16.4. КОНСТРУКЦИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
а) Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плавкая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом (рис. 16.3, а). Плавкая вставка / штампуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии материалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на токи более 60 А плавкая вставка / присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 16.3, б).
Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного колпачка 5.
При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, после чего возникает дуга. Под действием температуры дуги фибровые стенки патрона выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давления поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению.
Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис 16.3, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и создают эффект токоограничения.
Рис. 16.3. Предохранитель типа ПР-2
Поскольку гашение дуга происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются неподвижными. Рассмотрим вставку с четырьмя перешейками. После их перегорания образуются четыре разрыва. На каждом катоде разрыва восстанавливается электрическая прочность около 200 В, а суммарная прочность предохранителей достигает 800 В. Это явление наряду с высоким давлением позволяет надежно гасить дугу при напряжении источника до 500 В.
Согласно [8.1] давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы 4. Диски 6, жестко связанные с контактными ножами 2, крепятся к обойме патрона 4 с помощью колпачков 5.
Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстоянии друг от друга.
Предохранители выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предназначены для работы на переменном напряжении не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с напряжением до 500 В.
В зависимости от номинального тока выпускается шесть габаритов патронов различных диаметров. В патроне каждого габарита могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.
В табл. 16.2 приведены значения испытательных токов для предохранителя типа ПР-2. Различают нижнее и верхнее значения испытательного тока. Нижнее значение испытательного тока — это максимальный ток, который, протекая в течение I ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов.
Таблица 16.2. Испытательные токи плавких вставок
Предохранители типа ПР-2 обладают токоограничением. Так, в цепи с током КЗ 50 000 А плавкая вставка на номинальный ток 6 А перегорает при токе всего 400 А. Однако чем больше номинальный ток, тем меньше эффект токоограничения. При номинальном токе 600 А токоограничение отсутствует, так как дуга горит весь полупериод.
Подробные данные о предохранителях этого типа приведены в [3.3].
б) Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Эти предохранители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратного сечения / предохранителя типа ПН-2 (рис. 16.4) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевыми контактами 9 Пластины 5 крепятся к корпусу винтами.
В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержанием Si02 не менее 98 %, с зернами размером (0,2ч-0,4) * 10-3 м и влажностью не выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.
Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более полного использования наполнителя.
Рис. 16.4. Предохранитель типа ПН-2
Применение тонкой ленты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обеспечивает высокую токоограничивающую способность. Соединение нескольких суженных участков последовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (металлургический эффект).
При КЗ плавкая вставка сгорает и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок и достигает (2ч-6)-104 В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.
После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском 4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6, что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ниже предохранитель имеет более простую конструкцию.
Предохранители ПН-2 выпускаются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток КЗ, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлического КЗ сети, в которой устанавливается предохранитель).
Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами этого предохранителя. Более подробные сведения о предохранителях ПН-2 приведены в [3 3].
В малогабаритных распределительных устройствах применяются резьбовые предохранители типа ПРС (рис. 16 5, а). Один конец цепи подводится к контакту /, который связан с контактной гильзой 2, соединенной резьбой с контактом съемной головки 3 Плавкая вставка 4 располагается в фарфоровом цилиндре 5, заполненном кварцевым песком. На торцах цилиндра 5 укреплены контактные колпачки, с которыми соединена плавкая вставка 4 Второй конец цепи через контакт 7 соединяется с контактным винтом 8. Предохранитель имеет указатель срабатывания. При сгорании плавкой вставки освобождается специальная пружина, которая выбрасывает глазок в застекленное отверстие 6, После срабатывания предохранителя заменяется цилиндр 5 со сгоревшей плавкой вставкой и сигнализирующим устройством.
Предохранители этого типа выпускаются на токи до 100 А, напряжение до 440 В постоянного тока и до 500 В переменного тока частотой 50 Гц. Предельно отключаемый ток составляет 60 кА.
Рис. 16 5. Предохранитель типа ПРС (а), жидкометаллический предохранитель (б)
Эти предохранители более сложны в производстве и более дороги, чем предохранители ПН-2. Поэтому их применение целесообразно при малых габаритах распределительного устройства и ограниченном времени обслуживания (после сгорания плавкой вставки).
в) Предохранители с жидкометаллическим контактом. В таком предохранителе (рис. 16.5, б) электроизоляционная трубка / имеет капилляр, заполненный жидким металлом 2. Капилляр с жидким металлом герметично закрыт электродами 3, 4 и корпусом 5 с уплотнением 6 и имеет специальное демпфирующее устройство 7, 8. При протекании большого тока жидкий металл в нем испаряется, образуется паровая пробка и электрическая цепь размыкается. После определенного времени пары металла конденсируются и контакт восстанавливается. Предельный отключаемый ток таких предохранителей достигает 250 кА при напряжении 450 В переменного тока, Предохранители работают многократно с большим токоограничением.
