Загальна характеристика запобіжників

Плавким запобіжником називають електричний апарат, призначений для відключення ненормального або аварійного режиму в електричній установці. Робота цього апарата грунтується на тепловій дії електричного струму.

Особливо широкого застосування у практиці запобіжники набули в установках з напругою до 1кВ. В електроустановках вище 1кВ запобіжники мають обмежене застосування (їх використовують в основному для захисту силових трансформаторів, вимірювальних трансформаторів напруги та статичних конденсаторів).

Елементами конструкції запобіжників є:

- плавка вставка;

- контактні пристрої;

- корпус.

У конструкції ряду запобіжників, крім того, передбачається пристрій для гасіння електричної дуги, яка утворюється на місці плавкої вставки. Плавка вставка – основний елемент запобіжника. Включається в електричне коло послідовно з об’єктом, який захищає.

Роботу запобіжника можна умовно поділити на три етапи. На першому етапі ненормальний або аварійний струм елемента електричної установки, для якого створено захист плавким запобіжником, нагріває плавку вставку до температури плавлення. На другому етапі тепло, що виділяється електричним струмом, витрачається на плавлення вставки (при великих струмах на її випаровування). Після розплавлення плавкої вставки на її місці в запобіжнику утворюється електрична дуга. На третьому етапі відбувається гасіння електричної дуги.

На першому етапі роботи запобіжника тепло, що виділяється у вставці електричним струмом, витрачається не тільки на нагрівання самої вставки, але й відводиться в навколишнє середовище. При великих значеннях аварійних струмів порівняно з номінальним струмом вставки відведення тепла у навколишнє середовище відіграє незначну роль. Коли ж струм ненормального режиму не набагато більший від номінального струму плавкої вставки, її нагрівання до температури плавлення відбувається повільно, і кількість теплоти, що відводиться від вставки в навколишнє середовище, відіграє значну роль.

Найбільший струм, при якому плавка вставка запобіжника може довго працювати не перегораючи називається номінальним струмом . При такому струмі час нагрівання вставки до температури плавлення нескінченно великий. При зростанні величини струму цей інтервал часу скорочується. Залежність між цим часом і величиною струму через плавку вставку запобіжника називається ампер-секундною характеристикою (рисунок 1.2).

 

 

Рисунок 1.2 – Ампер-секундна характеристика плавкої вставки

 

Мінімальний плавильний струм плавкої вставки на 20-25% більший від її номінального струму.

Номінальним струмом запобіжника називають струм на який розраховані струмоведучі та контактні частини самого запобіжника.

Ампер-секундна характеристика плавкої вставки дуже нестабільна. Вона може істотно змінюватись залежно від температури навколишнього середовища, часу роботи запобіжника в експлуатації (ефект старіння матеріалу плавкої вставки) та інших факторів. Тому ампер-секундну характеристику запобіжника зображують не одною кривою, а досить широкою зоною.

Для зменшення можливих температур нагрівання запобіжника зменшують температуру плавлення плавкої вставки, тобто виготовляють її з металів з порівняно низькими температурами плавлення (олово, свинець, цинк). Проте цей прийом не завжди доцільний, оскільки легкоплавкі метали мають високі питомі електричні опори. При великих номінальних струмах плавка вставка має значний переріз, масивні плавкі вставки потребують значних затрат тепла на розплавлення металу і його випаровування. В результаті помітно збільшується повний час роботи запобіжника.

Застосування для плавких вставок тугоплавких металів (мідь, срібло), які мають високу електропровідність, різко зменшує переріз вставок і сприяє скороченню часу спрацювання запобіжника (таблиця 1.1). Проте це призводить до дуже високих температур нагрівання елементів конструкції запобіжника в режимі роботи, близькому до номінального струму вставки .

