1.2. Предохранители

1.2.1. Назначение и устройство предохранителей

Все аппараты защиты можно разделить на три группы в зависимости от контролируемого параметра:

– аппараты токовой защиты;

– аппараты тепловой защиты;

– аппараты температурной защиты.

Предохранители относятся к первой группе аппаратов.

Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей, в основном, от токов короткого замыкания. Главный элемент предохранителя – плавкая вставка постоянного или переменного сечения, которая при токах срабатывания сгорает (плавится), отключая электрическую цепь.

По исполнению все предохранители можно разделить на открытые (вставка не защищена патроном или размещена в трубке, открытой с торцов), закрытые (вставка находится в закрытом патроне) и засыпные (вставка находится в патроне, полностью заполненном мелкозернистым наполнителем, например кварцевым песком).

Материалы, применяемые для плавких вставок: медь, цинк, алюминий, свинец и серебро. Вставки из меди окисляются, поэтому их подвергают лужению, т.е. покрывают слоем олова.

В засыпных предохранителях чаще применяют кварцевый песок, но лучшими гасящими свойствами обладает мел, который дороже песка, что ограничивает его применение.

На токи до 10 А плавкие вставки выполняются из проволоки круглого сечения, на токи свыше 10 А – из листового материала.

Особую группу составляют жидкометаллические предохранители, в которых применяются, например, галлий или сплав галлий-индий-олово. При срабатывании такого предохранителя, металл из жидкого состояния переходит в газообразное. Возникающее при этом давление в патроне через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического включателя, отключая тем самым электрическую цепь. Сразу после этого пары металла вновь переходят в жидкое состояние (через 0,5–2 мс), и предохранитель готов к повторному срабатыванию.

Инерционные предохранители отличаются от обычных тем, что в них есть две вставки разного сечения и исполнения. Эти предохранители обеспечивают защиту потребителя (наиболее часто – асинхронные двигатели) при токах короткого замыкания и при небольших токах перегрузки.

t0 2 1 3 Iном Iпогр I Рис. 14

На рис. 14 представлена рабочая (защитная) характеристика (кривая 1) предохранителя в координатах время-ток t0(I), где Iном – номинальный ток предохранителя, являющийся наибольшим допустимый по условиям нагрева составных частей предохранителя то-ком нагрузки в продолжительном ре-жиме (указывается на плавкой вставке); Iпогр – пограничный ток, при котором

плавкая вставка перегорает за время не менее одного часа; t₀ – время отключения предохранителя. Обычно I_погр принимается за исходный при расчетах. Реальная защитная характеристика предохранителя имеет отклонения (кривые 2 и 3 на рис. 14) за счет влияния ряда факторов: состояние поверхности плавкой вставки, погрешности конструктивных размеров и др.

В зависимости от материала вставки пограничный ток может превышать номинальный на 10 – 70%. Его меньшие значения относятся к материалам с более стабильной защитной характеристикой, т.е. эти материалы менее подвержены воздействию внешних атмосферных условий и режимов эксплуатации электрооборудования. Например, таким материалом является серебро. А такой материал, как алюминий, относится к нестабильным.

Рекомендуется [3] принимать следующие соотношения для пограничного тока:

– для медных плавких вставок (1,6÷2,0) I_ном;

– для серебряных (1,1÷1,6) I_ном;

– для цинковых и свинцовых (1,25÷1,5) I_ном;

– для медных с оловянной напайкой (1,4÷1,5) I_ном.

На рис. 15 представлены два варианта исполнения плавких вставок: а – постоянного сечения, б – переменного.

а)

б)

Рис. 15

Фигурные плавкие вставки имеют ряд преимуществ по сравнению со вставками постоянного сечения. Например, меньше засоряется внутренняя полость патрона парами металла, уменьшаются тепловые потери.

Для увеличения отключающей способности предохранителя, т.е. наибольшего действующего значения тока, его патрон делают из специального газогенерирующего материала, например из фибры. При перегорании вставки происходит обильное и интенсивное выделение газа, который увеличивает давление внутри патрона, чем в свою очередь ускоряется процесс дугогашения.

Высоковольтные предохранители, предназначенные для отключения значительных токов КЗ (до 100 кА), выполняются с фарфоровым корпусом.

Пограничный ток предохранителя открытого типа рассчитывается на основе баланса подводимой и отводимой мощностей:

(30)

где К_т – коэффициент теплопередачи; S_охл – площадь поверхности охлаждения; ν_пл – температура плавления материала вставки; ν₀ – температура окружающей среды; ρ₀ – удельное электрическое сопротивление материала вставки; α – температурный коэффициент сопротивления.

Пограничный ток засыпного предохранителя определяется из соотношения

(31)

где D_вн и D_н – внутренний и наружный диаметры трубки; λ_н и λ_т – теплопроводности наполнителя и материала трубки; d – диаметр плавкой вставки.

Полное время срабатывания предохранителя складывается из трех составляющих:

t_ср = t₁ + t₂ + t₃ ,

где t₁ – время нагрева вставки от температуры окружающей среды до температуры плавления; t₂ – время плавления вставки (время перехода материала вставки из твердого в жидкое состояние после нагревания до температуры плавления); t₃ – время гашения дуги.

При расчете предохранителя полагаем, что процесс нагрева имеет адиабатный характер. Это предположение допустимо при токах, которые превышают номинальный ток в три и более раза.

Составляющие времени срабатывания предохранителя определяются из соотношений

t1 = A1S2 / I2 ;

t2 = A2S2 / I2 ,

где S – сечение вставки; I – ток срабатывания предохранителя; A₁ и A₂ – постоянные интегрирования, которые определяются электрофизическими характеристиками материала вставки. Значения A₁ и A₂ сведены в табл. 9.

Таблица 9

Материал вставки	A1, А2 с/мм4	A2, А2 с/мм4
Серебро	62 000	8 000
Медь	80 000	11 000
Цинк	9 000	3 000
Свинец	1 200	400

Расчет времени срабатывания предохранителя можно выполнить по эмпирическим формулам, учитывающим время гашения дуги:

– для предохранителя открытого типа

(32)

– для засыпного предохранителя

(33)

Пример

Определить полное время срабатывания предохранителя открытого типа, если предположить, что процесс нагрева имеет адиабатный характер.

Вставка выполнена из серебра, сечение вставки равно 1 мм², ток срабатывания предохранителя составляет 20 А.