Назначение, принцип действия и устройство предохранителя

 

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.

 

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: