Плавкий предохранитель – первое устройство, примененное в электрических цепях для защиты от замыканий и перегрузок. Возникновение этих аварийных режимов работы неизбежно. Какой бы новой и качественной не была электроустановка, всегда сохраняется шанс на повреждение ее изоляции и подключение избыточной мощности к сетям питания.

Предохранитель является одноразовым компонентом . После срабатывания либо он сам, либо его плавкая вставка подлежат утилизации и замене новыми. Этих недостатков лишены автоматические выключатели, отключающие аварийные режимы работы сети снова и снова, без разрушения и выхода из строя. Но предохранители применяются в электроустановках до сих пор.

Этому способствуют его достоинства:

• простая конструкция, дешевая в изготовлении;
• удобство эксплуатации;
• выход из строя предохранителя невозможен – в нем просто нечему ломаться. Поэтому отказов в их работе не бывает, что повышает надежность работы защиты.

Устройство предохранителя

Предохранитель любой конструкции состоит из трех частей: корпуса, контактной части и плавкого элемента.

Плавкий элемент представляет собой проводник из легкоплавкого материала. При прохождении тока через предохранитель на плавком элементе, обладающем электрическим сопротивлением, выделяется электрическая мощность в виде тепла. Если ток ниже номинального, то тепла недостаточно для расплавления металла, из которого изготовлена вставка.

При превышении током порога срабатывания происходит расплавление вставки, сопровождающееся разрывом цепи. Разрыв происходит тем быстрее, чем больший ток проходит через предохранитель. Для каждого из них заводы-производители приводят время-токовую характеристику, по которой можно определить, за какое время произойдет отключение аварийного режима с заданной кратностью превышения номинального тока. Эта информация используется проектировщиками для расчета работы защит с применением предохранителей.

Корпус предохранителя служит не только для механической связи его элементов между собой. При перегорании плавкой вставки неизбежно возникает электрическая дуга. Задача корпуса предохранителя – не допустить ее распространение и погасить как можно скорее.

Назначение контактной системы – обеспечить надежное разъемное соединение защитного устройства с токопроводами электроустановки. Площадь контакта должна быть максимально возможной, чтобы снизить переходное сопротивление и исключить нагрев соединения. Для контактных систем предохранителей используются латунь и медь с анодированным покрытием.

Гашение дуги в корпусах предохранителей

Простейшие модели не содержат внутри ничего, кроме воздуха. Но и рассчитаны они на небольшие токи, отключение которых не сопровождается образованием дуги с опасными для электрооборудования характеристиками. При расплавлении вставки она гаснет самостоятельно.

С повышением тока, отключаемого предохранителем, возникает необходимость принудительного гашения дуги внутри корпуса . Иначе она не погаснет, продолжая подпитывать короткое замыкание. Аварийная цепь не будет отключена: дуга, расплавив контактную систему, распылит частицы металла по поверхности корпуса, образовав контактный мостик. По нему продолжит протекать ток короткого замыкания, пока не сработает вышестоящая защита, либо окончательно не расплавятся токопроводы. В лучшем случае время отключения аварийного режима работы затянется в разы.

Чем больше время отключения короткого замыкания, тем больше вреда оно принесет . Поэтому гашению дуги внутри предохранителя уделяют особое внимание.

Первым методом, позволяющим сократить время отключения короткого замыкания, было изготовление центральной части полого корпуса предохранителя из фибры . Это слоистый материал, состоящий из картона, спрессованного с целлюлозной массой, предварительно пропитанной хлористым цинком. Изделия из фибры стойки к воздействиям бензина, спирта, керосина, ацетона, а также обладают изоляционными свойствами.

Но главное достоинство деталей из фибры, обусловившее ее распространение в электротехнике – при воздействии пламени дуги она выделяет смесь газов, блокирующих процесс ее горения . Газы, смешиваясь с ионизированной плазмой дуги, затрудняют движение заряженных частиц в ней. Сопротивление токопроводящего канала резко возрастает, дуга гаснет. Такие предохранители называют газогенерирующими, а кроме фибры для их изготовления используется еще и винипласт .

