а) Назначение предохранителя. Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили их очень широкое применение. Предохранители НН изготовляются на токи от мА до тысяч А и на напряжение до 660 В, а предохранители ВН — до 35 кВ и выше.

Предохранители — это ЭА, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ.

Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную или автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

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.

б) Принцип работы предохранителя, физические явления в электрическом аппарате.Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определённое значение.

В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путём расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током

защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

При токах > I плавления предохранитель должен срабатывать в соответствии с времятоковой характеристикой. Сростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока. Для получения такой характеристики придают вставке определенную форму или используют металлургический эффект.

Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 6.1,а), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженых участках

Рис.6.1 – Распределение температур (а) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б) и при КЗ (в)

выделяется больше теплоты, чем на широких. При Iном избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распределятся к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I ) нагрев суженных участков идет быстрее, т.к. только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис 6.1,б). При КЗ (I » ) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или нескольких суженых местах (рис 6.1,в).

Во многих конструкциях вставке 1 придается такая форма (рис 6.2,а) , при которой электродинамические силы F, возникающие при токах КЗ , разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться. На рис. 6.2,а место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения.

Рис. 6.2. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом

При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится.в суженом месте. В конструкции на рис. 6.2,б ускорение отключения цепи при перегрузках и КЗ достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку 1 при размягчении металла на суженных участках, до того, как происходит плавление этих участков.

Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять другие тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Это явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок.

Для ускорения плавления вставок при перегрузках на проволоки напаиваются оловянные шарики. При токах перегрузки шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Вставка перегорает в месте напайки шарика.

Параметры предохранителя

Предохранитель работает в двух резко различных режимах: в нормальных условиях и условиях перегрузок и КЗ. В первом случае перегрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки Iном. Он может быть отличен от номинального тока самого предохранителя.

Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на разные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя, указанный на нем, равен наибольшему из токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток не плавления — ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, условный ток плавления — ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63 -100 А плавкие вставки не должны перегореть при протекании тока 1,3 Iном в течении одного часа, а при токе 1,6 Iном должны перегореть за время до одного часа.

Рассмотрим нагрев вставки при длительной нагрузке.

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока t=f(i). Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 6.3) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.3) . 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

Рис. 6.3. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта

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 (1,5 – 2)Iном нагрев предохранителя протекает .медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде,

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током Inoгp. Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе Iном, необходимо Inoгp > Iном. С другой стороны, для лучшей защиты значение Inoгp должно быть возможно ближе к номинальному.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и сплавы (медь, серебро, цинк, свинец, алюминий).

Рассмотрим нагрев вставки при КЗ.

Если ток, проходящий через вставку, в 3 — 4 раза больше Iном, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое вставкой, идет на ее нагрев.

Время нагрева вставки до температуры плавления

,

где А’- постоянная, определяемая свойствами материала; q — поперечное сечение вставки; jк -плотность тока вставки.

По мере 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 — удельное сопротивление материала вставки при температуре плавления; — удельное сопротивление материала вставки в жидком состоянии; у — плотность материала вставки; L — скрытая теплота плавления материала

вставки.

Основным параметром предохранителя при КЗ является предельный ток отключения — ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшем рабочему напряжению.

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем

t пр= tпл + t перех + t дуги

Для предохранителя со вставкой, находящейся в воздухе

,

где коэффициент n =3 учитывает преждевременное разрушение вставки, a k₀ = 1.2 -1.3 учитывает длительности горения дуги.

В предохранителях с наполнителем (закрытого типа) разрушение вставки до полного ее плавления менее вероятно. Время отключения цепи предохранителем

,

Коэффициент к_д = 1,7 -2 учитывает длительность горения дуги.

Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводится на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента начала КЗ до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током КЗ установившегося или даже амплитудного значения. Дуга образуется через время t1 после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения Ik уст.

Средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, т. К. Отклю­чается не установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки.

