Общие сведения

Предохранители — это аппараты, защищаю­щие установки от перегрузок и токов короткого замы­кания.

Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защи­щаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки!

К предохранителям предъявляются следующие тре­бования.

1. Время-токовая характеристика предохранителя должна проходить ниже характеристики защищаемого объекта, причем возможно ближе к ней.

2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.

3. Характеристики предохранителя должны быть ста­бильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства пре­дохранителя.

4. В связи с возросшей мощностью установок предо­хранители должны иметь высокую отключающую спо­собность.

5. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени.

Нагрев плавкой вставки при длительной нагрузке

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при дости­жении ею установившейся температуры, называется пограничным током. При токах, близких к погра­ничному, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления.

В связи с тем, что время плав­ления при пограничном токе ве­лико (более 1 ч) и температура плавления материалов вставки составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохрани­теля нагреваются до высоких температур.

В связи с этим принимаются меры к снижению тем­пературы плавления вставки, что наиболее просто дости­гается применением легкоплавких металлов, таких как свинец, цинк и сплавы.

Физические константы материалов, которые приме­няются для вставок, даны в табл.1.

Наинизшую температуру плавления имеет свинец. Но удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди. Для того чтобы при прохождении данного тока вставка нагрелась до допустимой температуры (150° С), ее сечение должно быть значительно больше, чем сечение вставки из меди.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Большой объем вставки увеличивает количество парод металла в дуге, затрудняет ее гашение, уменьшает предельный ток, отключаемый предохранителем.

Применение легкоплавких металлов не дает удовлетворительного решения. В настоящее время широкое распространение получили медные и серебряные плавкие вставки с металлургическим эффектом.

На тонкую проволоку (диаметр менее 0,001 м) нано­сится шарик олова. При нагреве вставки сначала пла­вится олово, имеющее низкую температуру плавления (232° С). В месте контакта олова с медной проволокой начинается растворение меди и уменьшение сечения медной вставки. Это вызывает увеличение сопротивле­ния и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока расплавится медная проволока в точке, где расположен оловянный шарик. Возникшая при этом дуга расплавляет проволоку на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру встав­ки в момент плавления до 280° С.

Стабильность время-токовой характеристики в зна­чительной степени зависит от окисления плавкой вставки.

Свинец и цинк образуют на воздухе пленку окисла, которая предохраняет вставку от изменения сечения.

Медная вставка при длительной работе с высокой температурой интенсивно окисляется. Пленка окисла при изменении температурного режима отслаивается и сечение вставки постепенно уменьшается. В результа­те плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близком к пограничному, выбрана высокой.

Конструкция предохранителей низкого напряжения

Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Пре­дохранитель типа ПР-2 изображен на рис. 2.

б)                                в)

Рис. 2. Предохранитель типа ПР-2.

Плавкая встав­ка 3 изготавливается из цинка путем штамповки. Применение

легкоплавкого материала — цинка, стойкого против коррозии, и вы­бранная форма вставки позволяют получить благоприятную защитную характеристику. Плавкая вставка 3 присоединяется к ножевидным контактам 5 с помощью болтов с шайбами.

Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, кото­рый состоит из фибрового цилиндра 1, латунной обоймы 2 и латун­ного колпачка 4. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упро­щенную конструкцию контактной системы ( рис.2а).

Процесс гашения дуги происходит следующим образом. При от­ключении сгорают суженные сечения плавкой вставки и возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги стенки патрона, вы­полненные из фибры, выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давления поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис.2,в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при коротких замыканиях и создают эффект токоограничения.

Предохранители с мелкозернистым наполнителем.

   

        5 6 4  2      3       1

    7 8

Рис. 3. Предохранитель типа ПН-2.

Эти предохранители обладают  более совершенными   характеристиками, чем

предохранители ПР-2. Разрез такого предохранителя типа ПН-2 по­казан на рис. 3.

Корпус предохранителя 1 изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие встав­ки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Снаружи корпус имеет форму квадрата. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевым контактом 9. Пласти­ны 5 закрепляются на корпусе с помощью винтов, которые ввинчи­ваются в отверстия с резьбой.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1—0,2 мм. Для получения эффекта токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Разбивка плавкой вставки на несколько парал­лельных ветвей—ленточек (в данном случае их три) позволяет бо­лее полно использовать объем наполнителя. Применение тонкой лен­ты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номи­нального тока, что обеспечивает высокую токограничивающую спо­собность. Соединение нескольких суженных участков последователь­но способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя.

