Принцип действия предохранителей. Назначение и устройство предохранителя С какой целью применяют предохранители в цепях
Аппараты защиты предназначены для обеспечения безопасности работы электрических сетей, машин, электроустановок при возникновении них аварийных режимов (коротких замыканий, перегрузок). Однако, при неправильном монтаже и эксплуатации они сами могут быть причиной аварии, пожара и взрыва, т.к. во время их работы возникают электрические искры, дуги.
Наиболее распространенными аппаратами защиты являются:
плавкие предохранители;
воздушные автоматические выключатели;
тепловые реле;
устройства защитного отключения.
Плавким предохранителем называется устройство в котором при токе, превышающем допустимое значение, происходит расплавление плавкой вставки и размыкается электрическая цепь. Плавкие предохранители – это аппараты защиты одноразового действия.
Состав:
а) плавкая вставка;
б) контактное устройство;
в) корпус (патрон);
г) а иногда наполнитель (тальк, кварцевый песок и т.п.) для улучшения гашения дуги и визуальный показатель срабатывания.
Принцип действия плавких предохранителей основан на том, что проходящий через плавкую вставку ток выделяет тепло в соответствии с равенством гдеI- ток, проходящий через плавкую вставку, R- сопротивление плавкой вставки, t- время прохождения тока: при определенном значении тока I и времени t тепла выделяется достаточно для расплавления плавкой вставки и размыкания электрической цепи. Так осуществляется защита от тока перегрузки и КЗ.
Параметры плавких предохранителей
а) номинальный ток плавкой вставки I н.вст . – ток, на который она рассчитана при длительной работе и указывается на ней.
б) номинальный ток предохранителя I н.пр . – ток, равный наибольшему из Iн.вст и который указывается на предохранителе. На этот ток рассчитаны все токоведущие контактные части предохранителя;
в) номинальное напряжение U н.пр . – напряжение, соответствующее наибольшему напряжению, при котором его разрешается применять и указывается на предохранителе.
г) предельный ток отключения при данном напряжении I пр.пр . – наибольшее значение тока КЗ, при котором гарантируется надежность срабатывания (без разрушения корпуса).
(3 мин) Полное время отключения электрической цепи плавким предохранителем определяется временем нагревания вставки до температуры плавления, временем расплавления её и горения появляющийся при расплавлении дуги.
Зависимость полного времени отключения предохранителем цепи откл. от относительного тока перегрузки или КЗI/Iн.вст. называется защитной характеристикой, т.е. откл. = f (I / I н.вст.).
Зависимость промежутка времени, в течение которого температура элемента электрической установки достигнет предельно допустимой, от отношения фактического тока в нем I к номинальному току Iн называется тепловой характеристикой этого элемента, т.е. нагр.= f (I / I н).
Сопоставление защитных характеристик плавких предохранителей с тепловыми характеристиками защищаемых элементов позволяет оценить
возможность надежной защиты. (рис.1)
I/I Н.ВСТ и I/I h
(5 мин) Видно, что вставка с защитной характеристикой А защищает элемент э/установки с тепловой характеристикой В при любой кратности тока, а вставка с защитной характеристикой С – только при кратностях более 4-х.
Нам надо стремится чтобы время отключения было как можно меньше при действии токов к.з. и иметь задержку при токах перегрузки. Это можно сделать:
правильно выбрать материал плавкой вставки;
использовать металлургический эффект;
выбрать рациональную конструкцию.
Вставки из легкоплавких металлов (олова, свинца, цинка, алюминия) имеют малую теплопроводность, поэтому нагреваются медленно, они удобны для защиты элементов от токов перегрузки.
Вставки из тугоплавких металлов (медь, серебро ) имеют малую теплоемкость и высокую теплопроводность, поэтому нагреваются быстро, дают меньшую выдержку времени при перегрузках, что ухудшает их защитные характеристики. Но они имеют большой предельный ток отключения, поэтому удобны для защиты элементов от токов К.З.
Для снижения температуры плавления (чтоб они нагревались медленнее) применяют вставки с металлургическим эффектом , для чего в середине вставки из тугоплавкого металла напаивают шарик из легкоплавкого (олово, сплав олова с кадмием и др.).
В месте напаивания шарика происходит растворение более тугоплавкого металла в легкоплавком. Такая вставка имеет лучшую защитную характеристику при токах перегрузки и меньшую температуру плавления (в 2-3 раза меньше температуры плавления основного металла).
С точки зрения конструктивного исполнения на защитную характеристику влияет длина (для предохранителей с U = 120 – 500В оптимальная длина вставки составляет 70мм) и форма вставки (вставки делают с несколькими параллельными ветвями, используют вставки с 2 – 4 короткими перешейками).