Следующим способом, применяемым для ускорения работы предохранителя, является заполнение корпуса кварцевым песком . Температура плавления кварца – около 1700 градусов, к тому же он – отличный диэлектрик. При перегорании плавкой вставки дуга, увеличиваясь в объеме, распространяется между песчинками. Ей приходится их обходить по замысловатой и сложной траектории, в результате длина ее увеличивается. Дополнительно происходит отбор тепла дуги материалом наполнителя, что способствует деионизации канала и скорейшему погасанию разряда.

Кварцевые предохранители получили наибольшее распространение в электроустановках и применяются до сих пор. Газогенерирующие предохранители распространены меньше и встречаются только в устаревших распределительных устройствах.

Применение предохранителей для защиты электроустановок высокого напряжения значительно упрощает и удешевляет их конструкцию . Альтернативой этому является устройство полноценной релейной защиты. А для ее работы требуются датчики: трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Их задача – снизить измеряемые величины до безопасных значений, с которыми могут работать реле и микропроцессорные терминалы. Все это в совокупности оказывается на порядки дороже, чем установка предохранителей.

Но к быстродействию предохранителей в электроустановках выше 1000 В предъявляются еще более жесткие требования. Для скорейшего отключения их плавкую вставку прикрепляют к пружине , соединенной с одним из контактных выводов. Корпус заполняется кварцевым песком.

При перегорании вставки пружина освобождается и резко сокращается. За счет этого длина участка горения дуги быстро увеличивается. Гашение происходит быстрее.

Дополнительным и обязательным для высоковольтных предохранителей устройством является узел контроля исправности . Чтобы безопасно проверить низковольтный предохранитель, можно воспользоваться индикатором, указателем напряжения или тестером. При необходимости можно отключить рубильник и измерить сопротивление между контактами защитного устройства.

Но проверить исправность высоковольтного предохранителя так не получится. Приближаться к нему нельзя. Использование указателей напряжения не дает достоверных результатов. Если плавкими вставками защищен силовой трансформатор, указатель покажет за перегоревшим предохранителем напряжение, наведенное на потерявшей питание обмотке с обмоток других фаз. При проверке исправности вставок на кабельной линии указатель засветится от остаточного заряда, сохраняющегося из-за большой емкости кабеля.

Для индикации срабатывания защиты из корпуса предохранителя выскакивает индикатор, хорошо видимый на расстоянии, безопасном для осмотра. На низковольтных предохранителях для удобства обслуживания тоже применяются индикаторные устройства, сигнализирующие о перегорании плавкой вставки.

Другой проблемой, существующей при использовании предохранителей в сетях выше 1000 В, является возникновение неполнофазного режима из-за перегорании вставки в одной фазе . Оставшиеся в работе на двух фазах силовые трансформаторы выдают на низковольтной обмотке несимметричное напряжение, грозящее вывести из строя электроприборы потребителей.

Если проблема актуальна, при перегорании одной вставки отключают питание полностью. Для этого используют специальные предохранители с бойками на одном из его торцов. Боек подпружинен и освобождается одновременно с перегоранием плавкой вставки. В паре с такими устройствами применяются выключатели нагрузки, имеющие отключающие планки . Во включенном положении контактная система выключателя удерживается защелкой. При ударе бойка по отключающей планке защелка выбивается. Система отключающих пружин выключателя отбрасывает его контактную систему в отключенное положение. По выскочившему из корпусу бойку определяют фазу, из-за замыкания в которой произошло отключение.

Полупроводниковые предохранителя

Развитие силовой полупроводниковой техники обозначило еще одну проблему. Ни одно механическое защитное устройство, включая плавкие предохранители, не способно своевременно отключить аварийный режим работы устройств, содержащих мощные диоды или транзисторы. Перегрузка этих приборов возможна лишь ограниченное время – десятки миллисекунд . При превышении этого времени прибор разрушается.

