Плавкие предохранители
Введение
В данной работе вы сможете познакомиться поближе с
плавкими предохранителями, их особенностями, свойствами, режимами работы и их,
конечно же, конструкцией. Также мы отдельно остановимся на предохранителях
свыше 1 кВ, то есть на предохранителях, предназначенных на высокое и среднее
напряжения.
Если
говорить о плавких предохранителях, то можно сказать, что это устройство,
которое за счет расплавления одной или нескольких его деталей, имеющих
определенную конструкцию и размеры, размыкает цепь, в которую оно включено,
прерывая ток, если он превышает заданное значение в течение определенного
времени. Предохранитель включает в себя все детали, образующие готовые изделия.
Плавкий предохранитель является самым слабым участком защищаемой электрической
цепи <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%86%D0%B5%D0%BF%D1%8C>,
срабатывающим в аварийном режиме, тем самым разрывая цепь и предотвращая
последующее разрушение более ценных элементов электрической цепи высокой
температурой
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0>,
вызванной чрезмерными значениями силы тока
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%B0_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B0>.
Первые
плавкие предохранители начали использоваться ещё в конце 19 века. С тех пор их
суть не меняется, изменяется лишь технология производства и качество их работы
как путём подбора материалов, из которых они сделаны, так и путём изменения
конструктивного исполнения.
Плавкие предохранители
Предохранители предназначены для защиты электрических
сетей от перегрузок и коротких замыканий. Наибольшее распространение получили
плавкие предохранители. Они дешевы и просты по устройству.
Ценными свойствами плавких предохранителей являются:
· простота устройства и, следовательно,
низкая стоимость;
· исключительно быстрое отключение цепи
при КЗ;
· способность предохранителей некоторых
типов ограничивать ток КЗ.
Следует, однако, указать, что:
· характеристики предохранителей
таковы, что они не могут быть использованы для защиты цепей при перегрузках;
· избирательность отключения участков
цепи при защите ее предохранителями может быть обеспечена только в радиальных
сетях;
· автоматическое повторное включение цепи
после ее отключения предохранителем возможно только при применении
предохранителей многократного действия более сложной конструкции;
· отключение цепей плавкими
предохранителями связано обычно с перенапряжениями;
· возможны однополюсные отключения и последующая
ненормальная работа участков системы.
Плавкий предохранитель состоит из двух основных
частей: корпуса (патрона) из электроизоляционного материала и в качестве
защитного элемента применяется плавкая вставка, которая находится внутри
патрона, заполненного дугогасящей средой, интенсивно поглощающей тепло
(кварцевым песком) например предохранители типов ПН - 2 или ПК, либо без
заполнения, иногда в предохранителях используется автогазовый принцип, при
термическое действие дуги приводит к выделению дугогасящих газов из
конструкционных элементов патрона (такой принцип дугогашения имеют
предохранители типа ПР - 2: при действии дуги фибровый корпус предохранителя
выделяет газы). Плавкую вставку выполняют у мощных предохранителей в пластины с
вырезами, уменьшающими площадь сечения вставки, при этом в номинальном режиме
избыточная теплота из зауженных мест благодаря теплопроводности успевает
распространиться на широкие части и вся вставка имеют практически одинаковую
температуру. При перегрузках теплота не успевает полностью перераспределиться
по всему объёму вставки и происходит её плавление в самом горячем месте. При
коротком замыкании процесс идёт настолько интенсивно, что перераспределения
теплоты практически не происходит и вставка перегорает в нескольких суженных
местах.
Для
более быстрого срабатывания предохранителя (в быстродействующих
предохранителях) используют специальные конструкции (придают плавкой вставке
специальную форму), в которых отключение цепи в предохранителе при больших
токах происходит не посредством плавлением вставки, а её разрывом
электродинамическими силами (иногда для ускорения срабатывания плавкая вставка
дополнительно нагружается усилием натянутой пружины). Для ускорения плавления
вставки также применяют явление металлургического эффекта
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%83%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82>,
данное решение применяют обычно в предохранителях со вставками из ряда параллельных
проволок (например, в предохранителях типа ПК).
В
некоторых конструкциях предохранителей используются вставки с переменным
сечением проволок (предохранители типа ПКТ на токи до 7,5 А): разное время
перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при
срабатывании предохранителя.