предназначены для защиты отдельных аппаратов и участков сети от токов короткого замыкания и токов перегрузки.
Обычно предохранители состоят из патрона и плавкой вставки и различаются по номинальному напряжению и току. При токе более номинального плавкая вставка перегорает и размыкает электрическую цепь.
Для защиты силовых трансформаторов на напряжение 3 — 10кВ применяют предохранители ПК, у которых фарфоровый или стеклянный патрон заполнен кварцевым песком (смотри рисунок ниже). Внутри патрона находится плавкая вставка, рассчитанная на прохождение номинального тока.
1 — фарфоровый патрон. 2 — контактные губки,
3 — ограничитель. 4 — опорный изолятор,
5 — основание, 6 — замок
Предохранители ПК имеют достаточную разрывную способность — при отключении тока короткого замыкания предохранитель не разрушается и перекрытий «на землю» и соседние элементы установки не происходит.
При п ерегорании плавкой вставки предохранителя ПК срабатывает указательное устройство, которое находится внутри патрона и удерживается плавкой вставкой и проволочкой с пружиной. При перегорании плавкой вставки и проволочки пружина освобождается и выталкивает указатель наружу. Патроны предохранителей ПК вставляют в губки держателей так» чтобы указательное устройство находилось в нижней части патрона. На верхней торцовой части патрона указывают номинальное напряжение и ток предохранителя, например: 10кВ, 50А.
Для мачтовых трансформаторных подстанций применяют кварцевые предохранители наружной установки ПК-6Н на напряжение 6кВ и ПК-10Н на напряжение 10кВ, имеющие герметизированные патроны и опорные изоляторы, предназначенные для работы на открытом воздухе.
Предохранители ПКТ-10 служат для защиты измерительных трансформаторов на напряжение 3 — 10кВ и в отличие от предохранителей ПК не имеют сигнального устройства.
Для защиты установок на напряжение до 1000В используют пробочные, трубчатые и открытые (пластинчатые) предохранители .
Пробочный предохранитель состоит из фарфорового корпуса и пробки с плавкой вставкой. Питающую линию присоединяют к контакту предохранителя, отходящую — к винтовой резьбе. При коротком замыкании или перегрузке плавкая вставка перегорает, и ток в цепи прекращается. Применяют следующие типы пробочных предохранителей: Ц-14 на ток до 10А и напряжение 250В с прямоугольным основанием; Ц-27 на ток до 20А и напряжением 500В с прямоугольным или квадратным основанием и Ц-33 на ток до 60А и напряжение 500В с прямоугольным или квадратным основанием.
Трубчатые предохранители выпускают следующих типов: ПР-2, НПН и ПН-2. Предохранители ПР-2 (предохранитель разборный) предназначены для установки в сетях напряжением 500В и на токи 15, 60, 100, 200, 400, 600 и 1000А.
1 — контактные ножи, 2 — латунные колпачки,
3 — втулка с резьбой, 4 — фибровая трубка,
5 — плавкая вставка, 6 — винты
В патроне предохранителя ПР-2 (смотри рисунок выше) плавкая вставка 5, прикрепляемая винтами 6 к контактным ножам 1, помещена в фибровую трубку 4, на которую насажены втулки 3 с резьбой. На них навинчены латунные колпачки 2, закрепляющие контактные ножи, которые входят в неподвижные пружинящие контакты, устанавливаемые на изоляционной плите.
Под действием электрической дуги, возникающей при перегорании предохранителя, внутренняя поверхность фибровой трубки разлагается и образуются газы, способствующие быстрому гашению дуги.
Предохранители НПН (насыпной предохранитель неразборный) изготовляют на напряжение до 500В и токи от 15 до 60А, предохранители ГШ-2 (предохранитель насыпной разборный) — на напряжение до 500В и токи от 10 до 600А. В насыпных предохранителях плавкие вставки, выполненные из нескольких параллельных медных или посеребренных проволок, помещены в закрытый фарфоровый патрон, заполненный кварцевым песком, способствующим быстрому гашению электрической дуги.
Пластинчатые открытые предохранители состоят из медных или латунных пластин — наконечников, в которые впаяны медные калиброванные проволоки. Наконечники с помощью болтов присоединяют к контактам на изоляторах. Пластинчатые предохранители с открытой плавкой вставкой применяют в ТП некоторых городских электросетей и заменяют на закрытые ПН-2 и др.
Любая электрическая система работает на балансе подводимой и потребляемой энергий. Когда в схему электрооборудования подается напряжение, то оно прикладывается к определенному сопротивлению цепи. В итоге на основании закона Ома вырабатывается ток, благодаря действию которого совершается работа.