Чтобы свести к минимуму повреждения электроники в частотных преобразователях, инверторах или устройствах плавного пуска применяют полупроводниковые предохранители. Их p-n-переход перегорает быстрее, чем любая плавкая вставка. Но есть у них особенность – срабатывая, полупроводниковый предохранитель не дает полной гарантии разъединения цепи. Ток через нее прекращается, но не полностью: перегоревший полупроводниковый предохранитель имеет некоторое сопротивление. Поэтому для безопасной эксплуатации перед ним устанавливают еще один коммутационный элемент – автоматический выключатель. Они осуществляет резервирование полупроводниковой защиты, а также используется для гарантированного снятия напряжения с устройства для проверки исправности или замены предохранителей.

Самовосстанавливающиеся предохранители

В некоторых случаях после перегрузки цепи ее можно без вреда включить обратно через некоторое время . Это актуально в микропроцессорной и микроконтроллерной технике. Для защиты таких цепей используют предохранители с самовосстановлением.

В состав этих устройств входит полимерная масса, смешанная с углеродом. Углерод обеспечивает требуемую проводимость, но само устройство в целом имеет сопротивление проходящему через него току. При превышении этим током установленного порога состав токопроводящей смеси нагревается, полимер переходит в аморфное состояние, увеличиваясь в размерах. Связь частиц углерода между собой разрывается, ток через предохранитель прекращается.

После остывания полимера токопроводящий состав приходит в первоначальную форму. Контакт восстанавливается, устройство вновь готово к работе.

Быстродействующие предохранители Protistor компании Mersen (Ferraz Shawmut) предназначены для защиты полупроводниковых устройств (IGBT транзисторов, тиристоров, диодов, GTO, IGCT) в преобразователях, выпрямителях, устройствах плавного пуска, инверторах, UPS и т. д.

Наряду с низкими показателями l2t предохранители Protistor компании Mersen (Ferraz Shawmut) характеризуются высокой отключающей способностью и возможностью применения на постоянном токе. Быстродействующие предохранители Protistor выпускаются для широкого диапазона номинальных токов и напряжений с различными стандартами и габаритно-присоединительными размерами. По желанию заказчика предохранители Mersen (Ferraz Shawmut) комплектуются микровыключателями (свободный контакт), различными типами держателей и другими аксессуарами.

			Квадратный корпус размеры 30, 31, 32, 33
	Немецкий, Британский стандарт быстродействующих предохранителей		Квадратный корпус размеры 70, 71, 72, 73
	BS 88-4 Быстродействующие предохранители британского стандарта protistor		gGR быстродействующие предохранители
	Быстродействующие предохранители Recticur

Основные параметры

Рис. 1 Типовой полупроводниковый предохранитель.

На рис. 1 показана конструкция типового полупроводникового предохранителя. Плавкие элементы обычно изготавливают из серебра и они представляют собой ленты с отдельными участками, имеющими уменьшенную площадь поперечного сечения. В зависимости от номинального тока быстродействующего предохранителя, может быть несколько параллельно соединенных лент. Ленты заключены в изолированную трубку или керамический корпус с кварцевым песком. С обеих сторон расположены терминалы, рассчитанные как на держатель предохранителя, так и на шинное соединение.

Быстродействующие предохранители такого типа,в которых плавкий элемент окружен песком, называется токоограничивающими предохранителями с большой отключающей способностью. Полупроводниковые предохранители иногда называют выпрямителями или сверхбыстрыми предохранителями. Их применяют для номинального напряжения до 12.5 кВ и для номинального тока до 10000 А.

Во время нормальной работы цепи плавкие элементы пропускают требуемый ток и не плавятся. Сопротивление должно быть как можно меньше, чтобы минимизировать потери мощности. Тем не менее, в случае пробоя или короткого замыкания элементы плавятся очень быстро в участках с уменьшенной площадью поперечного сечения, при этом в зоне отверстий образуются маленькие электрические дуги, в результате чего ток спадает до нуля и дуги исчезают. Общее время, требующееся предохранителю для устранения повреждения, складывается из суммы перегорания и времени горения дуги.