Также,
по конструктивным особенностям различают пластинчатые, патронные, трубочные и
пробочные предохранители. Сила тока, на который рассчитана плавкая вставка,
указывается на ее корпусе. Оговаривается также максимально допустимое
напряжение, при котором может использоваться предохранитель.
Важной характеристикой всякой защиты по току, в т.ч. и
предохранителя является время - токовая характеристика, описываемая обычно в
виде графика, по оси абсцисс откладывается ток, чаще всего в относительных
единицах (за единицу принимается номинальный ток плавкой вставки), а по
ординате - время срабатывания. При этом надо иметь в виду, что характеристика
каждого экземпляра предохранителя (даже из одной партии) имеет свою время - токовую
характеристику, что указывается в каталоге на каждый тип предохранителя как
«зона разброса характеристик», которая гарантируется производителем. Другими
словами, замеряются время, по истечении которого вставка перегорает, и ток,
проходящий через вставку. Каждому току соответствует определенное время
перегорания вставки. По этим данным и строится временная характеристика.
Рис. 1.
На этой кривой особо выделяются следующие токи,
которые используются для выбора плавких вставок: Imin - наименьший
из токов, расплавляющих вставку (при этом токе вставка еще плавится, но в
течение неопределенно продолжительного времени (1-2 ч); при меньших токах
вставка уже не расплавляется); I10 - ток, при котором плавление
вставки и отключение сети происходит через 10 с после установления тока; Iном
- номинальный ток вставки, т.е. ток, при котором вставка длительно работает, не
нагреваясь выше допустимой температуры. Токи связаны простым соотношением Iном=I10/2.5.
При этом надо иметь в виду разницу между номинальным
током предохранителя и номинальным током плавкой вставки:
· номинальный ток предохранителя - это
ток, на который рассчитан патрон предохранителя
· номинальный ток плавкой вставки - это
ток, на который рассчитана плавкая вставка.
Разновидность плавких предохранителей
плавкий предохранитель электрический сеть
К сожалению, на данный момент не существует единой
системы классификации предохранителей, однако их можно классифицировать по
разным признакам.
По рабочим характеристикам защищаемых цепей
· Быстродействующие (полупроводниковые)
Отдельно можно выделить потому, что полупроводниковые
приборы имеют очень низкое время срабатывания, исчисляемое порой
микросекундами. Особенно актуально это стало в последнее время, потому что энергетики
всё чаще используют в качестве коммутационных силовых элементов мощные
полупроводниковые ключи. В случае выхода из строя такого ключа никакой плавкий
предохранитель не в состоянии сработать с подобной скоростью, однако сам выход
из строя сопровождается порой настолько мощным выбросом энергии, что процесс,
если его не остановить, носит фактически взрывной характер и в состоянии
повредить дорогостоящее оборудование, находящееся поблизости от такого
полупроводникового ключа. И именно этот процесс быстродействующая плавкая
вставка уже предотвратить может и должна.
· Низковольтные
Предназначены для защиты цепей переменного тока с
напряжением до 1 кВ при перегрузках и коротких замыканиях.
· На среднее напряжение
Используются в цепях защиты линий электропередач,
трансформаторов, двигателей и конденсаторных батарей от перегрузок и коротких
замыканий до напряжений порядка 30 кВ.
· На высокое напряжение
Используются в основном в промышленных целях для
работы с напряжениями от нескольких десятков до сотен кВ.
Давайте остановимся на предохранителях, рассчитанных
на среднее напряжение, то есть свыше 1 кВ.
В электроустановках свыше 1 кВ предохранители имеют
ограниченное применение; их используют в основном для защиты силовых
трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и статических
конденсаторов.
Плавкий предохранитель состоит из следующих основных
частей: изолирующего основания или металлического основания с изоляторами,
контактной системы с зажимами для присоединения проводников, патрона с плавкой
вставкой. Большинство предохранителей имеет указатели срабатывания той или иной
конструкции.
Предохранители характеризуют номинальным напряжением,
номинальным током и номинальным током отключения. Следует различать номинальный
ток плавкой вставки и номинальный ток предохранителя (контактной системы и
патрона). Последний равен номинальному току наибольшей из предназначенных к
нему вставок. Для предохранителей переменного тока с номинальным напряжением от
3 до 220 кВ включительно установлены следующие значения номинальных токов:
Номинальные токи предохранителей, А......8; 10; 20;
32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400
Номинальные токи плавких вставок, А......2; 3,2; 5; 8;
10; 16; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400
Номинальные токи отключения, кА......2,5; 3,2; 4; 5;
6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40
Под номинальным током отключения следует понимать
наибольшее допускаемое действующее значение периодической составляющей тока КЗ,
отключаемого предохранителем при определенных условиях. Отечественные
аппаратные заводы выпускают плавкие предохранители для напряжений до 110 кВ
включительно.
