logo
ЭиЭА студентам Мурашкин / ЭиЭА учеб пособ -лекцииМурашкин,УМКД(студентам)

2.4.1. Принцип действия и устройство предохранителей

Предохранитель – металлическая плавкая вставка, сгорающая при повышенном токе. Используется как средство защиты при перегрузках, а чаще при токах к.з.

К предохранителям предъявляются следующие требования:

Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

Время срабатывания предохранителя делится на несколько стадий: – время нагревания вставки до температуры плавления ;– время перехода материала вставки из твердого состояния в жидкое; – время гашения дуги.

. (2.4.1)

Материалы плавких вставок имеют температуру плавления – медь (=1083°С), серебро (961°С), цинк (419°С), свинец (327°С).

Серебряные вставки не окисляются и характеристики их стабильные, остальные материалы окисляются, поэтому проводят лужение. Цинк устойчив против коррозии.

Если необходимо получить большую выдержку времени предохранителя при перегрузках, следует применять плавкие вставки из цинка и свинца имеющие малую температуру плавления, т.к. в длительном режиме успеют нагреться от вставки подводящие провода и др.

По конструкции предохранители различают:

Закрытые предохранители – выполняются в виде плавкой вставки, установленной в фибровой трубке, закрытой с концов латунными колпаками.

Предохранители на токи от 15 до 60А имеют упрощенную конструкцию. Плавкая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом (рис. 2.4.1, а). Плавкая вставка 1 штампуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии материалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику.

В предохранителях на токи более 60А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 2.4.1, б). Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного колпачка 5.

Процесс гашения дуги происходит следующим образом. При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, после чего возникает дуга. Под действием высокой 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 вольтамперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис 2.4.1, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и создают эффект токоограничения.

Рис.2.4.1. Предохранитель типа ПР-2

Преимущества фигурной вставки:

Поскольку гашение дуги происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что расширенные части вставки в процессе гашения остаются неподвижными. 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 расстояния друг от друга. Предохранители выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предохранители 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 15А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.

Засыпные предохранители. (Предохранители с мелкозернистым наполнителем). Эти предохранители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратного сечения 1 предохранителя типа ПН-2 (рис. 2.4.2) 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.

Рис.2.4.2. Предохранитель типа ПН-2

В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 98 %, с зернами размером (0,2—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. 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 100А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок и достигает (2–6)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 40А и ниже предохранитель имеет более простую конструкцию. Предохранители ПН-2 выполняются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток КЗ, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА.

Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами этого предохранителя.

Быстродействующие предохранители выполнены на основе засыпных для защиты полупроводниковых установок от токов короткого замыкания, время срабатывания для них мало. Это достигается в основном выбором геометрических размеров фигурных плавких вставок (уменьшают сечение перешейка и увеличивают в широкой части, расположение этого перешейка на изоляционных элементах с высокими теплоотводящими свойствами).

Типы быстродействующих предохранителей: ПП-41; ПП-57; ПП-71 (из серебра); ПП-52.

Инерционный предохранитель приведен на рис. 2.4.3.

Рис. 2.4.3. Инерционный предохранитель

При токах перегрузки повышается температура нагревательного элемента 1 и через теплопроводный элемент 2 расплавляется легкоплавкий спай 3. Перемещаясь под действием пружины 4 деталь 5 образуют разрыв.

При токах короткого замыкания спай 3 не успевает расплавиться в зернистом наполнителе 7, а перегорает плавкая вставка. То есть один предохранитель такого типа позволяет осуществлять две защиты: от перегрузки и токов короткого замыкания.

Жидкометаллический предохранитель приведен на рис.2.4.4.

Рис.2.4.4. Жидкометаллический предохранитель

В изоляционной трубке 1 имеется узкий канал 2, заполненный жидким металлом (галлий, ртуть) из резервуаров 3 и 4. При токе короткого замыкания узкий металлический столбик в капсуле 2 резко нагревается, закипает и взрывается (эффект кипящих пузырьков), дуга гаснет, мембрана 5 откланяется и расцепляет защелку.

Достоинство: не требует смены плавкой вставки.