за которые при отсутствии нагрузки в цепи патрон предохранителя можно вынуть из контактных стоек при помощи специальной съемной ручки, пригодной для любых патронов серии ПН2.
Эксплуатация предохранителей всех типов сводится к контролю за состоянием и нагревом контактных соединений и к замене перегоревших плавких вставок (пробок). Замену предохранителей (пробок) можно производить без снятия напряжения с установки, но при обязательном отключении нагрузки с защищаемой линии другим аппаратом. Эту работу следует выполнять в защитных очках, стоя на диэлектрическом коврике.
Патроны предохранителей следует извлекать с помощью изоляционных клещей, специальной съемной ручки или рукой, защищенной диэлектрической перчаткой. При обслуживании предохранителей следует помнить о совершенно недопустимом использовании «жучков», что может при случайном их перегорании во время осмотра предохранителя или во время установки в контактные стойки (ввинчивания в гнездо патрона) привести к несчастному случаю.
Особенность предохранителей серий ПР заключается в том, что после трех отключений одним патроном предельных значений тока фибровая трубка должна быть заменена. Необходимо при смене плавкой вставки обращать внимание на надежность контактного соединения между концами плавкой вставки с торцами нажимных колпачков или контактных ножей. Запасные цинковые плавкие вставки для предохранителей ПР при хранении покрываются слоем плохо проводящего окисла, поэтому перед установкой в патрон такую плавкую вставку следует очистить от окисла в тех местах, где она соприкасается с ножом.
Ремонт предохранителей серии Е сводится к замене разбитых фарфоровых элементов и плавких вставок. При этом плавкая вставка должна устанавливаться внутри корпуса пробки, а ее концы надежно припаяны к контактным элементам пробки; при пайке не следует пользоваться кислотой из-за возможности усиленной коррозии.
При ремонте предохранителей серии ПР заменяют запасными вышедшие из строя детали. Некоторые из них (контактные стойки, ножи и плавкие вставки) при отсутствии запасных могут изготавливаться в мастерских. При этом для изготовления плавких вставок можно использовать листовой цинк марки ЦО и Ц1. Конфигурация и толщина плавкой вставки должны быть такими же, как у стандартной вставки. Изготовление в местных условиях фибровых патронов не рекомендуется.
При повреждении фарфоровой трубки патрона предохранителя ПН2 (сколы на торцевых поверхностях, повреждения резьбы, сквозные трещины) ее следует заменить, так как при отключении токов короткого замыкания такой патрон может разрушиться. При отсутствии чистого кварцевого песка можно использовать чистый речной песок с диаметром песчинок 0,2—1 мм. Для этого песок просеивается, а затем многократно промывается водой до тех пор, пока сливаемая вода не станет совершенно прозрачной; промытый песок просушивается при комнатной температуре и прокаливается в фарфоровом сосуде при температуре до 180 °С.
Плавкие вставки выбираются в соответствии с расчетом и результатами опробования защиты отдельных элементов сети.
При эксплуатации необходимо следить, чтобы расстояния между токоведущими частями предохранителей различных фаз и заземленными частями электроустановки были не менее 12 мм для 380 В и не менее 20 мм для 500 В.
Аппараты распределительных устройств низкого напряжения — Инерционные предохранители
Обыкновенные предохранители должны иметь номинальный ток, больший, чем рабочий ток установки, для того чтобы вставка не расплавилась при пуске двигателей. При этом не обеспечивается защита двигателей и проводки от перегрузки.
Защита ответвления к двигателю от перегрузки обычно осуществляется тепловым реле. Однако ее целесообразно осуществить предохранителем, если надо иметь очень компактную и легкую установку. Кроме того, такое решение может быть экономически целесообразным для установок непрерывного действия с редко возникающими перегрузками (вентиляторы). Там выгоднее изредка сменить предохранитель, чем иметь
Добавочные капитальные затраты на установку Магнитных пускателей, мало используемых и имеющих такой ненадежный элемент, как катушки. В этом случае применяют инерционные предохранители.
Инерционными называются предохранители, могущие осуществить защиту от перегрузок ответвлений к обычным асинхронным двигателям, если последние не имеют затяжного пуска. Они не должны давать ложных отключений при пуске двигателей, если их номинальный ток равен номинальному току двигателя. Пограничный ток предохранителя должен быть возможно ближе к номинальному (желательно не более 1,2 — 1,3 номинального). Так как среднеквадратичный ток асинхронного двигателя в течение пуска близок к пятикратному номинальному, обычно интересуются временами действия инерционных предохранителей при пятикратном токе; эти данные приведены в табл. 6-3.