Соответствие стандартам

• US: Американский стандарта. Цилиндрические, круглые или квадратные быстродействующие предохранители.
• FR: Французский стандарт. Цилиндрические или квадратные предохранители с открытыми ножевыми контактами или с резьбой.
• DIN: Немецкий стандар. Круглые или квадратные предохранители со скобами в соответствие с DIN 43620 и DIN 43653.
• BS: Британский стандарт. Круглые или квадратные предохранители со скобами в соответствие со стандартом BS 88-4
• SP: Предохранители особого назначения,таких как DC предохранители. Принципы монтировки определены правилами применения.

Слово «предохранитель» — синоним слова «защитник». Это – первое устройство, сконструированное человеком для того, чтобы уберечь элементы электрической цепи от повреждений при выходе в ней величин токов за грань дозволенного.

Но за этим простым словом кроется множество устройств, даже отдаленно не напоминающих «пробку», с успехом справляющуюся со всеми напастями на протяжении нескольких десятилетий. Вот краткий обзор этих устройств.

Плавкие предохранители

К ним относятся отжившие свой век «пробки», но принцип плавления проводника в намеренно ослабленном участке электрической цепи при превышении в нем тока выше заданного предела так и не утратил актуальность. Наоборот – он остается до сих пор самым дешевым, безотказным, и поэтому – эффективным методом защиты.

Основная классификация плавких предохранителей – наличие в них сменяемой плавкой вставки или необходимость после аварии менять предохранитель целиком . При этом учитывается, что арматура для установки элемента в состав изделия (колодки, разъемы) в комплект этого элемента не входит. К предохранителям с несменяемыми защитными элементами относятся:

• Стеклянные предохранители , использующиеся в бытовой и промышленной аппаратуре. Внешний вид их не меняется десятилетиями: стеклянная трубочка с контактными выводами по краям, а внутри – проволочка, откалиброванная на заданный ток плавления. Промышленные стеклянные предохранители заполняются кварцевым песком.
• Керамические предохранители , в которых вместо хрупкого стекла применен фарфор. Достоинство – он безопасен, так как прочнее стеклянного, а при повреждении корпуса не образует острых осколков, способных поранить пользователя при извлечении. Керамические предохранители также иногда заполняют кварцевым песком для более эффективного гашения дуги в момент перегорания вставки.

К предохранителям со сменяемыми плавкими вставками относятся устройства, состоящие из корпуса с расположенным внутри него сменяемым защитным элементом. Размер корпуса стандартизирован на диапазон токов, а внутрь него устанавливается ряд вставок на разные токи. Вставки стоят недорого, их замена не требует времени и высокой квалификации персонала. К тому же гибкая линейка возможных токов плавления позволяет подобрать предохранитель точнее.

Возможна замена вставок и в предохранителях, конструкция которых это не предусматривает. Но процесс этот требует правильного подбора материала для новой вставки и высокой квалификации ремонтного персонала, особенно для устройств, предназначенных для работы на высоких напряжениях.

В отдельную категорию можно выделить быстродействующие предохранители. Они имеют особую конструкцию, позволяющую минимизировать время срабатывания. Применяются они для защиты устройств на полупроводниковых элементах: частотных преобразователей, выпрямителей, устройств плавного пуска. Для них времени срабатывания обычных плавких предохранителей недостаточно, чтобы предотвратить повреждение полупроводниковых элементов .

К быстродействующим также относятся полупроводниковые предохранители , принцип действия которых основан на свойствах р-п-перехода выдерживать строго определенный прямой ток.

Важной особенностью быстродействующих предохранителей является необходимость использования совместно с ними ограничителей перенапряжения . При резком исчезновении тока после срабатывания предохранителя в защищаемой цепи возникают коммутационные перенапряжения, действие которых на оборудование не менее опасно, чем сверхтоки при перегрузках и замыканиях.

Самовосстанавливающиеся предохранители

Эти устройства имеют в качестве реагирующего элемента смесь полимерного материала с углеродом. Углерод обеспечивает необходимую проводимость в нормальном режиме работы, но сопротивление его таково, что при превышении тока выше установленного порога углерод нагревается. Нагрев сопровождается повышением температуры в замкнутом объеме и плавлением полимера, окружающего углерод. При этом сопротивление предохранителя еще более увеличивается, и так – до разрыва цепи. После того, как смесь остынет, предохранитель снова готов к работе.