Рис. 6.4. Отключение постоянного и переменного тока предохранителем с токоограничением

Конструкция предохранителей

в) Устройство предохранителя.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.

Рекомендуемые страницы:

Принцип действия, устройство и назначение предохранителей

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

В большинстве предохранителей отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекающим через нее током защищаемой цепи.

После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция производится вручную или автоматически заменой всего предохранителя.

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

Предохранители изготовляются на напряжение переменного тока 36, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.

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 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.

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

В нормальном режиме теплота, выделяемая током нагрузки в плавкой вставке, передается в окружающую среду и температура всех частей предохранителя не превышает допустимую. При перегрузках или КЗ температура вставки увеличивается и она расплавляется. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. Эта зависимость называется защитной (времятоковой) характеристикой предохранителя.

Предохранители не должны отключать электрическую цепь при протекании условного тока неплавления и должны отключать цепь при протекании условного тока плавления в течение определенного времени, зависящего от номинального тока (ГОСТ 17242—79Е). Например, при номинальных токах 10—25 А плавкая вставка не должна расплавляться в течение 1 ч при токах 130% номинального и должна расплавляться в течение того же времени при токах 175% номинального.

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.

Источник: Л. Д. Рожкова, Л. К. Карнеева, Т. В. Чиркова. Электрооборудование электрических станций и подстанций

Принцип работы и устройство предохранителя

История использования электричества насчитывает уже более века. Одновременно с появлением в повседневной жизни такого «невидимого помощника» встал вопрос об организации защиты электропроводки и электроустановок от различных аварийных и ненормальных режимов работы. Одними из первых таких устройств защиты стали предохранители.

Развитие начиналось с обычной проволоки из платины, которая применялась в середине 19 века для защиты телеграфного кабеля, до современных предохранителей с отключающей способностью высокого значения. Благодаря своей довольно простой конструкции и надежной работе, в основе которой лежат незыблемые физические законы, плавкие электрические предохранители стали воплощением безопасности в электрических цепях.

Позднее применялись плавкие вставки с легкоплавкими элементами из свинца и олова. В связи с тем, что номинальные токи в настоящее время могут превышать 1000 А, отпала потребность в использовании плавких вставок старого типа. Однако принцип работы сегодняшних предохранителей высокой отключающей способности остался практически неизменным с 1890 года. Именно тогда Мордей В.М. запатентовал первый предохранитель.

Предохранитель встраивается в разрыв электрической цепи. Его основной задачей является пропускание рабочего тока и разрыв электрической цепи при появлении сверхтоков. Различают предохранители низковольтные (до 1 кВ) и высоковольтные (свыше 3 кВ), однако по назначению и принципу действия они полностью совпадают. Также выделяют силовые и быстродействующие предохранители.

Низковольтные предохранители конструктивно  представляют собой довольно простое устройство. Токопроводящий элемент (плавкая вставка) под воздействием тока, значение которого выше номинальной величины, нагревается,  расплавляется в дугогасящей среде (чаще всего это кварцевый песок SiO2) и испаряется, создавая разрыв в защищаемой электрической цепи.

Изолятор препятствует выходу горячих газов и жидкого металла в окружающую среду. Он изготавливается из высокосортной технической керамики и должен выдерживать при отключении очень высокие температуры и внутреннее давление.

Защитные крышки имеют планки для захвата унифицированными рукоятками для замены плавких вставок низковольтных предохранителей. Вместе с керамическим корпусом они создают взрывонепроницаемую оболочку для коммутационной электрической дуги.

Песок, в свою очередь, важен для ограничения силы тока. Обычно применяется кристаллический кварцевый песок с высокой минералогической и химической чистотой (содержание SiO2 > 99,5%).

Для коммутационной функции важным являются определенный размер кристаллов песка и оптимальное его уплотнение.

Индикатор позволяет быстро находить сгоревшие предохранители. При повышенной жесткости пружины он может служить ударным сигнализатором для приведения в действие микропереключателей или разъединителей.

