Предохранители

Предохранители - это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Преимущественно предохранители используются для защиты от токов короткого замыкания, а для защиты от токов перегрузки в большинстве случаев предпочтение отдается тепловым реле и автоматическим выключателям.

Основной элемент предохранителя - плавкая вставка постоянного или переменного сечения, которая при токах срабатывания сгорает (плавится с последующим возникновением и гашением электрической дуги), отключая электрическую цепь.

По конструктивному исполнению предохранители условно можно разделить на открытые (вставка не защищена патроном или размещена в трубке, открытой с торцов), закрытые (вставка расположена в закрытом патроне) и засыпные (вставка находится в патроне, полностью заполненном мелкозернистым наполнителем, например, кварцевым песком).

Наиболее распространенные материалы плавких вставок - медь, цинк, алюминий, свинец и серебро. Медь подвержена сравнительно интенсивному окислению, что может привести к увеличению сопротивления медной вставки и, следовательно, к изменению защитной характеристики предохранителя. Поэтому медные вставки подвергаются лужению (покрываются слоем олова).

В засыпных предохранителях наиболее распространенным наполнителем является кварцевый песок с содержанием оксида кремния SiО2 не менее 99%. Наиболее лучшим наполнителем по своим дугогасящим свойствам является мел (СаСО3), который после перегорания вставки в отличие от песка не образует остаточных токопроводящих путей и пригоден для многократного использования. Но мел значительно дороже песка и это ограничивает его широкое применение. Для лучшего использования наполнителя как теплоотводящей и дугогасящей среды в засыпном предохранителе обычно размещены несколько параллельно соединенных вставок, суммарное сечение которых эквивалентно сечению одной вставки предохранителя на тот же рабочий ток.

Помимо перечисленных предохранителей традиционного исполнения в особую группу можно выделить жидкометаллические предохранители и предохранители инерционного типа. В жидкометаллическом предохранителе в качестве плавкого элемента применяется жидкий металл (галлий, сплав галлий/ивдий/олово и др.), которым заполняется канал расчетного по рабочему току сечения в герметизированном и вакуумированием патроне. Предохранитель электрически (последовательно) и механически связан с защитным аппаратом, например, автоматическим выключателем. При срабатывании такого предохранителя металл из жидкого состояния переходит в парообразное. Возникающее при этом в патроне давление через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического выключателя, который и осуществляет отключение электрической цепи. Сразу же после этого пары металла вновь переходят в жидкое состояние (через 0,5-2 мс) и предохранитель готов к повторному срабатыванию. Инерционные предохранители от обычных отличаются наличием двух вставок разного сечения и исполнения, которые обеспечивают защиту потребителя (наиболее часто - асинхронные двигатели) как при значительных токах короткого замыкания, так и при сравнительно небольших токах перегрузки.

Следует подчеркнуть, что в настоящее время (и скорее всего в обозримом будущем эта тенденция сохранится) предохранитель чаще всего применяется либо как аппарат защиты от токов короткого замыкания, либо как аппарат защиты от предельно больших токов короткого замыкания при совместном действии с автоматическим выключателем (по схеме: предвключенный предохранитель с автоматическим выключателем).

Рис. 1. Защитная характеристика предохранителя

Рабочая (защитная) времятоковая характеристика предохранителя дана на рис. 1, где Iном - номинальный ток, указывается на плавкой вставке, а Iп - пограничный ток (ток, при котором плавкая вставка перегорает за время не менее одного часа), в большинстве случаев принимается за исходный при расчетах. В зависимости от материала вставки пограничный ток может превышать номинальный на 10-70 %. Меньшие значения относятся к материалам с более стабильной защитной характеристикой (менее подверженным внешним атмосферным условиям и режимам эксплуатации электрооборудования), например, серебро, большие - к нестабильным в указанном отношении материалам (например, алюминий).

Рис. 2. Различные варианты исполнения плавких вставок: а - постоянного сечения; 6 - переменного сечения (фигурные вставки) на напряжение - преимущественно не выше 220 В; в - переменного сечения на напряжение выше 380 В; г - для предохранителя с наполнителем

Рис. 3. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа (в) и с наполнителем (б):

1 - плавкие вставки; 2 - изолирующий патрон (корпус); 3 - токопроводящие детали; 4 - защитные колпачки; 5 - наполнитель

На рис. 2 показаны различные варианты исполнения плавких вставок. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа и с наполнителем даны на рис. 3,а,б.

Фигурные плавкие вставки по сравнению со вставками постоянного сечения имеют ряд преимуществ: снижается уровень перенапряжений при срабатывании предохранителя, в меньшей степени засоряется внутренняя полость патрона парами металла, уменьшаются тепловые потери и др.

В некоторых случаях, когда требуется высокая отключающая способность предохранителя, его патрон изготовляется из специального газогенерирующего материала - в большинстве случаев из фибры. При перегорании вставки и соприкосновении электрической дуги со стенками такого патрона происходит интенсивное и обильное газовыделение. Это приводит к увеличению давления внутри патрона, что, в свою очередь, улучшает условия теплопередачи от дуги и ускоряет процесс дугогашения и, в итоге, увеличивает отключающую способность предохранителя.

Важным показателем предохранителя является тепловая характеристика - интеграл квадрата тока в заданном интервале времени. Эта характеристика позволяет достаточно точно оценить тепловое воздействие проходящего через него тока и в наглядной форме определить защитную способность предохранителя, особенно при малых временах срабатывания.

Наиболее распространенные серии предохранителей: ПР-2 - на номинальные токи от 15 до 1000 А и напряжение 380, 500 В; ПП (быстродействующие) - на номинальные токи от 30 до 6300 А и напряжение от 150 до 1300 В; ПРС (резьбовые, для малогабаритных распределительных устройств) - на токи до 100 А и напряжение до 500 В. Выпускаются также предохранители в комплекте с разрядниками, рубильниками и выключателями - для уменьшения габаритных размеров распределительных устройств.

В качестве примера на рис. 4 приведены времятоковые характеристики предохранителя ПП-57 на разные номинальные токи, а на рис. 5 - характеристики джоулевых интегралов предохранителей ПНБ-5.

Рис. 4. Времятоковые характеристики предохранителя ПП-57 на номинальное напряжение 660 В

Рис. 5. Характеристики джоулевых интегралов предохранителей ПНБ-5