SMD-предохранители

Эти устройства используются в микроэлектронной технике. По габаритам они не отличаются от прочих SMD-элементов – резисторов, транзисторов и конденсаторов.

Различаются эти устройства по рабочему напряжению, при его увеличении растут габариты устройств. Но при этом увеличивается и отключающая способность: чипы SMD, рассчитанные на рабочее напряжение до 63 В, отключают ток до 50 А; а цилиндрические с номинальным напряжением 250 В отключат ток до 1500 А.

Термопредохранители

По принципу действия они похожи на элементы тепловой защиты автоматических выключателей: внутри находится биметаллическая пластина, при перегреве размыкающая контакты силовой цепи. Под действием заранее сжатой пружины контакты размыкаются, а после остывания датчика устройство возвращается в исходное положение нажатием кнопки. Контакты замыкаются, а пружина – сжимается. Она снова готова разомкнуть контакты при перегрузке.

Термопредохранители выделяют в самостоятельные устройства, так как выполняемые ими задачи ограничены. Они позволяют защитить бытовую аппаратуру от перегрузок, возникающих в процессе работы. После остывания оборудования пользователю не потребуется ничего менять, достаточно нажать на кнопку – и устройством можно пользоваться снова.

Аналогичные устройства применяются в утюгах и электроплитах, но в них нет кнопок возврата. Включение нагревательных элементов происходит автоматически после остывания биметаллической пластины. Но применяется данная конструкция не для защиты от перегрева, а для регулировки температуры . Для изменения порогового значения срабатывания с биметаллической пластиной соединен регулятор. С его помощью механически можно изменить ток, при котором она сработает.

Но есть и другие устройства, имеющие то же название. Они работают как датчики температуры: размыкают свои контакты при ее повышении.

В корпусе такого предохранителя есть элемент, плавящийся при повышении температуры и разрывающий электрическую цепь так же, как и вставка плавкого предохранителя.

Использование предохранителей при высоких напряжениях

С повышением напряжения габаритные размеры предохранителей увеличиваются. Связано это с необходимостью:

• обеспечить расстояние между выводами элементов, требуемое ПУЭ;
• эффективно и быстро погасить дугу внутри корпуса предохранителя.

Даже при длине предохранителя, равной допустимому расстоянию между частями электроустановок, находящимися под разным потенциалом, обеспечить дугогашение не так просто. Не помогает даже наполнение корпуса кварцевым песком.

В этих случаях конструкцию предохранителя усложняют. Один из путей ускорения срабатывания является установка пружины, разрывающей плавкую вставку в момент перегорания. Другой путь решения проблемы – сдувание дуги потоком газа, находящегося до срабатывания предохранителя под большим давлением. Путь газу внутрь устройства открывает клапан, механически соединенный с плавкой вставкой. Срабатывание защиты сопровождается звуком, напоминающем выстрел, поэтому такие предохранители называют стреляющими .

Устройство и принцип работы электрического предохранителя.

Предохранители - это аппараты, защищающие установки от перегрузок и токов короткого замы­кания.

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

К предохранителям предъявляются следующие тре­бования:

1. Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.

3.Время срабатывания предохранителя при коротком замыкании должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением.

4. Характеристики предохранителя должны быть ста­бильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства пре­дохранителя.

5. В связи с возросшей мощностью установок предо­хранители должны иметь высокую отключающую спо­собность.

6. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени.

Основной характеристикой предохранителя является зависимость времени плавления вставки от протекающе­го тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кри­вая 1 на рис.9) во всех точках шла немного ниже ха­рактеристики защищаемого объекта (кривая 2 на рис.9). Однако реальная характеристика предохра­нителя (кривая 3 на рис.9) пересекает кривую 2.

Рис.9. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта.

Поясним это. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б)предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (1,5-2)I н нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде. Сложные условия теплоот­дачи затрудняют расчет плавящего тока.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при дости­жении ею установившейся температуры, называется пограничным токомI погр . Для того чтобы предо­хранитель не срабатывал при номинальном токе, необхо­димо соблюсти условие I погр >I ном С другой стороны, для лучшей защиты пограничный ток должен быть возможно ближе к номинальному. При токах, близких к погра­ничному току, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления.