 

Таблиця 1.1 – Основні характеристики матеріалів плавких вставок

Матеріал	Густина, кг/дм^3	Температура плавлення при нормальному тиску, °С	Опір при 15°С, Ом/мм^2	Максимальна допустима температура вставки, °С
Мідь	8,93		0,0175
Свинець	11,34		0,21
Цинк	7,1		0,06
Срібло	10,05		0,016...0,0175	залежить від конструкції запобіжника

 

Дуже ефективним методом зниження температури плавлення вставки з тугоплавкого металу, є застосування плавких вставок з “металургійним ефектом”. Такі вставки з міді або срібла виготовляють, накладаючи на них кульки з легкоплавкого металу. Коли вставка нагрівається до температури. що перевищує температуру плавлення кульки, вона розплавляється і розчиняє в собі тугоплавкий метал вставки. В цьому місці утворюється електрична дуга. Подальше плавлення і випаровування вставки відбувається вже внаслідок високої температури дуги. “Металургійний ефект” проявляється тільки при струмах, близьких до номінального струму вставки.

Якщо струм, що протікає через запобіжник, в багато разів перевищує величину номінального струму , вставка плавиться і випаровується практично зразу на всій її довжині. Процес руйнування вставки має характер вибуху. При цьому струм у колі різко обривається і виникає перенапруга, яка пробиває утворений проміжок, заповнений паром металу, загорається електрична дуга.

Величина напруги, а також тривалість горіння електричної дуги і метод її дугогасіння визначаються конструкцією запобіжника. На величину перенапруги вирішальний вплив має довжина плавкої вставки. Щоб зменшити величину перенапруги у сучасних конструкціях запобіжників зменшують довжину плавкої вставки. Цього досягають застосуванням проміжку змінної величини в момент згорання плавкої вставки, який утворюється дуже коротким (3-5см), а потім швидко збільшується до кількох десятків сантиметрів внаслідок механічного переміщення одного з елементів.

Великого поширення набули конструкції запобіжників в яких електрична дуга гаситься газами, що виділяються з твердого дугогасильного матеріалу (фібра, органічне скло, вініпласт тощо) під дією високої температури електричної дуги. При цьому гази, що виділяються у великій кількості, використовуються або для гасіння дуги за рахунок створення інтенсивного поздовжнього дуття, або до різкого підвищення тиску в запобіжнику, що веде до збільшення електричної міцності проміжку на місці плавкої вставки.

З точки зору умов гасіння електричної дуги запобіжники класифікують на:

- струмообмежуючі;

- без струмообмеження.

У струмообмежуючих запобіжниках після розплавлення плавкої вставки опір проміжку дуже швидко збільшується. До числа струмообмежуючих запобіжників відносять конструкції з дрібнозернистим наповнювачем, який оточує плавку вставку (кварцовий пісок, крейда).

Найпростішими конструкціями запобіжників на напругу до 1кВ є пробкові і пластинчаті. Пробкові запобіжники в основному використовуються для захисту освітлювальних електричних мереж та електродвигунів невеликої потужності з напругою до 380В включно. У пробкових запобіжниках плавкі вставки зроблені з легкоплавких металів, і жодних пристроїв для гасіння електричної дуги в них не передбачено. Тому такі запобіжники не забезпечують ефекту струмообмеження і час горіння дуги в них досить великий. Завдяки застосуванню порівняно масивних плавких вставок з легкоплавкого металу (свинець), які мають теплову інерцію, ці запобіжники нечутливі до порівняно великих (5-7 кратних) короткочасних перевантажень.

Переважна більшість конструкцій запобіжників, для заміни перегорівши плавких вставок, потребує наявності якого-небудь комутаційного апарата (рубильник, роз’єднувач) з боку живлення перед запобіжником.

 

Конструкція запобіжників

На рисунку 1.3 зображено розріз запобіжника типу ПР з закритою фібровою трубкою. Такі запобіжники випускаються на номінальні струми від 15 до 1000А.

 

Рисунок 1.3 – Запобіжник з фібровою трубкою

 

Фібровий патрон 1 з двох боків закритий латунними ковпачками 2, які затискають контактні ножі патрона 4. До ножів всередині трубки гвинтами прикріплюється плавка вставка 3, штампована з листового цинку. Вставка 3 має звуження перерізу по довжині, що знижує перенапруги, які виникають під час плавлення і випаровування вставки.