При нарушениях изоляции, ошибках монтажа, аварийном режиме сопротивление электрической цепи плавно снижается или резко падает. Это ведет к соответствующему возрастанию тока, который при достижении величины, превышающей номинальное значение, причиняет вред оборудованию и человеку.
Вопросы безопасности всегда были и будут актуальны при использовании электрической энергии. Поэтому защитным устройствам постоянно придается повышенное внимание. Первые такие конструкции, названные предохранителями, широко используются до настоящего времени.
Электрический предохранитель является частью рабочей цепи, врезается в рассечку питающего провода, должен надежно выдерживать рабочую нагрузку и защищать схему от появления сверхнормативных токов. Эта функция заложена в основу его классификации по номинальному току.
По применяемому принципу действия и способу разрыва схемы все предохранители подразделяют на 4 группы:
1. с плавкой вставкой;
2. электромеханической конструкции;
3. на основе электронных компонентов;
4. самовосстанавливающиеся модели с нелинейными обратимыми свойствами после действия сверхтоков.
Плавкая вставка
Предохранители этой конструкции имеют в своем составе токопроводящий элемент, который под действием тока с величиной, превышающей номинальное установленное значение, расплавляется от перегрева и испаряется. Этим обеспечивается снятие напряжения со схемы и защита ее.
Плавкие вставки могут быть изготовлены из металлов, например, меди, свинца, железа, цинка или отдельных сплавов, обладающих таким коэффициентом термического расширения, который обеспечивает защитные свойства электрооборудования.
Характеристики нагрева и охлаждения проводников для электрооборудования при установившемся рабочем режиме приведены на рисунке.
Работа плавкой вставки под расчетной нагрузкой обеспечивается созданием надежного баланса температур между теплом, выделяемым на металле от прохождения по нему рабочего электрического тока, и отводом тепла в окружающую среду за счет рассеивания.
При возникновении аварийных режимов это равновесие быстро нарушается.
Металлическая часть плавкой вставки при нагреве увеличивает значение своего активного сопротивления. Это вызывает больший разогрев, поскольку выделяемое тепло прямо пропорционально величине I2R. При этом снова возрастает сопротивление и выделение тепла. Процесс продолжается лавинообразно до тех пор, пока не наступает расплавление, закипание и механическое разрушение плавкой вставки.
При разрыве цепи внутри плавкой вставки возникает электрическая дуга. Через нее до момента полного погасания проходит опасный для установки ток, который меняется по характеристике, показанной на рисунке ниже.
Основным эксплуатационным параметром плавкой вставки является его времятоковая характеристика , определяющая зависимость кратности аварийного тока (относительно номинального значения) ко времени срабатывания.
Для ускорения работы плавкой вставки при малых кратностях аварийных токов используются специальные технические приемы:
создание форм переменного сечения с зонами уменьшенной площади;
применением металлургического эффекта.
Изменение сечения
На сужениях пластин увеличивается сопротивление и создается большее выделение тепла. В нормальном режиме работы эта энергия успевает равномерно распространиться по всей поверхности, а при перегрузках создаются критические зоны на узких местах. Их температура быстро достигает состояния, при котором металл плавится и разрывает электрическую цепь.
Для увеличения быстродействия пластины делают из тонкой фольги и применяют их в несколько слоев, включенных параллельно. Перегорание любого участка на одном из слоев ускоряет срабатывание защиты.
Принцип металлургического эффекта
Он основан на свойстве отдельных легкоплавких металлов, например, свинца или олова, растворять в своей структуре более тугоплавкие медь, серебро и отдельные сплавы.
Для этого на многожильные проволочки, из которых делают плавкую вставку, наносят капли олова. При допустимой температуре металла проводов эти добавки не создают никакого эффекта, но в аварийном режиме они быстро расплавляются, растворяют часть основного металла и обеспечивают ускорение срабатывания предохранителя.
Эффективность этого способа проявляется только на тонких проводниках и значительно снижается при увеличении их поперечного сечения.
Основной недостаток плавкой вставки состоит в том, что при срабатывании ее необходимо вручную заменять новой. Для этого требуется поддерживать их запас.
Предохранители электромеханической конструкции
Принцип врезания защитного устройства в питающий провод и обеспечение его разрыва с целью снятия напряжения позволяет отнести созданные для этого электромеханические изделия к предохранителям. Однако, большинство электриков выделяет их в отдельный класс и называет или сокращенно автоматами.
При их работе специальный датчик постоянно контролирует величину проходящего тока. После достижения критического значения подается управляющий сигнал на исполнительный механизм – взведенную пружину от теплового или магнитного расцепителя.
