Предохранители, как и выключатели, защищают электрические установки от вредного действия перегрузок и коротких замыканий, но если выключатель используется многократно, то плавкая вставка предохранителя меняется после каждого перегорания. Принцип действия предохранителя основан на том, что вследствие относительно малого сечения плавкой вставки нагрев и перегорание ее происходят раньше, чем произойдет нагрев до опасной температуры проводников установки.
Между источником энергии и защищаемой установкой обычно находится несколько последовательно включенных предохранителей. Номинальные токи вставок этих предохранителей убывают по мере приближения к конечной установке. Для селективной (избирательной) защиты от токов перегрузки и коротких замыканий необходимо, чтобы предохранитель с меньшим номинальным током вставки перегорал раньше, чем предохранитель с плавкой вставкой большего номинального тока. Зависимость времени перегорания предохранителя от тока выражается в виде токовременной характеристики.
На рис. 42-1 приведены токовременные характеристики двух предохранителей с номинальными токами плавких вставок I вст I < I вст II. Из кривых видно, что при токе Iк1 селективность перегорания предохранителей обеспечивается лучше, чем при токе Iк2.
Один и тот же предохранитель с номинальным током Iпр может иметь плавкие вставки на несколько номинальных токов Iвст При этом наиболее тяжелыми условиями работы предохранителя будут такие, при которых он работает с плавкой вставкой наибольшего номинального тока и ток в цепи равен номинальному значению тока вставки. В этом случае нагрев плавкой вставки и всего предохранителя будет наибольшим. Чтобы предохранитель в этих условиях не мог перегорать, номинальный ток вставки берут на 20-25% меньше максимального тока предохранителя, при котором он перегорает за время t → ∞.
Практически выбор номинального тока плавких вставок (Iп) производится по следующим двум условиям: плавкая вставка не должна перегорать в течение часа при токе 1,3 Iп и должна перегорать в течение часа при токе 1,6 Iп.
Кроме условий селективности и величин номинальных токов, при выборе предохранителя приходится учитывать напряжение установки и предельно отключаемый предохранителем ток I откл. пр.
Физический процесс работы плавкой вставки предохранителя состоит из нагрева, плавления и испарения металла вставки, пробоя промежутка и гашения дуги.
Рис. 42-1. Токовременные характеристики плавких вставок
Чтобы уменьшить температуру предохранителя при Iмин, стремятся уменьшить температуру нагрева и плавления металла плавкой вставки. Применение легкоплавких металлов (олово, свинец) приводит к увеличению сечения вставки, что вредно отражается на гашение дуги, поэтому используют так называемый металлургический эффект. На плавкую вставку из тугоплавкого металла (медь, серебро) наплавляют кусочек легкоплавкого металла (олово), который действует как металлический растворитель. При токах короткого замыкания такие вставки перегорают быстро и небольшое количество легкоплавкого металла не влияет на дугогашение. При перегрузке же за счет металлургического эффекта такая плавкая вставка перегорает раньше, чем ее температура достигнет плавления.
Напряжение пробоя промежутка между электродами после перегорания плавкой вставки зависит от длины этого промежутка.
Рис. 42-2. Осциллограммы тока и напряжения при перегорании предохранителя с токоограничивающим эффектом: I уст.макс — максимальное значение тока короткого замыкания установки; I к.пр — ток отключения короткого замыкания предохранителем; и — напряжение установки
Для уменьшения перенапряжения следует стремиться к уменьшению расстояния между электродами, но это ухудшает условия гашения дуги. Для удовлетворения обоих условий делают промежуток изменяющейся длины (например, применяют плавкие вставки, сечение которых состоит из нескольких ступеней).
Гашение дуги в предохранителях является наиболее ответственным процессом их работы, поэтому ток отключения предохранителя является одной из основных его характеристик. Что касается предельного тока к. з. в цепи, то он зависит от скорости гашения дуги в предохранителе. По этому признаку предохранители подразделяются на токоограничивающие, в которых ток в цепи не достигает своего максимального значения (рис. 42-2), и без токоограничения. К последнему типу принадлежат предохранители без специальных дугогасительных устройств.
Токоограничивающий эффект в современных предохранителях связан с размещением плавкой вставки в среде с мелкозернистым наполнителем или в закрытом патроне с газогенерирующими стенками.
По конструкции предохранители подразделяются на пробочные и с закрытыми патронами. Последние, в свою очередь, подразделяются на предохранители без наполнителей и предохранители с наполнителями.
Пробочные предохранители широко распространены в установках низкого напряжения (до 380 в).
Предохранители без наполнителей выпускаются типа ПР-2 (рис. 42-3). Патроны этих предохранителей выполняются в виде толстостенных фибровых трубок 1, на которые надеты латунные колпачки 3, предохраняющие патрон от разрыва. Плавкая вставка 5 привинчена к контактным ножам 4.
Перегорание плавкой вставки происходит сначала в перешейках, поэтому восстанавливающее напряжение невелико и перенапряжения не происходит. В дальнейшем уширенные части плавкой вставки падают вниз и дуга удлиняется. Гашение дуги в патроне осуществляется благодаря высокому давлению газов, которые выделяются из фибрового патрона при его нагреве дугой. Это давление газов достигает 100 кГ/см (в состав газа входит около 40% водорода). Успешному гашению дуги в патроне способствует также и то, что количество испаряющегося металла от плавления перешейков плавкой вставки невелико.
