Вопрос 2. Низковольтные предохранители: типы, назначение, устройство, принцип действия.

Пример конструкции предохранителя со сменными плавкими вставками общего назначения без наполнителя приведен на рис. 5-4. Такие предохранители изготовляются на напряжение до 500 В и токи до 1000 А. Гашение дуги у них происходит за счет высокого давления (до 10 МПа и более), возникающего вследствие газогенерации из стенок трубок при высокой температуре электрической дуги. Другая характерная конструкция предохранителей — резьбовая. Примером современной конструкции с наполнителем является приведенный на рис. 5-5 предохранитель серии ПН-2.

Предохранители серии ПН-2 предназначены для защиты силовых цепей до 500 В переменного тока и 440 В постоянного тока, они выполняются на номинальные токи 100, 250, 400 и 630 А, обладают токоограничивающим действием и высокой разрывной способностью.

Рис. 5-4. Предохранители серии ПР-2: а — общий вид; б, в — патроны на номинальные токи 15—63 А и 100—1000 А; г — формы плавких вставок

1 - неподвижные контактные стойки; 2 - патрон; 3 - фибровая (газогенерирующая) трубка; 4 - плавкая вставка; 5 - латунная втулка; б - латунные колпачки (подвижный контакт); 7 - контактный нож

Рис. 5-5. Предохранители серии ПН-2: а — общий вид и детали; б — разрез

Корпус 1 (рис. 5-5) представляет собой глазурованную квадратную снаружи, круглую внутри фарфоровую трубку с четырьмя резьбовыми отверстиями с каждого торца. В трубку введен узел с плавкой вставкой 2, приваренной электроконтактной точечной сваркой к шайбам врубных контактных выводов 3. Контактный узел с каждого торца трубки крепится к крышке 4 винтами. Крышки с асбестовыми прокладками 5 привинчиваются к корпусу и герметически закрывают его.

Внутренняя полость трубки наполняется чистым и сухим кварцевым песком 6, полностью охватывающим рабочую длину вставки. Применяется песок с содержанием кварца не менее 98 %, с диаметром зерен 0,2 - 0,3 мм, обработанный двухпроцентным раствором соляной кислоты, промытый и прокаленный при температуре 120-180 °С. Герметизация корпуса предохраняет песок от увлажнения.

Плавкая вставка выполняется из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15—0,35 мм и шириной до 4 мм с просечками 7, уменьшающими на длине не менее 6 мм сечение вставки в два раза. Применение тонких параллельных ленточек позволяет снизить сечение плавкой вставки для данного номинального тока, а следовательно, и количество паров металла в дуге. Последнее обстоятельство облегчает гашение дуги. Возникновение нескольких дуг в параллельных каналах позволяет участвовать в рассеянии энергии дуги большему объему наполнителя, чем также облегчается гашение дуги.

Для снижения нагрева предохранителя при малых перегрузках используется металлургический эффект. На каждую ленточку вставки напаивается оловянный шарик 8. Температура плавления металла ленточки в месте, где напаян оловянный шарик, достигает 475 °С. Превышение температуры деталей предохранителя находится в пределах нормы. Отключающая способность - от 50 кА для предохранителя на 100 А до 100 кА для предохранителя на 630 А.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ

Для защиты полупроводниковых преобразователей потребовалось создание специального класса предохранителей, так называемых быстродействующих (время до расплавления плавкого элемента и начала ограничения тока 2—3 мс), на напряжение до 2000 В и токи 2000—5000 А (в общепромышленных электротехнических установках номинальные напряжения не превышают 660 В, а номинальные токи практически равны 1000 А) [33].

Рис. 5-6. Общий вид быстродействующего предохранителя.

Термическая стойкость электротехнического устройства определяется, интегралом Джоуля (см. § 2-8), а защитные свойства плавкого предохранителя при этом оцениваются фактическим значением I2! предохранителя, которое имеет место от момента наступления короткого замыкания (перегрузки) до момента отключения цепи и которое должно быть меньше допустимого для защищаемого объекта. По отношению к полупроводниковым приборам дело обстоит наоборот: так, тиристор типа Т171-320 на 320 А имеет интеграл Джоуля 2,5-105 А2-с, а у предохранителей типа ПН2-400 на 400 А он равен 3-106 А2-с.