Газогенерирующие плавкие предохранители
Газогенерирующие плавкие предохранители (их называют
также стреляющими предохранителями) предназначены для наружной установки в
устройствах 35 и 110 кВ.
Рис.2. Патрон газогенерирующего плавкого
предохранителя типа ПВТ-35
На рис.2 показан патрон предохранителя типа ПВТ-35
(предохранитель выхлопной для защиты силовых трансформаторов и линий
напряжением 35 кВ). В корпус патрона 1 помещены трубки 2 и 3 из винипласта,
соединенные между собой стальным патрубком 4, а также плавкая вставка 5,
прикрепленная одним концом к токоведущему стержню 6, а вторым - к гибкому
проводнику 7 с наконечником 8.
Рис.3. Газогенерирующий плавкий предохранитель типа
ПВТ-35
Патрон устанавливается на основании предохранителя
(рис.3), состоящем из цоколя 1, двух опорных изоляторов 2 с головками - верхней
3 и нижней 4 с зажимами для крепления проводников. На нижней головке укреплен
контактный нож 5, снабженный пружиной и сцепленный с наконечником патрона. При
перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под
действием пружины, тянет за собой гибкий проводник. Под действием дуги стенки
винипластовых трубок выделяют газ, давление в патроне повышается и дуга гасится
в потоке газа, вытекающего из патрона через нижнее отверстие, а также через
клапан бокового отверстия патрубка. Срабатывание предохранителя сопровождается
звуковым эффектом, похожим на ружейный выстрел. Гибкий проводник выбрасывается
из патрона. Между контактным ножом и концом трубки образуется воздушный
промежуток, обеспечивающий изоляцию в месте разрыва. Номинальный ток отключения
предохранителя типа ПВТ-35 составляет 3,2 кА.
Кварцевые предохранители
Кварцевые предохранители изготовляют для напряжений 6,
10 и 35 кВ для внутренней и наружной установки. Они относятся к группе
токоограничивающих предохранителей.
Рис.4. Патрон кварцевого предохранителя типа ПКТ-10
Патрон предохранителя типа ПКТ для напряжений 3-35 кВ
(рис.4) представляет собой фарфоровую или стеклянную трубку 1, плотно закрытую
металлическими колпачками 2. Внутри трубки помещена плавкая вставка 3 в виде
одной или нескольких параллельно включенных тонких медных проволок. В нижнем
колпачке предусмотрен указатель срабатывания предохранителя 4. Патрон заполнен
мелким кварцевым песком.
Длина проволок и, следовательно, длина патрона
определяются номинальным напряжением. Поскольку градиент восстанавливающийся
электрической прочности промежутка в кварцевом песке относительно невелик,
длина проволоки должна быть велика. Чтобы поместить ее в патроне, приходится
навивать проволоку винтообразно.
Характеристики тугоплавких вставок из меди
(температура плавления 1080°С) могут быть улучшены напайкой капель олова или
свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 200 и
327°С). При расплавлении металла напайки он растворяет в себе медь, вследствие
чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем
температура плавления основного материала вставки.
Свойства материала, наполняющего патрон
токоограничивающего предохранителя, существенно влияет на работу последнего.
Наполнитель должен удовлетворять следующим требованиям:
отводить тепло от плавкой вставки в нормальном рабочем
режиме;
не выделять газа под действием высокой температуры
дуги;
обладать достаточной электрической прочностью после
разрыва цепи.
Как показал опыт, этим требованиям в наибольшей мере
отвечает кварцевый песок.
Процесс отключения цепи токоограничивающим
предохранителем при КЗ протекает следующим образом. При большом токе тонкая
проволока плавится и испаряется в течение долей полупериода почти одновременно
по всей длине. Зажигается дуга. Вследствие высокой температуры газа в канале
дуги образуется местное давление (давление в патроне практически не
повышается).