Рис. 42-3. Патрон предохранителя ПР-2 с закрытой фибровой трубкой на 220 в, 100 а: 1 — фибровая трубка; 2 — кольца; 3 — колпачки; 4 — контактные ножи; 5 — плавкая вставка
Рис. 42-4. Патрон кварцевого токоограничивающего предохранителя типа ПН-2 на 220 в, 200 а:
а — общий вид; б — плавкая вставка; 1 — контактные ножи; 2 — плавкая вставка; 3, 4 — отверстия и оловянный шарик плавкой вставки; 5 — металлические крышки; 6 — фаянсовый корпус
Предохранители типа ПР-2 выпускаются двух величин. На напряжение 220 в — первая величина (I) и на напряжение 500 в — вторая величина II. Предохранители второй величины имеют несколько больший диаметр патрона и большую его длину.
Номинальный ток плавкой вставки может быть от 15 до 1000 а.
Предохранители с наполнителями выпускаются нормальные серии ПН-2 (рис. 42-4) и быстродействующие серий ПНБ-2 и ПНБ-3.
Рис. 42-5. Патрон кварцевого быстродействующего токоограничивающего предохранителя типа ПНБ-5 660/250 (660 в, 250 а):
а — общий вид; б — плавкая вставка: 1 — блок-контакты; 2 — контактные ножи; 3 — металлические крышки; 4 — фаянсовый корпус; 5 — стеклянная трубка со вспомогательной плавкой вставкой; 6 — фаянсовые пластинки; 7 — плавкая вставка
Эти предохранители имеют общее название кварцевых предохранителей и выпускаются на напряжение до 400 в для постоянного тока, до 500 в переменного тока и на высокое напряжение 6—10 и 35 кВ.
Заполнителем в патроне этих предохранителей служит кварцевый песок. Быстрое гашение дуги в таком предохранителе обеспечивается ее сужением в узком канале между песчинками кварца. Кроме того, в кварцевом песке происходит диффузия ионов, что увеличивает потери мощности в дуговом промежутке столба дуги. Это в свою очередь повышает напряжение и снижает ток в цепи.
Предохранители ПН-2 выпускаются с патронами на 100, 200, 250, 400 и 600 а с номинальными токами плавкой вставки от 30 до 600 а. Предохранители отключают действующие значения тока (Iу) 50 кА с патроном 100 а и 25 кА с патроном 600 а.
Рис. 42-6. Патрон кварцевого токоограничивающего предохранителя на напряжение 10 кВ типа ПК: 1 — металлический колпачок; 2 — фарфоровая трубка; 3 — плавкие вставки; 4 — указатель срабатывания
В предохранителях серии ПНБ-2 и ПНБ-3 быстродействие обеспечивается заменой медной плавкой вставки на серебряную и применением более качественного кварцевого песка без посторонних примесей и с одинаковым размером зерен. Применение серебряной плавкой вставки позволяет уменьшить ее сечение, что дает уменьшение испаряющегося металла при ее сгорании. Быстродействующие предохранители ПНБ-5 (рис. 42-5) снабжены сигнальным устройством с визуальным указателем срабатывания и блок-контактами.
Сигнальное устройство действует следующим образом. В стеклянной трубке 5 в кварцевом песке натянут металлический волосок, который сжимает пружинку. При сгорании основной плавкой вставки сгорает также и этот волосок. При этом пружинка расправляется и при помощи бойка приводит в действие блок-контакты.
Снижение перенапряжения достигается тем, что плавкие вставки сгорают не сразу по всей длине, а начиная со среднего участка: в предохранителях ПН-2 за счет оловянного шарика 4 (см. рис. 42-4), а в предохранителях ПНБ-5 — уменьшением сечения плавкой вставки в средней части. А чтобы этот участок не перегревался токами нагрузки, он заключен между двумя фаянсовыми пластинками (рис. 42-5), увеличивающими охлаждение вставки.
Кварцевые предохранители работают с токоограничением, т. е. ток к. з. отключается ими раньше, чем он достигает максимального значения. Поэтому кварцевые предохранители нашли
применение в установках переменного тока с напряжением 6—10 и 35 кВ.
Высоковольтные кварцевые предохранители применяются для защиты силовых установок и трансформаторов напряжения.
Патрон кварцевого предохранителя типа ПК для силовой установки напряжением 10 кВ изображен на рис. 42-6. Такой патрон имеет плавкие вставки 3 в виде спиралей и снабжен указателем срабатывания 4.
Рис. 42-7. Токоограничивающий эффект кварцевых предохранителей при различных номинальных токах вставок
Токоограничивающий эффект кварцевых предохранителей на напряжение 10 кВ приведен на рис. 42-7 (Iк — ток короткого замыкания, Iпр — ток отключения предохранителя).
В кварцевых предохранителях типа ПКТ, применяемых для защиты трансформаторов напряжения, плавкая вставка выполняется в виде тонкой серебряной проволоки, намотанной на керамическую основу.
В установке с напряжением до 380 в вместо предохранителей часто применяют автоматические выключатели типа АП-50. Эти выключатели выпускаются двух- и трехполюсными с электромагнитным и тепловым расцепителем, обеспечивающим отключение линии при перегрузке и коротких замыканиях.