Для снижения температуры плавления вставки на суженные участки наносятся оловянные шарики 7.

При коротком замыкании плавкая вставка сгорает и образуется дуга, которая горит в канале, образованном песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую ох­лаждающую поверхность.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском 5 удаляются и взамен устанавливаются новые, после чего патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины 3 кладется асбестовая прокладка 6, что предохраняет песок от ув­лажнения. При номинальном

токе 40 А и ниже предохранитель имеет более простую конструкцию.

Предохранители ПН-2 выпускаются на номиналь­ный ток до 630 А. Предель­но отключаемый ток корот­кого замыкания, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА.

В том случае, когда необходимо иметь малые габариты распре­делительного устройства, применяют резьбовые предохранители ти­па ПРС, изображенные на рис. 4.

Рис.   4. Предохранитель типа ПРС.

Один конец цепи подводится к зажиму 1, который связан с контактной гильзой 2, оканчивающей­ся резьбовым соединением, связанным с контактом съемной головки 3. Плавкая вставка 4 располагается в фарфоровом цилиндре 5, за­полненном внутри кварцевым песком. На торцах цилиндра 5 укреп­лены контактные колпачки, к которым присоединена плавкая встав­ка 4. Второй конец цепи через зажим 7 соединяется с контактным винтом 8.

Предохранитель имеет указатель срабатывания. При сгорании плавкой вставки освобождается специальная пружина, которая вы­брасывает глазок, расположенный у застекленного отверстия 6.

Перезарядка предохранителя производится путем замены ци­линдра 5 (вместе со сгоревшей плавкой вставкой и сигнализирующим устройством) новым цилиндром.

Предохранители этого типа выпускаются на токи до 100 А. Они могут устанавливаться в цепях постоянного тока при напряжении до 440 В и переменного тока частотой 50 Гц при напряжении до 500 В, их предельная отключающая способность составляет 60 кА.

Эти предохранители более сложны в производстве, чем предохра­нители ПН-2, поэтому и более дороги. 

Предохранители для защиты полупроводниковых приборов.  Существующие до последнего времени предохра­нители и автоматы из-за относительно большого времени срабаты­вания не могут защитить приборы при коротких замыканиях. Здесь нашли свое применение плавкие вставки выполненные из серебра, в них имеется перешеек с мини­мальным сечением и хорошо охлаждается кварцевым наполнителем (предохранители ПНБ). В некоторых предохранителях ПБФ плавкая вставка зажата между дисками корунда, обладающего теп­лопроводностью в 7 раз большей, чем кварцевый наполнитель.

Быстродействующий предохранитель ПНБ-3 (разработан на ба­зе предохранителя ПН-2) выпускается на переменное и постоянное напряжения до 660 В и номинальные токи 40—630 А. Предельная амплитуда тока короткого замыкания сети 150 кА. В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются более совершенные предохранители серий ПП-31, ГШ-41, И, ПП-61, ПП-71.

Следует отметить, что быстродействующие предохранители пред­назначены только для защиты от коротких замыканий. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.

Блоки предохранитель — выключатель. Для сокращения раз­меров распредустройства выпускаются блоки предохранитель — вы­ключатель (БПВ), обеспечивающие отключение номинальных токов и защиту цепей от перегрузок и коротких замыканий.

Общий вид БПВ представлен на рис. 4.

Рис. 4. Блок предохранитель — выключатель.

В стальной раме 1 поступательно перемещается траверса 4, на которой укреплены пре­дохранители 5. При вращении рукоятки 3 траверса с предохранителями перемещается и контакты аппарата размыкаются. Наличие двух разрывов на полюс обеспечивает отключение номинальных то­ков до 350 А при переменном напряжении до 550 В. Для отключения номинального постоянного тока 350 А при напряжении до 440 В раз­рывы снабжаются деионными решетками.

Съем патрона с перегоревшей вставкой возможен только в от­ключенном положении БПВ, после освобождения защелки 2. Элек­трическая износостойкость аппарата 2.500 коммутационных циклов, механическая — 5000 циклов.

Выбор предохранителей

а) Выбор по условиям длительной эксплуатации и условиям пуска. В процессе длительной эксплуатации температура нагрева предохранителя не должна превос­ходить допустимых для него значений. В этом случае обеспечивается стабильность характеристик предохранителя.