Ионизованные частички металла выбрасываются в
радиальном направлении в зазоры между песчинками кварца. Здесь они быстро
охлаждаются и деионизуются. Сопротивление дуги увеличивается настолько быстро,
что ток резко снижается, не достигнув своего максимального значения, а
напряжение на дуговом промежутке повышается (рис.5).
Как видно из осциллограммы, напряжение у зажимов
предохранителя превышает напряжение сети вследствие появления ЭДС самоиндукции,
направленной согласно с напряжением сети. Коммутационные перенапряжения,
возникающие при отключении цепи плавкими предохранителями, не должны превышать
следующих значений:
Номинальное напряжение, кВ......3..6..10..20..35
Наибольшее допустимое перенапряжение по отношению к
земле, кВ......16..26..40..82..126
Для ограничения перенапряжений принимают различные
меры: применяют вставки ступенчатого сечения по длине, что затягивает процесс
их плавления и удлинения дуги; параллельно основным рабочим вставкам включают
вспомогательные вставки с искровым промежутком. В последнем случае при
расплавлении рабочих вставок и резком повышении напряжения пробивается искровой
промежуток вспомогательной вставки, которая также сгорает. Максимальное
напряжение при этом уменьшается.
Испытание предохранителей напряжением
выше 1 кВ
В закрытых распределительных устройствах напряжением
6-10 кВ для защиты электроустановок от токов короткого замыкания применяются
силовые предохранители с заполнением кварцевым песком серий ПК (предохранитель
кварцевый), ПКУ (кварце вый усиленный), а также серий ПКТ и ПКТУ (для защиты
трансформаторов напряжения). В обозначении марки предохранителя помимо
буквенной части вводится цифровая, указывающая номинальное напряжение,
номинальный ток патрона и ток плавкой вставки. Например, обозначение марки
ПК-10/100/60 расшифровывается следующим образом: предохранитель с заполнением
кварцевым песком, номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток патрона 100 А,
ток плавкой вставки 60 А.
Предохранители высокого напряжения состоят из патрона
с плавкой вставкой, изоляторов с контактными стойками и цоколя. Патроны
предохранителя заполнены кварцевым песком, в котором помещено несколько
спиральных плавких вставок. Срабатывание предохранителей определяется по
указателю, который выбрасывается пружиной при перегорании плавкой вставки.
Патроны предохранителей вставляют в неподвижные контактные стойки так, чтобы
указатели срабатывания были обращены вниз. Перед установкой предохранители
осматривают и проверяют их соответствие номинальному току и напряжению
электроустановки, сохранность изоляторов и фарфоровых патронов, исправность
указателя срабатывания. На открытых распределительных устройствах комплектных
трансформаторных подстанциях 35/6-10кВ применяются стреляющие предохранители т.
ПСН. Они уста навливаются на портале ОРУ и служат для защиты оборудования от
токов короткого замыкания.
Объем приемо-сдаточных испытаний предохранителей.
В соответствии с требованиями ПУЭ предохранители выше
1кВ испытываются в следующем объеме:
. Испытание опорной изоляции предохранителей
повышенным напряжением промышленной частоты.
. Проверка целостности плавких вставок и
токоограничивающих резисторов и соответствия их проектным данным.
Испытания опорной изоляции предохранителей повышенным напряжением
промышленной частоты.
Устанавливаются следующие нормы испытательного
напряжения в зависимости от класса номинального напряжения электроустановки:
|
Номинальное напряжение предохранителей, кВ
|
3
|
б
|
10
|
15
|
20
|
35
|
|
Испытательное напряжение, кВ
|
24
|
32
|
42
|
55
|
65
|
95
|
Продолжительность приложения нормированного
испытательного напряжения 1мин. Испытание опорной фарфоровой изоляции
предохранителей повышенным напряжением промышленной частоты может производиться
совместно с испытанием изоляторов ошиновки ячеек КРУ и ошиновки ОРУ. Методика
испытания изложена в испытание изоляции электрооборудования повышенным
напряжением.
Проверка целости плавких вставок и токоограничивающих резисторов и
соответствия их простым данным.
Плавкие вставки и токоограничивающие резисторы должны
быть комбинированными и соответствовать проектным данным.
У предохранителей с кварцевым песком дополнительно
проверяется целость плавкой и исправность указателя срабатывания. Целость
плавкой вставки проверяется с помощью мегаомметра или контрольной лампы.