Вставки выполняются из легкоплавких металлов, таких как свинец, цинк и сплавы.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Большой объем вставки увеличивает количество паров металла в дуге, затрудняет ее гашение, уменьшает пре­дельный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих особенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные плав­кие вставки с металлургическим эффектом, который объясняется ниже. На тонкую проволоку (диаметр менее 0,001 м) наносится шарик из олова. При нагреве вставки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления (232°С). В месте контакта олова с медной проволокой начинается растворение меди и уменьшение сечения медной вставки. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока расплавится медная проволока в точке, где расположен оловянный шарик. Возникшая при этом дуга расплавляет проволоку на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру вставки в момент плавления до 280° С.

Стабильность времятоковой характеристики в значительной степени зависит от окисления плавкой вставки. Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, кото­рая предохраняет вставку от изменения сечения. Медная вставка при длительной работе и высокой температуре ин­тенсивно окисляется. Пленка оксида при изменении темпе­ратурного режима отслаивается, и сечение вставки постепен­но уменьшается. В результате плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близ­ком к пограничному, выбрана высокой.

Если ток, проходящий через вставку, в 3-4 раза боль­ше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т. е. все тепло, выделяемое плавкой встав­кой, идет на ее нагрев. Время нагрева вставки до температуры плавления равно:

где А ’ - постоянная, определяемая только свойствами материала и от размера вставки не зависящая;

q- поперечное сечение вставки;

I k - ток, протекающий во вставке при коротком замыкании защищаемой цепи;

j k - плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

По мере того, как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится. Время перехода из твердого состояния в жидкое находится по формуле:

где p 1 - удельное сопротивление материала при температуре плавления;

p 2 - удельное сопротивление жидкого металла;

у- плотность материала вставки;

L- скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки;

А ” - постоянная.

В действительности процесс плавления идет более сложно. Как только появится жидкий участок вставки, электродинамические силы, сжимающие проводник образуют суженные участки. В этих участ­ках возрастает плотность тока и повышается температу­ра. Уменьшение сечения вставки создает разрывающие усилия, аналогичные силам в контактах при коротких замыканиях.

Таким образом, как правило, дуга загорается раньше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

Основным параметром предохранителя при коротком замыкании является предельный ток отключения - ток, который он может отключить при возвра­щающемся напряжении, равном наибольшему рабочему напряжению.

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем равно:

Для предохранителя со вставкой на воздухе это время можно подсчитать по формуле:

где коэффициент п =3 учитывает преждевременное разрушение вставки, а k 0 =1,2-1,3 учитывает длительность процесса гашения дуги.

В предохранителях с наполнителем разрушение вставки до полного её плавления менее вероятно. Время работы предохранителя можно найти с помощью формулы:

Коэффициент k Д учитывает длительность горения дуги и равен 1,7-2.

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. 10, 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 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 10, 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 вольт-амперная характеристика дуги, что способству­ет ее быстрому гашению.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис 10, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и созда­ют эффект токоограничения.

Рис.10. Предохранитель типа ПР-2.

Поскольку гашение дуги происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что уширенные 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 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.

Различают нижнее и верхнее значения испыта­тельного тока . Нижнее значение испытательного тока - это максимальный ток, который, протекая в течение 1 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.

Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Эти предохра­нители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратно­го сечения 1 предохранителя типа ПН-2 (рис. 11) 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 SiO 2 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 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Гра­диент напряжения на дуге очень высок и достигает (2-6)10 4 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 выполняются 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.

Рис.11. Предохранитель типа ПН-2.

Предохранители для защиты полупроводниковых приборов. В настоящее время мощные полупроводниковые диоды и тиристоры, которые ради краткости будем называть приборами, находят широ­кое применение в выпрямительных установках и схемах автоматиче­ского управления. Существующие до последнего времени предохра­нители и автоматы из-за относительно большого времени срабаты­вания не могут защитить приборы при коротких замыканиях. Для выполнения поставленной задачи разработаны специальные быстро­действующие предохранители.