У запобіжниках типу ПР час горіння дуги дуже малий, а сам запобіжник забезпечує ефект струмообмеження. Такі запобіжники мають великі струми вимикання (у 30-100 раз більші від номінальних струмів). Вони працюють безшумно, без викидання гарячих газів і полум’я. Їх використання підвищує безпеку обслуговування, їх можна заміняти під напругою, що виключає потребу в додаткових комутаційних апаратах. Недоліком запобіжників цього типу є складність конструкції, що позначається на їх вартості. Крім того, після вимикання значних аварійних струмів у таких запобіжниках треба заміняти фібровий патрон.

Останнім часом альтернативою плавких запобіжників є запобіжники з термомеханічним руйнуванням вставки за допомогою термопривідного елемента виготовленого із сплаву з “ефектом пам’яті форми”. Такий запобіжник зображений на рисунку 1.4.

 

Рисунок 1.4 - Термомеханічний запобіжник

 

При протікання певного струму через запобіжник (струм перевантаження, струм к.з.) термочутливий елемент нагрівається і відновлює свою форму (стискається) і механічно руйнує вставку. Час руйнування вставки залежить від величини струму і може складати 0,001с. Недоліком даного запобіжника є його собівартість.

На напругах 35 та 110кВ застосовують газогенеруючі плавкі запобіжники з вихлопом газу. Запобіжник такого типу зображений на рисунку 1.5.

 

Рисунку 1.5 – Плавкий запобіжник ПСН-35

 

При розплавленні плавкої вставки провідник 5 витягується із патрону. При цьому дуга розтягується і торкається газогенеруючого матеріалу. Гази які виділяються завдяки термічній дії електричної дуги виштовхують провідник із трубки з великою швидкістю, що сприяє швидкій де іонізації дугового проміжку.

 

Вибір запобіжників

Для споживачів електроенергії навантаження яких не має коливань в сторону підвищення споживаного струму (освітлювальне навантаження) при виборі плавкої вставки необхідно керуватися тим, що номінальний струм цієї вставки повинен бути більшим або дорівнювати робочому струму навантаження:

 

 

При виборі плавких вставок для роботи з двигунами, а особливо з асинхронними короткозамкнутими, у яких в момент пуску (або самозапуску) виникають струми, які перевищують по величині номінальні робочі струми, необхідно щоб виконувалася така умова:

 

,

 

де - пусковий струм двигуна; - коефіцієнт який враховує режим пуску.

Коефіцієнт при тривалості пуску до 8с приймається рівним . При більш тривалих пусках .

Під легким режимом розуміють рідкі пуски з тривалістю до 10с або самозапуски ненавантажених електродвигунів, під важким – часті пуски з тривалістю більше 10с або самозапуски при напружених механізмах.

Якщо припускається вибір плавкої вставки з матеріалу з великим питомим опором (свинець), необхідно керуватись такою умовою (для легкого режиму роботи):

 

,

 

так як такі вставки не перегорають від пускового струму.

Якщо передбачається робота запобіжника на декілька електродвигунів, то номінальний струм вставки беруть рівним:

 

,

 

де - коефіцієнт одночасної роботи електродвигунів; - сума робочих струмів двигунів без одного, який має найбільший пусковий струм; - найбільший пусковий струм.

В розгалужених розподільчих мережах установлюють декілька послідовно включених запобіжників. Наприклад: на головному щиті – для захисту магістралі, та на відгалуженнях. В цьому випадку плавкі вставки запобіжників повинні бути підібрані так, щоб першою перегорала та, що знаходиться ближче до місця пошкодження, тобто повинна додержуватись селективність дії запобіжників.

Рекомендована література

1. Баптиданов Л.Н., Тарасов В.И. Электрооборудование электрических станций и подстанций. – М.: Энергия, 1960. – 426с.
2. Гессен В.Ю., Григор'єв Ю.О. Електричні станції і підстанції. – К.: Вища школа, 1970 – 479с.

Контрольні запитання

1. Призначення запобіжників, основні функції, галузь застосування.
2. Основні елементи запобіжника.
3. Основні характеристики запобіжника. Ампер-секундна характеристика.
4. Основні вимоги до запобіжника.
5. Конструкція і матеріали плавких вставок.
6. Конструкція запобіжників.
7. Запобіжники з наповнювачем.
8. Основні параметри запобіжників.
9. Умови вибору запобіжників.

 

Лабораторна робота №2