Время, необходимое для расплавления вставок предохранителей при нагреве их с холодного состояния при токе, равном пятикратному номинального
Номинальный ток патрона и вставки, а
Примечание. Для предохранителей ПР-2, КП, ПН-2 приведены приблизительные средние значения времени.
Времена инерционных предохранителей определены, исходя из необходимости произвести приблизительно девять пусков подряд с холодного состояния или три пуска подряд с горячего состояния асинхронных двигателей единой серии с номинальной скоростью вращения до 1 500 об/мин в условиях, указанных в приложении П-1. Как видно из табл. 6-3, предохранители ПР-2, КП, ПИ-2 не могут считаться инерционными.
Хотя времена срабатывания инерционных предохранителей при перегрузках значительно больше, чем у обычных, времена срабатывания при коротких замыканиях у них нежелательно иметь существенно большими, чем у обычных. Для удовлетворения этих требований места разрыва тока при перегрузках и коротких замыканиях должны быть разными. В этом случае защитная характеристика предохранителя будет как бы огибающей защитных характеристик двух элементов (рис. 6-8). Элемент 1, отключающий при коротком замыкании, должен иметь относительно большой собственный пограничный ток и малую выдержку времени при данной кратности тока к своему пограничному (малая теплоемкость и т. п.). Элемент 2, отключающий при перегрузках, должен иметь малый пограничный ток и большое время отключения при данной кратности к своему пограничному току, что достигается применением легкоплавкого спая, установкой теплоемких тел, отделением места выделения тепла от места размыкания цепи и т. п.
Желательно, чтобы между обоими элементами была малая тепловая связь. Тогда защитная характеристика предохранителя имеет резкий перелом в месте пересечения собственных характеристик его элементов. Этот перелом желательно иметь в области пяти-шестикратных токов. У обычных предохранителей с перешейками места плавления при коротком замыкании и перегрузках разные, но тепловая связь между этими элементами относительно велика и защитная характеристика не имеет резкого излома.
Рис. 6-8. Защитная характеристика инерционного предохранителя на 100 а. 1—характеристика элемента, отключающего при коротком замыкании; 2 — характеристика элемента, отключающего при перегрузке.
Инерционный предохранитель изображен на рис. 6-9. При токах короткого замыкания плавится медная плавкая вставка 1 с перешейком малого сечения. Для гашения дуги служит зернистый гипс 2. При перегрузках тепло от нагревателя 3 через тело 4 с большой теплоемкостью передается легкоплавкому сплаву, удерживающему контактную колодочку 5. Когда сплав расплавится, пружина 6 открывает колодку, что вызывает размыкание цепи.
Предохранитель такого типа на ток от 5 до 150 а с отношением пограничного тока к номинальному около 1,4 имеет при токе в 5 раз больше номинального время срабатывания 10 — 20 сек [Л. 6-19]. Иногда инерционные предохранители монтируются непосредственно на двигателе [Л. 6-19]. Плавление легкоплавкого сплава, удерживающего контакты от размыкания, здесь осуществляется под влиянием тепла, идущего как непосредственно от. двигателя, через теплопроводный стержень, так и от нагревателя, обтекаемого током. Токи короткого замыкания отключаются отдельным элементом.
Рис. 6-9. Инерционный предохранитель на 30 в постоянного тока.
Инерционный предохранитель на напряжение 220 в переменного тока, примененный в замкнутых сетях [Л. 6-20], представляет собой медные шины, соединенные мостиком из сплава 32% свинца, 50% олова, 18% кадмия с температурой плавления 145°С, который выплавляется при перегрузке. Для придания инерционности на концах шин (с противоположной стороны мостика из легкоплавкого сплава) прикреплены медные параллелепипеды с большой теплоемкостью. Токи короткого замыкания отключаются при перегорании суженной части медной шины.
Для радиоустановок, когда в цепи есть большие емкости, надо иметь высокую инерционность предохранителей. В этом случае применяют предохранители с оловянной вставкой, расположенной внутри трубочки, на которую намотан нихромовый нагреватель [Л. 6-3]. Для устранения влияния пленки окислов олова, удерживающих жидкое олово, рекомендуется покрывать вставку раствором шеллака в метиловом спирте.