Исправность указателя срабатывания проверяют, нажимая и отпуская его. При
отпускании он должен, слегка спружинив, возвратиться на место, но не выскочить
их патрона предохранителя.
Нормы испытаний предохранителей
напряжением выше 1 кВ.
Проверки и испытания предохранителей производятся при
капитальном ремонте и в межремонтный период при профилактических испытаниях.
Для предохранителей напряжением выше 1 кВ К, М
проводятся в сроки, устанавливаемые системой ППР, но К - не реже 1 раза в 8
лет.
Объем проверок и испытаний, предусмотренных ПЭЭП,
включает следующие работы:
. Испытание опорной изоляции предохранителей
повышенным напряжением промышленной частоты.
. Определение целости плавких вставок и
токоограничивающих сопротивлений и соответствия их проектным данным.
Испытание опорной изоляции повышенным напряжением
промышленной частоты.
Проводится при капитальном ремонте.
Производится совместно с испытанием изоляторов
ошиновки ячеек в течение 1мин. Нормы испытания приведены.
Методика испытания изложена в испытание изоляции
электрооборудования повышенным напряжением.
Определение целости плавких вставок и
токоограничивающих сопротивлений и соответствия их проектным данным.
Проводится в межремонтный период.
Плавкие вставки и токоограничивающие сопротивления
должны быть калиброванными.
Недостатки и преимущества плавких предохранителей
Недостатки
· Возможность использования только один
раз.
· Большим недостатком плавких
предохранителей является конструкция, дающая возможность шунтирования, то есть
использования «жучков», приводящих к пожарам.
· В
цепях трёхфазных электродвигателей при сгорании одного предохранителя
инициируется пропадание одной фазы, что может привести к выходу из строя
электродвигателя (рекомендуется использовать реле контроля фаз
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BB%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D1%8F_%D1%84%D0%B0%D0%B7>).
· Возможность
необоснованной замены на предохранитель номиналом выше.
· Возможный
перекос фаз в трёхфазных электроцепях при больших токах.
Преимущества
· В асимметричных трёхфазных цепях при
аварии на одной фазе, питание пропадёт только на одной фазе, а остальные две
фазы продолжат дальше снабжать нагрузку (не рекомендуется такое практиковать
при больших токах, так как это может привести к перекосу фаз)
· Из-за медленной скорости
срабатывания, плавкие предохранители можно использовать для селективности.
· Так же селективность самих плавких
предохранителей относительно друг друга (при последовательном соединении) имеют
более простой расчёт селективности, нежели у автоматического предохранителя:
номинальные токи последовательно соединённых предохранителей должны отличаться
друг от друга в 1,6 раз или больше.
· Из-за более простой конструкции чем у
автомата защиты, почти исключена возможность т. н. «поломки механизма» - в
случае аварийной ситуации предохранитель полноценно обесточит цепь.
· После замены плавкой вставки
предохранителя в цепи получается защита с характеристиками, заявленными
производителем в отличие от случая с использования автоматического выключателя
с подгорающими контактами.
Заключение
При обслуживании находящейся в эксплуатации
аппаратуры, в зависимости от страны, где она была произведена, могут
встречаться предохранители, выполненные в соответствии с национальными
стандартами. Чаще всего аналогичные приборы имеются и в номенклатуре,
регламентируемой международными стандартами, но в сомнительных случаях при
замене всегда желательна дополнительная идентификация прибора.
Несмотря на то, что плавкие предохранители исторически
являются первыми элементами защитных цепей и применяются в электротехнике более
сотни лет, они не стали «вымирающим видом», как это прогнозировали некоторые
специалисты в 30-50-е годы прошлого века, когда начиналось промышленное
внедрение автоматов защиты, а наоборот, существенно расширили область своего
применения, являясь надежным средством защиты в аварийных ситуациях и, по сути,
«последним рубежом» в защите дорогостоящих и сложных силовых электронных
систем.
Список литературы
1. Чебовский О. Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник.
2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985
. А. Чунихин Электрические аппараты.- М.: Энергия, 1988. 2 Л.А
Родштейн Электрические аппараты низкого напряжения.- М.: Энергия, 1964.
. «Электрооборудование распределительных устройств до и выше 1000
вольт». М.У.К.Л.Р. - Алматы. АИЭС,2008.16с
4. <http://reftrend.ru/865185.html>
. http://almih.narod.ru/lib-en/fuse.htm