1.1.1. Максимально-токовая защита, реализуемая предохранителями

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ С ПЛАВКИМИ ВСТАВКАМИ (FU) являются простейшими средствами защиты и предназначены для защиты как силовых цепей, так и цепей управления от токов к.з. и недопустимых нагрузок. Основными элементами предохранителя является плавкая вставка. Плавкий предохранитель размыкает электрическую цепь путем расплавления плавкой вставки, непосредственно нагретой током. Времятоковая характеристика – основная характеристика предохранителя, представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока. Главное условие при выборе предохранителя - обеспечение прохождения времятоковой характеристики предохранителя ниже характеристики защищаемого объекта (рис. 1).

Рис. 1. Времятоковые характеристики предохранителя и защищаемого объекта:

1 - характеристика предохранителя; 2 - характеристика объекта

Рис. 2. Отключение постоянного и переменного тока предохранителя с токоограничением

Рис. 3. Предохранитель типа ПР-2

Рис. 4. Узлы схем максимально-токовой защиты двигателей переменного (а) и посто­янного (б) тока, а также цепей управления (в), осуществляемой плавкими предохранителями

Ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. Крутизна защитной характеристики предохранителя определяет быстродействие срабатывания предохранителя, а следовательно, надежность защиты.

Величина тока, при котором вставка предохранителя не перегорает в течение длительного времени, называют пограничным током .

Номинальный ток плавкой вставки должен быть меньше пограничного тока.

Для обычных предохранителей отключение 5 – 10-кратного тока происходит примерно за время 0,05 – 0,1 с, а 1,5 – 2- кратного тока – за 20 – 50 с.

Основными параметрами предохранителей являются:

а) – номинальный ток патрона – максимальный ток, при котором токоведущие и контактные части нагреваются не выше допустимой температуры;

б) – номинальный ток вставки – длительный рабочий ток, при котором плавкая вставка не должна перегорать;

в) – предельный ток отключения предохранителя.

Полное время отключения цепи предохранителем слагается из времени нагрева вставки до плавления, времени перехода из твердого состояния в жидкое (плавление) и времени горения (гашения дуги):

.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяют легкоплавкие металлы и сплавы, такие как медь, серебро, цинк, свинец. Наименьшую температуру плавления имеет свинец, но его удельное сопротивление в 12 раз выше, чем у меди. Для того, чтобы при прохождении заданного тока вставка нагрелась до предельной температуры (150 °С), ее сечение должно быть значительно больше, чем сечение вставки из меди (250 °С). К достоинствам цинковых вставок следует отнести, помимо невысокой температуры плавления (419 С), неизменность их сечения при эксплуатации.

В предохранителях с медными или серебряными вставками при небольших токах перегрузки возможен значительный нагрев патрона предохранителя и его разрушение. При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Из-за большого объема вставки количество паров металла в дуге велико, что затрудняет ее гашение и уменьшает предельный ток, отключаемый предохранителем. Из-за таких особенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные плавкие вставки с металлургическим эффектом, суть которого состоит в следующем. На тонкую медную проволоку (диаметром менее 0,001 м) наносится шарик олова. При нагреве вставки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления (232 °С). В месте контакта олова с проволокой начинает растворяться медь, и сечение медной вставки уменьшается. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока медная проволока не расплавится в точке размещения оловянного шарика. Возникшая при этом дуга расплавляет проволоку по всей длине, Таким образом, применение оловянного шарика позволяет снизить среднюю температуру плавления медной вставки до 260 °С. Металлургический эффект способствует заметному снижению времени перегорания вставок при небольших токах перегрузки.

Стабильность времятоковой характеристики предохранителя в значительной мере зависит от окисления плавкой вставки. Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, предохраняющую вставку от изменения сечения. При длительной работе и высокой температуре медная вставка интенсивно окисляется. Пленка оксида при этом отслаивается, и сечение вставки постепенно уменьшается, поэтому приходится завышать сечение медной вставки, что ухудшает защитные свойства предохранителя.

C целью повышения быстродействия срабатывания плавкого предохранителя применяют вставку переменного сечения. Плавление такой вставки происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева перешейка протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводиться на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента начала короткого замыкания до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током к. з., установившегося или даже амплитудного значения, т.е. появляется эффект токоограничения. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, так как отключается не установившийся ток к. з., а ток, определяемый временем плавления вставки (рис. 2).

С ростом номинального тока нагрузки возрастает и минимальное сечение вставки. Увеличение этого сечения ведет к возрастанию длительности плавления вставки и уменьшению эффекта токоограничения.

Наибольшее распространение получили следующие типы предохранителей:

- разборные трубчатые без наполнителя ПР-2 (рис. 3);

• резьбовые типа ПРС;

• быстродействующие типа ПНБ5 для защиты от токов к.з. агрегатов с полупроводниковыми приборами;

• предохранители с высокой разрывной способностью типа ППЗ1.

Плавкие предохранители типа ПЦУ и ПР-2 на напряжения 380 и 500 В применяются для защиты силовых цепей электродвигателей и рассчитаны соответственно на номинальные токи от 1 до 20 А и от 6 до 1000 А.

Предохранители типа ППТ-10 и ПР-М на напряжения 250 и 500 В используются для защиты электродвигателей малой мощности, их плавкие вставки рассчитаны на токи от 2 до 10 А.

Для защиты цепей управления находят применение предохранители типа ПЦУ на напряжение 380 В с номинальными токами плавкой вставки от 1 до 20 А, снабженные указателями годности плавких вставок.

Для цепей, требующих большего быстродействия защиты, созданы специальные быстродействующие предохранители (серия ПНБ), которые отключают 5 – 10-кратный ток за время не более 0,01 с, а 1,5 – 2-кратный ток – за 10 с.

В некоторых случаях требуется, наоборот, повышенная инерционность срабатывания предохранителя, например для защиты асинхронных двигателей с прямым пуском. Для таких цепей имеются специальные инерционные предохранители с двумя различными плавкими вставками, что обусловливает двухступенчатый вид защитной характеристики с различной крутизной.

Каждый тип предохранителя изготовляют на определенный номинальный наибольший ток, а плавкие вставки к нему делают на несколько значений номинального тока. Так, например, предохранитель на номинальный ток 60 А снабжают плавкими вставками на токи 15, 20, 25, 35, 45 и 60 А.

Плавкие предохранители FU включаются последовательно в каждую фазу питающей сети между контактами линейного контактора и выключателя на­пряжения сети (рис. 4, а, б, в), чтобы замену вставки производить в обесточенной цепи.

Выбор плавкой вставки производится по току вставки , принимаемому по отноношению к пусковому току двигателя , и рассчитывают: а) по номинальному току двигателя

≥α ,

б) по пусковому току

,

где I_н, I_п – номинальный и пусковой токи двигателей, А; α – коэффициент, зависящий от режима работы двигателя (α = 1 при продолжительном и α=1,25 при повторно-кратковременном режимах работы); β – коэффициент, характеризующий условия пуска (при нормальных условиях пуска β = 2,5, при тяжелых условиях пуска β =1,6 – 2); – кратность пускового тока.

Выбор плавкой вставки для группы двигателей:

,

где – сумма номинального тока одновременно работающих двигателей;

– разность между пусковым и номинальным током двигателя наибольшей мощности.

При тяжелом пуске время пуска превышает 5 с.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором и двигателей постоянного тока, у которых обычно , выбор плавкой вставки производится по отношению к номинальному току двигателя :

.

Для защиты потребителей схем управления электроприводами ток плавкой вставки выбирается из условия

,

где – суммарный ток катушек максимального количества одновременно включенных аппаратов управления.