Припой сдвигает характеристическую кривую к меньшим значениям тока плавления. Он подбирается в соответствии с материалом плавкого элемента и должен находиться в нужном количестве и в нужном месте.

Контактные ножи механически и электрически соединяют плавкую вставку с держателем-основанием предохранителя. Они изготавливаются из меди или медного сплава с покрытием из олова или серебра.

Традиционными материалами, из которых изготовляются плавкие вставки это: медь, цинк, серебро, обладающие необходимым удельным электрическим сопротивлением.

Основным преимуществом при использовании предохранителя с плавкой вставкой является эффект токоограничения. То есть время расплавления плавкой вставки является достаточно малым и, как следствие, ток короткого замыкания не успевает достигнуть своего максимального значения. График показывающий явление токоограничения представлен ниже.

Основным параметром плавкой вставки является ее времятоковая характеристика. С ее помощью можно определить время отключения защищаемой линии при известном сверхтоке. График демонстрирующий данную зависимость представлен ниже.

Очевидно, что при номинальном уровне тока или меньшем его значении плавкая вставка должна проводить электричество неограниченное количество времени.

Для ускорения времени работы плавкой вставки применяют следующие технические решения:

• плавкие вставки с участками различной ширины (сечения)
• металлургический эффект в конструкции плавких вставок

За счет снижения сечения (сужения) плавкой вставки в определенных местах достигается требуемое — меньшее время размыкания цепи.

Металлургический эффект заключается в следующем: отдельные легкоплавкие металлы (например, свинец и олово) способны растворять в своей структуре более тугоплавкие металлы, такие как медь и серебро.

Для этого на медные проволочки наносятся капли олова. При нагреве сверхтоком оловянные капли быстро расплавляются, расплавляя при этом и часть проволок. Далее используется механизм работы плавкой вставки со сниженным сечением в определенных местах.

Основной причиной продолжающегося роста числа пользователей плавких предохранителей помимо крайне выгодного соотношения цены и результата, а также незначительной занимаемой площади является их общеизвестная надежность, которая характеризует предохранители как «последнюю линию защиты». Только сертифицированные предохранители с плавкими вставками, которые соответствуют заявленным характеристикам, позволят Вам избежать пожаров, возникающих в электропроводке и электроустановках.

7. Устройство и принцип работы электрического предохранителя.

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. Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.

3.Время срабатывания предохранителя при коротком замыкании должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением.

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

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

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

Основной характеристикой предохранителя является зависимость времени плавления вставки от протекающе­го тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кри­вая 1 на рис.9) во всех точках шла немного ниже ха­рактеристики защищаемого объекта (кривая 2 на рис.9). Однако реальная характеристика предохра­нителя (кривая 3 на рис.9) пересекает кривую 2.

Рис.9. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта.

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 (1,5-2)I_н нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде. Сложные условия теплоот­дачи затрудняют расчет плавящего тока.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при дости­жении ею установившейся температуры, называется пограничным током I_погр. Для того чтобы предо­хранитель не срабатывал при номинальном токе, необхо­димо соблюсти условие I_погр>I_ном С другой стороны, для лучшей защиты пограничный ток должен быть возможно ближе к номинальному. При токах, близких к погра­ничному току, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления.

Вставки выполняются из легкоплавких металлов, таких как свинец, цинк и сплавы.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Большой объем вставки увеличивает количество паров металла в дуге, затрудняет ее гашение, уменьшает пре­дельный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих особенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные плав­кие вставки с металлургическим эффектом, который объясняется ниже. На тонкую проволоку (диаметр менее 0,001 м) наносится шарик из 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 времятоковой характеристики в значительной степени зависит от окисления плавкой вставки. Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, кото­рая предохраняет вставку от изменения сечения. Медная вставка при длительной работе и высокой температуре ин­тенсивно окисляется. Пленка оксида 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.