Для приборов, нагретых номинальным током, допустимый ток в течение 0,02 с равен 3,6 I н. Тогда

Если прибор нагревается с холодного состояния, то допустимый ток равен 7 I н, а интеграл

Для того чтобы предохранитель защитил прибор, необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоу­лева интеграла прибора. Джоулев интеграл предохранителя состоит из джоулева интеграла нагрева до температуры плавления G пл вставки и джоулева интеграла гашения образовавшейся дуги G гаш. 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 хорошо охлаждается кварцевым наполнителем (предохранители ПНБ). В некоторых предохранителях ПБФ плавкая вставка зажата между дисками корунда (А1 2 О 3), обладающего теп­лопроводностью в 7 раз большей, чем кварцевый наполнитель. Плот­ности тока в перешейке в номинальном режиме достигают 2000 А/мм 2 .

Джоулев интеграл G гаш обычно учитывается коэффициентом k общ :

В выполненных конструкциях k общ =3-10 и пропорционален (при ).

Быстродействующий предохранитель ПНБ-3 (разработан на ба­зе предохранителя ПН-2) выпускается на переменное и постоянное напряжения до 660 В и номинальные токи 40-630 А. Предельная амплитуда тока короткого замыкания сети 150 кА. Максимальный фактический ток короткого замыкания не более 15 кА. Джоулев интеграл плавления (с холодного состояния) для вставки 100 А равен (0,2-2)10 -4 А 2 с. Полный джоулев интеграл G общ =(5-10) А 2 с (напряжение 660 В). В настоящее время отечественной промышленностью вы­пускаются более совершенные предохранители серий ПП-31, ПП-41, ПП-51, ПП-61, ПП-71.

Следует отметить, что быстродействующие предохранители пред­назначены только для защиты от коротких замыканий. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.

Малая тепловая инерция, быстрый прогрев полупроводников затрудняет защиту мощных диодов, транзисторов и тиристоров при токовых перегрузках. Обычные типы предохранителей из-за относительно большого времени срабатывания не обеспечивают защиту полупроводников при к.з.

При времени протекания тока t < 0,02 сек можно считать, что процесс нагрева протекает по адиабатическому закону. Для удобства согласования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие интеграла Джоуля

где t – длительность протекания тока через прибор.

Для эффективной защиты необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоулева интеграла защищаемого прибора.

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 она имеет несколько параллельных ветвей.

Для уменьшения времени горения дуги плавкая вставка имеет большое число перешейков. После плавления вставки образуется ряд последовательно включенных дуг, благодаря чему вольтамперная 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 . С ее увеличением условия работы предохранителя утяжеляются. Необходимо выбирать предохранитель не более высокое номинальное напряжение, чем при переменном токе.

- время плавления при постоянном токе,

- время плавления при переменном токе,

где Б – постоянная, зависящая от удельной теплоты плавления и испарения материала. Для серебра Б = 8 × 10 4 А 2 × с / мм 4 , для меди Б = 10 5 А 2 × с / мм 4 , для алюминия Б = 3,4 × 10 4 А 2 × с / мм 4 ; q 0 – сечение перешейка, мм 2 ; Т – постоянная времени цепи, сек; I к.уст – установившееся значение тока к.з. цепи.

При f ³ 50 Гц и Т ³ 2 мс время плавления на постоянном токе больше, чем на переменном. Максимальный пропускаемый постоянный ток предохранителем.

.

Обычно предохранители рассчитываются 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.

В современных преобразовательных установках каждый полупроводниковый прибор имеет предохранитель, токи через них могут достигать 100-200 кА.

В нашей стране 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. Номинальное напряжение составляет до 1250 В переменного тока и 1050 В постоянного тока.

Быстродействующие предохранители предназначены только для защиты от к.з. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.

Быстродействующие предохранители ПП60М – I н = 630 А, U н = 660 В с неразборной вставкой, указателем срабатывания с медной вставкой и твердым наполнителем; ПП71М – I н = 750 А, U н = 1000-1300 В с указателем срабатывания.