Предохранители на электронных компонентах
У этих конструкций функцией защиты электрической схемы занимаются бесконтактные электронные ключи на основе силовых полупроводниковых приборов из диодов, транзисторов или тиристоров.
Их называют электронными предохранителями (ЭП) или модулями контроля и коммутации тока (МККТ).
В качестве примера на рисунке представлена структурная схема, показывающая принцип работы предохранителя на транзисторе.
Схема управления такого предохранителя снимает измеряемый сигнал о величине тока с резистивного шунта. Он модифицируется и подается на вход изолированного полупроводникового затвора .
Когда ток через предохранитель начинает превышать допустимое значение, то затвор запирается, а нагрузка отключается. При этом предохранитель переводится на режим самоблокировки.
Если в схеме электрооборудования используется много МККТ, то возникают трудности с определением сработавшего предохранителя. Для облегчения его поиска введена функция подачи сигнала «Авария», который может фиксироваться загоранием светодиода или срабатыванием твердотельного либо электромеханического реле.
Такие электронные предохранители отличаются быстродействием, их время срабатывания не превышает 30 миллисекунд.
Рассмотренная выше схема считается простой, она может быть значительно расширена новыми дополнительными функциями:
непрерывного контроля тока в цепи нагрузки с формированием команд на отключение при превышениях тока более 30% номинальной величины;
отключения защищаемого участка в случаях возникновения коротких замыканий или перегрузок с выдачей сигнала при увеличении тока в нагрузке выше 10% от установленной уставки;
защит силового элемента транзистора при возникновении температур более 100 градусов.
У таких схем используемые модули МККТ по времени срабатывания делятся на 4 группы. Самые быстродействующие устройства относят к классу «0». Они отключают превышающие уставку токи на 50% за время до 5 мс, на 300% - за 1,5 мс, на 400% - за 10мкс.
Эти защитные устройства отличаются от плавких вставок тем, что после отключения аварийной нагрузки они сохраняют свою работоспособность для дальнейшего многократного использования. Поэтому их назвали самовосстанавливающимися.
За основу конструкции взяты полимерные материалы, обладающие положительным температурным коэффициентом для электрического сопротивления. Они обладают кристаллической структурой решетки при обычных, нормальных условиях и резко переходят в аморфное состояние при нагреве.
Характеристика срабатывания такого предохранителя обычно приводится в форме логарифма сопротивления в зависимости от температуры материала.
Когда полимер имеет кристаллическую решетку, то он хорошо, как металл, пропускает электрический ток. В аморфном состоянии проводимость значительно ухудшается, чем обеспечивается отключение нагрузки при возникновении ненормального режима.
Такие предохранители используются в защитных устройствах для ликвидации возникающих многократных перегрузок там, где замена плавкой вставки или ручные действия оператора затруднительны. Это сфера автоматических электронных устройств, широко используемых в компьютерных технологиях, мобильных гаджетах, измерительной и медицинской технике, транспортных средствах.
На надежную работу самовосстанавливающихся предохранителей оказывает влияние температура окружающей среды и величина протекающего сквозь него тока. Для их учета введены технические термины:
ток пропускания, определяемый как максимальное значение при температуре +23 градуса Цельсия, которое не приводит к срабатыванию устройства;
ток срабатывания, как минимальная величина, которая при той же температуре приводит к переходу полимера в аморфное состояние;
максимальное значение приложенного рабочего напряжения;
время срабатывания, измеряемое от момента возникновения аварийного тока до отключения нагрузки;
мощность рассеивания, определяющая способность предохранителя при +23 градусах передавать тепло в окружающую среду;
первоначальное сопротивление до подключения в работу;
сопротивление, достигаемое через 1 час после окончания срабатывания.
Самовосстанавливающиеся предохранители обладают:
небольшими габаритами;
быстрым срабатыванием;
стабильной работой;
комбинированной защитой устройств от превышений токов и перегрева;
отсутствием необходимости в обслуживании.
Разновидности конструкций предохранителей
В зависимости от задач предохранители создают для работы в цепях:
промышленных установок;
бытовых электроприборов общего назначения.
Поскольку они работают в цепях разного напряжения, то корпуса изготавливают с отличительными диэлектрическими свойствами. По этому принципу предохранители подразделяют на конструкции, работающие:
с низковольтными устройствами;
в цепях до 1000 вольт включительно;
в схемах высоковольтного промышленного оборудования.
К специальным конструкциям относят предохранители:
взрывные;
пробивные;
с погашением дуги при размыкании цепи в узких каналах мелкозернистых наполнителей или образования автогазового либо жидкостного дутья;
для транспортных средств.