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 равно:

где А^’— постоянная, определяемая только свойствами материала и от размера вставки не зависящая;

17. поперечное сечение вставки;

I_k— ток, протекающий во вставке при коротком замыкании защищаемой цепи;

j_k — плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

По мере того, как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится. Время перехода из твердого состояния в жидкое находится по формуле:

где p₁— удельное сопротивление материала при температуре плавления;

p₂— удельное сопротивление жидкого металла;

у- плотность материала вставки;

12. скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки;

А^”— постоянная.

В действительности процесс плавления идет более сложно. Как только появится жидкий участок вставки, электродинамические силы, сжимающие проводник образуют суженные участки. В этих участ­ках возрастает плотность тока и повышается температу­ра. Уменьшение сечения вставки создает разрывающие усилия, аналогичные силам в контактах при коротких замыканиях.

Таким образом, как правило, дуга загорается раньше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

Основным параметром предохранителя при коротком замыкании является предельный ток отключения — ток, который он может отключить при возвра­щающемся напряжении, равном наибольшему рабочему напряжению.

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем равно:

Для предохранителя со вставкой на воздухе это время можно подсчитать по формуле:

где коэффициент п=3 учитывает преждевременное разрушение вставки, а k₀=1,2-1,3 учитывает длительность процесса гашения дуги.

В предохранителях с наполнителем разрушение вставки до полного её плавления менее вероятно. Время работы предохранителя можно найти с помощью формулы:

Коэффициент k_Д учитывает длительность горения дуги и равен 1,7-2.

Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плав­кая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом (рис. 10, а). Плавкая вставка 1 штам­пуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии ма­териалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на то­ки более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 10, б).

Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного кол­пачка 5.

Процесс гашения дуги происходит следующим образом. При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, пос­ле чего возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги фибровые стенки патрона 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 10, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и созда­ют эффект токоограничения.

Рис.10. Предохранитель типа ПР-2.

Поскольку гашение дуги происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются не­подвижными.

Давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы 4. Диски 6, жестко связанные с контактными ножами 2, крепятся к обойме патрона 4 с помощью колпачков 5.

Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстояния друг от друга. Предохранители выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предохранители предназначены для работы на переменном напря­жении не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способ­ность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с напряжением до 500 В. В зависимости от номинального тока выпускается шесть габаритов патронов различных диаметров. В патроне каждого габарита могут ус­танавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.

Различают нижнее и верхнее значения испыта­тельного тока. Нижнее значение испытательного тока — это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов.

Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Эти предохра­нители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратно­го сечения 1 предохранителя типа ПН-2 (рис. 11) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточ­ные плавкие вставки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, свя­занным с ножевыми контактами 9. Пластины 5 крепятся к корпусу вин­тами.

В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержа­нием SiO₂ не менее 98 %, с зернами размером (0,2—0,4)10^-3 м и влаж­ностью не выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более пол­ного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффектив­ный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обес­печивает высокую токоограничивающую способность. Соединение не­скольких суженных участков последовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (металлургический эффект).

При КЗ плавкая вставка сгорает и дуга горит в канале, образован­ном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Гра­диент напряжения на дуге очень высок и достигает (2—6)10⁴ В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с дис­ком 4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для гермети­зации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6 что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ни­же предохранитель имеет более простую конструкцию. Предохранители ПН-2 выполняются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток КЗ, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлическо­го КЗ сети, в которой устанавливается предохранитель).

Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами это­го предохранителя.

Рис.11. Предохранитель типа ПН-2.

Предохранители для защиты полупроводниковых приборов. В настоящее время мощные полупроводниковые диоды и тиристоры, которые ради краткости будем называть приборами, находят широ­кое применение в выпрямительных установках и схемах автоматиче­ского управления. Существующие до последнего времени предохра­нители и автоматы из-за относительно большого времени срабаты­вания не могут защитить приборы при коротких замыканиях. Для выполнения поставленной задачи разработаны специальные быстро­действующие предохранители.