Имеются инерционные радиопредохранители, у которых к проволочной вставке прикреплена смесь, содержащая магний. При нагреве она разрушает проволоку.
Инерционные предохранители для силовых установок обычно исполняются на меньшую разрывную способность, чем неинерционные, так как они располагаются ближе к потребителю, где токи короткого замыкания невелики. Кроме того, в описанных выше инерционных предохранителях участок, поглощающий энергию дуги при коротком замыкании, занимает только часть патрона, а пограничный ток элемента, плавящегося при коротком замыкании, высок (см. выше), следовательно у него велика масса металла, относительно мало токоограничение и. т. п. Ввиду этого инерционные предохранители указанных выше конструкций нельзя сделать с большой разрывной способностью в малых габаритных размерах.
Применяемые в Германии для силовых цепей с напряжением до 500 в так называемые инерционные предохранители серий R, NH и т. п. с кварцевым наполнителем не удовлетворяют полностью требованиям, указанным в настоящем параграфе, так как они имеют недостаточную выдержку времени при пятикратном токе. Их номинальный ток должен быть больше номинального тока двигателя. Повышенное время отключения при перегрузке у них достигнуто главным образом за счет увеличения времени отключения при коротком замыкании путем увеличения сечения перешейков или ликвидации их вовсе и т. п. (гл. 7). При этом в насыпных предохранителях возникает опасность чрезмерного нагрева патрона при пограничном токе, а также появления затяжной дуги при критических токах. Эти обстоятельства ограничивают возможность существенного повышения инерционности.
Указанное выше осложнение можно устранить, повысив времена отключения перегрузок обычных насыпных предохранителей до уровня, указанного в табл. 6-3 [Л. 6-21 и 6-7]. Для этого (рис. 6-10) увеличивают сечение части плавких вставок 2 и соединяют их при помощи легкоплавкого сплава с находящимися снаружи пружинами. Благодаря большому сечению вставок времена перегорания при пятикратном токе будут большими, а пограничный ток и нагрев патрона могут быть небольшими, ввиду того что они определяются температурой плавления сплава.
Рис. 6-10. Модификация насыпного предохранителя для создания инерционности.
При плавлении сплава и отходе пружины 3 часть плавких вставок 2 отключается; оставшиеся вставки 1 ввиду малого сечения эффективно гасят дугу. Размыкание цепи вставок 2 происходит без дуги.
Инерционные предохранители значительно дороже обычных, и это препятствует их массовому изготовлению.
Высоковольтные предохранители
Высоковольтные предохранители используются для защиты электрооборудования электрических сетей напряжением выше 1000 В от токов короткого замыкания и токов недопустимых перегрузок.
Основными техническими характеристиками предохранителей являются номинальное напряжение, номинальный длительный ток, зависимость времени плавления вставки от тока. Отключающую способность предохранителей характеризуют номинальной отключаемой мощностью. Защитным элементом предохранителя является плавкая вставка, включенная последовательно в электрическую цепь защищаемой сети.
Предохранители, обладающие способностью резко уменьшать ток в цепи при коротком замыкании, называются токоограничивающими . При прохождении через плавкую вставку токов короткого замыкания или длительного тока перегрузки она чрезмерно перегревается и плавится, переходя сначала в жидкое, а затем в газообразное состояние. В процессе расплавления металла вставки между контактами предохранителя образуется дуга. Длительность горения и скорость гашения электрической дуги внутри предохранителя зависят от конструкции предохранителя и правильности выбора плавкой вставки. После гашения дуги электрическая цепь полностью разрывается.
Время перегорания плавкой вставки зависит от величины проходящего через нее тока и называется защитной или токовременной характеристикой плавкой вставки, которая служит для определения выдержки времени отключения аварийных токов, а также расчетов селективной работы предохранителей и релейной защиты электроустановки.
Ток, плавящий вставку, определяется конструкцией предохранителя, физическими данными самой плавкой вставки (материалом, формой, длиной и поперечным сечением) и температурой окружающего воздуха.
На токовременную характеристику предохранителя влияет также состояние плавкой вставки. Если использовать вставку с оксидной пленкой, у которой вследствие этого уменьшилось сечение плавящегося элемента из-за длительного хранения в ненормальных условиях, то характеристики вставки окажутся измененными.