Основными характеристиками быстродействующих предохранителей являются наибольшие интегралы Джоуля отключения, наибольший пропускаемый ток и преддуговое время.

Современные быстродействующие предохранители отечественного и зарубежного производства изготовляются в виде закрытых неразборных плавких вставок (рис. 5-6), устанавливаемых, как правило, непосредственно на проводниках комплектного устройства. Плавкая вставка размещена в керамическом корпусе 2 призматической формы, на котором винтами 4 с шурупной резьбой укрепляются выводы 1 плавкой вставки, герметизирующие прокладки 3 и торцевые крышки 5.

Плавкие элементы быстродействующих предохранителей обычно изготовляются из листовых материалов толщиной 0,05—0,2 мм в виде лент, в которых с помощью отверстий той или иной формы при штамповке образуются места ослабленного поперечного сечения — перешейки (рис. 5-7, а), а концы плавкого элемента соединяются с контактными выводами плавкой вставки обычно точечной сваркой. Чем больше перешейков, тем интенсивнее гашение дуги, так как суммарное падение напряжения на плавкой вставке в этот период пропорционально числу последовательно включенных дуг и тем больше на каждой дуге, чем меньше в ней ток, т. е. больше параллельно включенных перешейков (плавких вставок).

При работе плавкого предохранителя в режиме циклических нагрузок перешейки плавкого элемента испытывают большие знакопеременные механические воздействия (удлинение и укорочение). Для повышения срока службы предохранителя его плавкие элементы выполняют с изгибами, принимающими на себя температурные деформации (рис. 5-7,б).

Рис. 5-7. Схемы форм плавких вставок быстродействующих предохранителей.

В качестве материала плавкого элемента обычно используется технически чистое серебро, которое более стойко к коррозии под воздействием температуры и имеет лучшую электропроводимость, чем, например, медь. Соединение его с медными выводами контактной сваркой не вызывает технологических трудностей. Ведутся работы по исследованию возможностей применения других материалов. Наиболее перспективным в этом отношении является стойкий к коррозии алюминий: образующаяся на его поверхности очень тонкая плотная оксидная пленка защищает основной металл от развития коррозии.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ВЗРЫВНЫЕ

Разновидностью специальных предохранителей являются устройства, в которых токоведущая вставка в аварийном режиме разрушается под действием взрывного заряда. Эти устройства получили название взрывных предохранителей (коммутаторов). Схема такого устройства приведена на рис. 5-8. Контроль тока в цепи осуществляется датчиком Д. При коротком замыкании датчик выдает сигнал через преобразователь Пр на импульсный трансформатор Т, который повышает напряжение сигнала до значения, достаточного для срабатывания взрывного устройства ВУ, расположенного в корпусе плавкой вставки П. В результате взрыва токопроводящая вставка разрушается. Следует отметить, что сигнал от датчика может быть не только по значению тока, но и по скорости его нарастания, что существенно ускоряет выдачу сигнала.

Рис. 5-8. Схема устройства взрывного передохранителя.

Гашение дуги, возникающей при разрушении вставки, может быть осуществлено различными способами, например в трансформаторном масле, окружающем вставку (работы, выполняемые в СССР), обдувом дуги струёй газа взрывного вещества, установкой «дугогасящей» вставки ПП параллельно основной (наподобие дугогасительного контакта). В последнем примере сперва происходит ограничение тока за счет сопротивления дугогасящего контура, а затем отключение цепи вставкой ПП.

Время срабатывания — интервал времени от момента достижения аварийным током значения, равного току уставки, до начала токоограничения предохранителем — в этих устройствах составляет доли миллисекунды (0,2 — 0,7 мс).

Эксплуатация взрывных предохранителей связана с некоторыми неудобствами при замене взрывного устройства. Однако сейчас нет других аппаратов защиты на большие номинальные токи (в частности, постоянного тока) и напряжения, способных отключать аварийные токи за столь короткое время при практически неограниченной отключающей способности.