г) Быстродействующие предохранители для защиты полупроводниковых приборов. Малая тепловая инерция, быстрый прогрев полупроводникового перехода крайне затрудняют защиту мощных диодов, тиристоров и транзисторов при токовых перегрузках. Обычные типы предохранителей и автоматических выключателей из-за относительно большого времени срабатывания не обеспечивают защиту полупроводниковых приборов при КЗ. Для выполнения этой задачи разработаны специальные быстродействующие предохранители.
При времени протекания тока /<0,02с можно считать, что процесс нагрева прибора протекает по адиабатическому закону. Для удобства согласования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие интеграла Джоуля.
Для эффективной защиты необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоулева интеграла защищаемого прибора. Джоулев интеграл предохранителя состоит из джоулева интеграла нагрева до температуры плавления вставки 6\л и джоулева интеграла гашения образовавшейся дуги Grsm- С целью сокращения первой составляющей предохранитель должен работать с большим токоограничением. Для достижения этой цели плавкая вставка выполняется из серебра, имеет перешеек с минимальным сечением и охлаждается кварцевым наполнителем.
С целью улучшения охлаждения при больших номинальных токах плавкая вставка выполняется из ленты толщиной 0,05—0,2 мм. При больших токах вставка имеет несколько параллельных ветвей. Помогает также заполнение кварцевым песком под большим давлением. В некоторых случаях для дальнейшего уменьшения перешейка предохранитель имеет искусственное водяное охлаждение.
Для уменьшения времени горения дуги плавкая вставка имеет большое число перешейков. После плавления вставки образуется ряд последовательно включенных дуг, благодаря чему вольт-амперная характеристика предохранителя поднимается. Число перешейков ограничивается перенапряжением, которое возникает при отключении цепи.
При постоянном токе гашение дуги осложняется тем, что ток не проходит через нуль и вся электромагнитная энергия отключаемой цепи рассеивается в предохранителе. Решающим фактором при постоянном токе является постоянная времени цепи T=LjR. С увеличением постоянной времени Т условия работы предохранителя утяжеляются. Необходимо выбирать предохранитель на более высокое номинальное напряжение, чем при переменном токе. Время плавления вставки при постоянном токе [16.2]
где Б — постоянная, зависящая от удельной теплоты плавления и испарения материала. Для серебра Б=8-104 А2-с/мм4, для меди £=105 А2-с/мм4, для алюминия 3,4-104 А2-с/мм2; q0 — сечение перешейка, мм2; Т — постоянная времени цепи, с; 1к,уСт — установившееся значение тока КЗ цепи.
При f>50 Гц и Т>2 мс время плавления на постоянном токе больше, чем на переменном. Максимальный пропускаемый предохранителем постоянный ток
Обычно предохранители рассчитывают для работы в цепях с постоянной времени Т ^35 мс.
Конструктивно быстродействующий предохранитель представляет собой корпус из прочного фарфора, внутри которого расположены плавкие вставки и кварцевый песок. Контакты укрепляются к корпусу винтами и могут иметь различное исполнение.
В современных преобразовательных установках каждый полупроводниковый прибор имеет предохранитель. Токи, протекающие через
при переменном токе
предохранитель, могут достигать 100—200 кА. При разрушении предохранителя может произойти авария преобразовательной установки. В связи с этим быстродействующие предохранители должны иметь большую механическую прочность и обладать высокой надежностью.
В СССР выпускается серия быстродействующих предохранителей ПП-57 на номинальные токи 40—800 А и готовится к выпуску серия ПП-59 на номинальные токи 250—2000 А. Номинальные напряжения составляют до 1250 В переменного и до 1050 В постоянного тока. Предохранитель ПП-59 на ток 400 А и напряжение 660 В имеет джоулев интеграл отключения 320-103 А2-с. Подробные данные о быстродействующих предохранителях приведены в [3.1, 16.2].
Рис. 16.6. Блок предохранитель — выключатель
Быстродействующие предохранители предназначены только для защиты от КЗ. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.
д) Блоки предохранитель — выключатель. Для уменьшения габаритных размеров распредустройства выпускаются блоки предохранитель— выключатель (БПВ), обеспечивающие отключение номинальных токов и защиту цепей от токовых перегрузок и КЗ. В БПВ (рис. 16.6) при вращении рукоятки / траверса 2 с установленными на ней предохранителями 3 перемещается и контакты 4 аппарата размыкаются. Наличие двух разрывов на полюс обеспечивает отключение номинальных токов до 350 А при переменном напряжении до 550 В. Для отключения номинального постоянного тока 350 А при напряжении до 440 В разрывы снабжаются дугогаситсльными деионными решетками.
Съем патрона с перегоревшей вставкой возможен только в отключенном положении БПВ после освобождения специальной защелки. Электрическая износостойкость аппарата 2500, механическая — 5000 циклов.