Плавкая вставка может работать длительное время, если через нее проходит номинальный или меньший электрический ток. При прохождении через предохранитель рабочего тока вставка нагревается, но структура металла не меняется.
Номинальным током плавкой вставки называется ток, который вставка способна выдержать, не расплавляясь и не перегорая длительное время, а номинальным током предохранителя — ток, на который рассчитаны его токоведущие части. Значение номинального тока указывают на токоведущих частях предохранителя и на контактных частях плавких вставок.
Важными показателями предохранителей являются их надежность, стабильность и избирательность, т. е. плавкая вставка предохранителя должна длительное время работать при протекании по ней номинального тока, не перегорать при кратковременных перегрузках, надежно отключать предельный ток без разрушения самого предохранителя и отключать только тот участок электрической цепи при возникновении в любой ее точке короткого замыкания, который защищает данный предохранитель. В этом случае сработать должен тот предохранитель, который расположен ближе к месту замыкания.
Ток, при котором плавкая вставка сгорает в момент достижения ею установившейся температуры, называется пограничным . Если пограничный ток по значению близок к номинальному или несколько больше его, плавкая вставка предохранителя не перегорает при прохождении через нее номинального тока.
Предельно отключаемый ток предохранителя — это наибольший ток, который способен отключить предохранитель при перегорании его плавкой вставки.
Предельно отключаемый ток плавкой вставки должен быть равен или больше максимального расчетного тока короткого замыкания в цепи, защищаемой предохранителем. Если выбор предохранителя произведен неправильно, то длительность горения дуги при перегорании плавкой вставки увеличивается и может привести к разрушению патрона предохранителя.
Разрывной мощностью предохранителя называется наибольшая мощность короткого замыкания, которую способен разорвать предохранитель при перегорании плавкой вставки без разрушения патрона предохранителя.
Защищаемые электрические цели укомплектовываются предохранителями на соответствующие электроустановкам номинальные напряжения и токи. Применение предохранителей, предусмотренных на меньшее номинальное напряжение, может привести к короткому замыканию и разрушению предохранителя. Если использовать предохранитель на большее номинальное напряжение и ток, то он нe обеспечит необходимой защиты и нарушит селективную работу аппаратов и реле защиты, так как имеет другие, отличные от защищаемой цепи характеристики. Для надежной работы предохранителя необходимо, чтобы токовременная характеристика era плавкой вставки была несколько ниже характеристики защищаемого объекта.
В закрытых распределительных устройствах напряжением 6 и 10 кВ применяются предохранители ПК и ПКТ.
Предохранитель ПК (рис. 1) относится к токоограничивающим предохранителям и представляет собой патрон — фарфоровую трубку 8, заполненную мелким кварцевым песком, внутри которой помещена плавкая вставка 10, На концах фарфоровой трубки 8 закреплены латунные колпачки 7 с крышками 6. Контакты патронов располагаются на двух опорных изоляторах 5, закрепленных на стальной плите 1. Контакты 2 снабжены замками, удерживающими патрон от выпадания при возникающих при прохождении токов короткого замыкания электродинамических усилиях. Для присоединения шин распределительного устройства к предохранителю служит хвостовик 4 контакта 2.
Плавкая вставка 10 состоит из медных проволок, покрытых слоем серебра и намотанных на керамический сердечник (стержень) 9 для номинальных токов до 7,5 А. При токах выше 7,5 А медные проволоки имеют вид спиралей и помещены непосредственно внутрь фарфоровой трубки. Проволока плавкой вставки на номинальные токи до 7,5 А по всей длине имеет один диаметр, а на токи выше 7,5 А — разные диаметры, т. е. в этом случае используется проволока ступенчатого сечения, что существенно улучшает характеристики предохранителей. Во время процесса срабатывания предохранителя плавление и испарение таких вставок под действием больших токов происходит неодновременно: сначала плавится участок вставки с проволокой меньшего сечения, а затем-с проволокой большего сечения. Вследствие этого уменьшается длина разрываемого участка и снижается перенапряжение, которое вызывается перегоранием плавкой вставки. Эта конструкция плавкой вставки предохранителя ПК позволяет ограничить перенапряжение до 2,5-кратного значения рабочего напряжения.