Ограничиваемый предохранителями аварийный ток может составлять от долей ампера до килоампера.
Иногда электрики вместо плавкой вставки в корпус устанавливают калиброванную проволоку. Этот способ не рекомендуется применять потому, что даже при точном подборе поперечного сечения электрическое сопротивление проволоки может отличаться от рекомендованного из-за свойств самого металла или сплава. Такой предохранитель не будет точно работать.
Еще большей ошибкой считается применение самодельных «жучков» наудачу. Они чаще всего бывают причиной несчастий и пожаров, возникающих в электропроводке.
В электротехнике большое значение придается защитным функциям различных устройств. Поэтому, основное назначение предохранителей заключается в том, чтобы своевременно отключать потребителей от электроэнергии, если ток превышает допустимое значение.
Работа плавких предохранителей
Чаще всего, защита осуществляется с помощью плавких предохранителей, обеспечивающих защиту от коротких замыканий.
Каждый из них состоит из основного элемента в виде плавкой вставки. Для ее изготовления используется цинк или луженая медь. При высоких токах она перегорает и происходит разрыв электрической цепи.
Конфигурация плавкой вставки представляет собой проволоку или фигурную плоскую полоску, помещаемую в изоляционную трубку. Для изоляции применяется фарфор, стекло и прочие диэлектрические материалы. Благодаря этой конструкции, кроме электрической, обеспечивается и пожарная безопасность.
Внутрь предохранителей, защищающих от больших токов, может засыпаться сухой кварцевый песок или мел. С их помощью, очень быстро гасится и охлаждается электрическая дуга.
Назначение прочих предохранителей
В зависимости от назначения и области применения, все предохранители условно разделяются на несколько основных групп:
- Пробочные предохранители включают в себя корпус, изготовленный из фарфора и саму пробку, где расположена плавкая вставка. Питающая линия соединяется с контактом предохранителя, а отходящая - с винтовой резьбой. При коротком замыкании происходит срабатывание, как и в обычном .
- В трубчатых предохранителях крепление плавкой вставки осуществляется к контактным ножам с помощью винтов. Для ее размещения используется фибровая трубка, куда насаживаются втулки, имеющие резьбу. Контактные ножи фиксируются латунными колпаками. Электрическая дуга быстро гасится газами, образованными внутренней поверхностью разлагающейся фибровой трубки.
- Предохранители насыпного типа используются при напряжении до 500 вольт и силе тока до 60-ти ампер. В этих конструкциях в состав плавких вставок входят несколько проволок из цветных металлов, расположенных параллельно. Они размещаются в закрытом фарфоровом патроне, внутри которого находится кварцевый песок для быстрого гашения дуги.
Существуют и другие виды аналогичных защитных устройств. Например, назначение предохранителей пластинчатого открытого типа состоит в использовании их в трансформаторных подстанциях. Для наконечников применяются медные или латунные пластины с впаянными в них калиброванными проволоками из меди. Все виды электропредохранителей обеспечивают различную степень защиты электроустановок, приборов и устройств.
Предохранитель - это коммутационный , предназначенный для отключения защищаемой разрушением специально предусмотренных для этого под действием тока, превышающего определенное значение.
В большинстве предохранителей отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекающим через нее током защищаемой цепи.
После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция производится вручную или автоматически заменой всего предохранителя.
Основными элементами предохранителя являются: корпус, плавкая вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.
Изготовляются на 36, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.
Предохранители характеризуются номинальным током плавкой вставки, т.е. током, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены плавкие элементы на различные номинальные токи, поэтому сам предохранитель характеризуется номинальным током предохранителя (основания), который равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.
Предохранители до 1 кВ изготовляются на номинальные токи до 1000 А.
В нормальном режиме теплота, выделяемая током нагрузки в плавкой вставке, передается в окружающую среду и температура всех частей предохранителя не превышает допустимую. При перегрузках или температура вставки увеличивается и она расплавляется. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. Эта зависимость называется защитной (времятоковой) характеристикой предохранителя.
Не должны отключать электрическую цепь при протекании условного тока неплавления и должны отключать цепь при протекании условного тока плавления в течение определенного времени, зависящего от номинального тока (ГОСТ 17242-79Е). Например, при номинальных токах 10-25 А плавкая вставка не должна расплавляться в течение 1 ч при токах 130% номинального и должна расплавляться в течение того же времени при токах 175% номинального.
Чтобы уменьшить время срабатывания предохранителя, применяются из разного материала, специальной формы, а также используется металлургический эффект.
Наиболее распространенными материалами плавких вставок являются медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.