При временах с можно считать, что процесс нагрева прибора протекает по адиабатическому закону. Для удобства согла­сования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие джоулева интеграла

Для приборов, нагретых номинальным током, допустимый ток в течение 0,02 с равен 3,6 I_н. Тогда

Если прибор нагревается с холодного состояния, то допустимый ток равен 7 I_н, а интеграл

Для того чтобы предохранитель защитил прибор, необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоу­лева интеграла прибора. Джоулев интеграл предохранителя состоит из джоулева интеграла нагрева до температуры плавления G_пл вставки и джоулева интеграла гашения образовавшейся дуги G_гаш. С целью сокращения первой составляющей предохранитель должен работать с большим токоограничением. Для достижения этой цели плавкая вставка выполняется из серебра, имеет перешеек с мини­мальным сечением и хорошо охлаждается кварцевым наполнителем (предохранители ПНБ). В некоторых предохранителях ПБФ плавкая вставка зажата между дисками корунда (А1₂О₃), обладающего теп­лопроводностью в 7 раз большей, чем кварцевый наполнитель. Плот­ности тока в перешейке в номинальном режиме достигают 2000 А/мм².

Джоулев интеграл G_гаш обычно учитывается коэффициентом k_общ:

В выполненных конструкциях k_общ =3-10 и пропорционален (при).

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. Максимальный фактический ток короткого замыкания не более 15 кА. Джоулев интеграл плавления (с холодного состояния) для вставки 100 А равен (0,2—2)10^-4 А²с. Полный джоулев интеграл G_общ=(5-10) А²с (напряжение 660 В). В настоящее время отечественной промышленностью вы­пускаются более совершенные предохранители серий ПП-31, ПП-41, ПП-51, ПП-61, ПП-71.

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

Устройство и принцип действия предохранителей

При соответствии номинального тока плавкой вставки току защищаемой электрической цепи теплота, выделяемая нагревающейся плавкой вставкой, отдается различным деталям предохранителя, а через них в окружающую среду. С увеличением тока нагрузки возрастает температура нагрева плавкой вставки и других деталей предохранителя.

Показателями, характеризующими предохранители, являются также зависимость времени перегорания плавкой вставки от проходящего через нее тока, а также предельный ток отключения, в качестве которого принят наибольший ток, отключаемый предохранителем без повреждений, препятствующих его нормальной работе.

При прохождении через плавкую вставку предохранителя тока, превышающего ее номинальный ток, вставка перегорает и разрывает электрическую цепь, отключая таким образом защищаемый участок от остальной части электроустановки.

Предохранители с плавкой вставкой являются конструктивно простыми, но в то же время достаточно надежными и экономичными аппаратами защиты электрических сетей и электроустановок напряжением до 1000 В.

Предохранитель ПР (рисунок 1, а) состоит из контактных стоек 1 и закрытого разборного патрона 3 без наполнителя, внутри которого размещены одна или две (в зависимости от номинального тока предохранителя или рабочего тока в защищаемой цепи) плавкие вставки.

Во избежание выпадения предохранителя при электродинамических усилиях, возникающих в контактах в момент коротких замыканий в электрической цепи, защищаемой предохранителем, в контактах обеспечиваются необходимые нажатия. Они создаются за счет пружинящих свойств материала скобы контактных стоек (в предохранителях на 15— 60 А), стальной кольцевой или пластинчатой пружины (в предохранителях на 100—350 А) и специального зажима с рукояткой 2, установленного на контактной стойке.

Патроны (рисунок 1, б) предохранителя ПР представляют собой фибровую трубку 4 с толщиной стенок 3—6 мм, внутри которой расположена плавкая вставка 5, а на концах навернуты латунные втулки 6 с прорезями для прохода плавкой вставки.

На втулки надеты латунные колпачки 7, служащие контактными частями у предохранителей на номинальные токи до 60 А. У предохранителей на 100—1000 А контактными частями являются медные ножи 9. Во избежание смещения ножей в предохранителе имеется фиксирующая шайба 8 с пазом для ножа.

Плавкие вставки (рисунок 1, в) представляют собой пластинки с одним или несколькими участками сужения. При перегрузках плавкая вставка (рисунок 2, а) перегорает обычно на одном участке сужения (рисунок 2, б), а при коротких замыканиях — на нескольких участках одновременно (рисунок 2, в).

Рисунок 1 – Разборные предохранители ПР на номинальные токи 15-1000 А с незаполняемыми патронами:
а — общий вид, б — патроны предохранителей на номинальные токи 15-60А и 100— 1000А, в — конструкции плавких вставок; 1,9 — контактные стойка и нож, 2 — рукоятка зажима, 3 — разборный патрон, 4 — фибровая трубка, 5 — плавкая вставка, 6,7 — латунные втулка и колпачок, 8 — фиксирующая шайба

Рисунок 2 – Плавкие вставки

Рисунок 3 – Разборный предохранитель ПН с патроном, заполняемым кварцевым песком:
1 — фарфоровый патрон, 2 — плавкая вставка, 3 — шайба, 4 — контактный нож, 5 — выступы для съема патрона из контактов и установки его в контактах, 6 — крышка патрона

Плавкие вставки изготовляют из листового цинка марки Ц0 или Ц1 путем штамповки. При плавлении вставки предохранителя пары цинка ускоряют процесс рекомбинации ионов, благодаря чему улучшаются условия деионизации дугового пространства, способствующей быстрому гашению электрической дуги в патроне. Отсутствие в патроне заполнителя ухудшает условия гашения электрической дуги, возникающей при разрыве электрической цепи перегорающей плавкой вставкой. Более совершенными по своей конструкции и характеристикам являются предохранители ПН с разборным патроном, заполненным кварцевым песком.

Предохранитель ПН (рисунок 3) состоит из квадратного снаружи и круглого внутри фарфорового патрона 1, в котором помещена плавкая вставка 2, приваренная к шайбам 3 врубных контактных ножей 4. Контактные ножи, выступающие из патрона, фиксируются прорезями в крышках 6, прикрепленных винтами к торцам патрона. Патрон заполнен сухим кварцевым песком. Для предохранения песка от увлажнения патрон герметизирован прокладкой из листового асбеста толщиной 0,8 — 1 мм, установленной между крышкой и патроном предохранителя.

Плавкая вставка предохранителя ПН представляет собой одну или несколько медных ленточек толщиной 0,15 — 0,35 мм и шириной до 4 мм с просечками длиной 6 — 12 мм. При использовании плавкой вставки, состоящей из тонких параллельных ленточек, снижается ее сечение при данном номинальном токе, а следовательно, и количество паров металла в патроне при перегорании плавкой вставки. Это облегчает гашение электрической дуги в патроне, так как при перегорании ленточек плавкой вставки возникает одновременно несколько параллельных дуг, что способствует более интенсивному рассеянию энергии дуги.
Для обеспечения быстрого плавления вставки предохранителя и повышения его защитного действия при малых перегрузках на ленточки плавкой вставки напаяны оловянные шарики диаметром 0,5 — 2 мм (в зависимости от номинальных токов плавких вставок). Наличие этих шариков позволяет использовать «металлургический эффект», сущность которого состоит в том, что при нагреве вставки оловянный шарик, обладающий более низкой температурой плавления, расплавляется раньше, чем вставка, и, проникая в металл вставки, образует сплав металла с характеристиками, отличающимися от исходного материала большим электрическим сопротивлением и более низкой температурой плавления. При токах перегрузки плавкая вставка, нагреваясь, перегорает в том месте, где напаян шарик из олова, при этом температура нагрева всей вставки будет несколько ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена.

Предохранители ПР и ПН обладают токоограничивающей способностью, поскольку плавкая вставка в них перегорает раньше, чем ток короткого замыкания успевает достигнуть установившегося значения. Предохранители требуют постоянного наблюдения и своевременного ремонта. От их исправности зависит нормальная и безопасная работа защищаемых электроустановок.