Практическая работа 5.1

Раздел 5 Аппараты электрической защиты

Тема: Анализ конструкций и назначения плавких предохранителей.

Цели:

- формирование общих компетенций ОК 06, ОК 09

- формирование профессиональных компетенций ПК 1.3

Обеспечение занятия:

1. Описание конструкций плавких предохранителей.

2. Рисунки конструкций плавких предохранителей.

3. Графическая характеристика токоограничивающего эффекта плавких предохранителей.

4. Методические рекомендации

Порядок выполнения работы:

1. Изучить по материалам конструкции плавких предохранителей

2. Зарисовать конструкции плавких предохранителей.

3. Описать конструкции плавких предохранителей.

4. Зарисовать графическую характеристику токоограничивающего эффекта.

5. Описать, что показывает графическая характеристика токоограничивающего эффекта.

6. Ответить на контрольные вопросы.

7. Представить отчет.

При эксплуатации электрооборудования и электрических сетей длительные перегрузки проводов и кабелей, а также короткие замыкания вызывают повышение температуры токопроводящих жил свыше допустимых значений. Это приводит к преждевременному изнашиванию их изоляции, вследствие чего может произойти пожар или взрыв во взрывоопасных помещениях, а также поражение людей электрическим током.

Для предохранения от чрезмерного нагрева проводов, кабелей и токопроводящих частей электрооборудования каждый участок электрической сети должен быть снабжен защитным аппаратом, обеспечивающим отключение аварийного участка при непредвиденном увеличении токовой нагрузки сверх длительно допустимой.

Аппаратом защиты называется аппарат, автоматически отключающий защищаемую электрическую цепь при ненормальных режимах [1].

К аппаратам защиты относятся: плавкие предохранители, автоматические выключатели, тепловые и токовые реле.

Согласно [1] защита электродвигателей и электрической сети осуществляется от коротких замыканий (КЗ): однофазных, междуфазных и перегрузки.

Защита от коротких замыканий выполняется обязательно для всех электродвигателей (электроприемников) и электрических сетей.

Защита от перегрузки выполняется для электродвигателей продолжительного режима работы, за исключением случаев, когда такая перегрузка маловероятна (электродвигатели вентиляторов,

насосов и т.д.).

Для электродвигателей, работающих в повторно – кратковременном режиме, например, грузоподъемные механизмы, защита от перегрузки не выполняется.

Плавкие предохранители. Предохранитель – это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

В плавких предохранителях отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекающим через нее током защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить плавкую вставку исправной.

Предохранитель включается последовательно в защищаемую цепь, а для создания видимого разрыва электрической цепи и безопасного обслуживания совместно с предохранителями применяются неавтоматические выключатели или рубильники.

Предохранители изготавливаются на напряжение переменного тока 42, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.

Основными элементами предохранителя являются корпус, плавкая вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.

Предохранители характеризуются номинальным током плавкой вставки, т.е. током, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены сменные плавкие элементы на различные номинальные токи, поэтому сам предохранитель характеризуется номинальным током предохранителя (основания), который равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя. Например, предохранители серии ПН2 и ПР2 имеют сменные плавкие вставки. Так предохранитель серии ПН2-100 имеет корпус рассчитанный на ток до 100 А и сменные плавкие вставки на токи 30, 40, 50, 60, 80, 100 А.

Предохранители до 1 кВ изготавливаются на номинальные токи до 1000 А.

В нормальном режиме тепло, выделяемое током нагрузки в плавкой вставке, передается в окружающую среду и температура всех частей предохранителя не превышает допустимую. При перегрузке или КЗ температура вставки увеличивается и она расплавляется. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. Зависимость времени плавления плавкой вставки от величины тока (кратности тока срабатывания по отношению к номинальному току плавкой вставки) называется защитной (время – токовой) характеристикой предохранителя (рис. 4.1.). При одном и том же токе время плавления плавкой вставки зависит от многих причин (материала вставки, состояния ее поверхности, условий охлаждения и т.д.). Чтобы уменьшить время срабатывания предохранителя, применяются плавкие вставки из разного материала, специальной формы, а также используется металлургический эффект.

Наиболее распространенными материалами плавких вставок являются медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.

Медные вставки подвержены окислению, их сечение со временем уменьшается и защитная характеристика предохранителя изменяется. Для уменьшения окисления обычно применяют луженые медные вставки. Температура плавления меди 1080°С, поэтому при токах, близких к минимальному току плавления, температура всех элементов предохранителя значительно возрастает.

Цинк и свинец имеют низкую температуру плавления (419ºС и 327°С), что обеспечивает небольшой нагрев предохранителей в продолжительном режиме.

Цинк стоек к коррозии, поэтому сечение плавкой вставки не меняется во время эксплуатации, защитная характеристика остается постоянной. Цинк и свинец имеют большие удельные сопротивления, поэтому плавкие вставки оказываются большого сечения. Такие плавкие вставки обычно применяются в предохранителях без наполнителей. Предохранители со вставками из цинка и свинца имеют большие выдержки времени при перегрузках.

Серебряные вставки не окисляются, и их характеристики наиболее стабильны.

Алюминиевые вставки применяются в предохранителях в связи с дефицитом цветных металлов. Высокое сопротивление окисных пленок на алюминии затрудняет осуществление надежного разъемного контакта. Алюминиевые вставки находят применение в новых конструкциях предохранителей серии ПП31.

При больших токах плавкие вставки предохранителей выполняются из параллельных проволок или тонких медных полос.

Рис 4.2. Плавкий предохранитель серии ПР2:

а) – патрон; б) – формы плавких вставок

 

Для ускорения плавления вставок из меди и серебра используется металлургический эффект – явление растворения тугоплавких металлов в расплавленных, менее тугоплавких. Если, например, на медную проволоку диаметром 0,25 мм напаять шарик из оловянно-свинцового сплава с температурой плавления 182°С, то при температуре проволоки 650°С она расплавится в течение 4 мин, а при 350°С – в течение 40 минут. Та же проволока без растворителя плавится при температуре не менее 1000°С [7]. Для создания металлургического эффекта на медных и серебряных вставках применяют чистое олово, обладающее более стабильными свойствами. В нормальном режиме работы шарик практически не влияет на температуру вставки.

Ускорение плавления вставки достигается также применением плавкой вставки специальной формы (рис. 4.2, б). При токах КЗ узкие участки нагреваются настолько быстро, что отвод тепла почти не происходит. Вставка перегорает одновременно в нескольких суженных местах (сечение А – А и В – В, рис. 4.2, б) прежде чем ток КЗ достигнет своего установившегося значения в цепи постоянного тока или ударного тока в цепи переменного тока (рис. 4.3).

 

Рис. 4.3. Токоограничивающий эффект плавких вставок предохранителей: а – при постоянном токе; б – при переменном токе

Ток КЗ при этом ограничивается до значения (в 2 … 5 раз). Такое явление называется токоограничивающим действием и улучшает условия дугогашения в предохранителях.

Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно осуществляться в возможно короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя.

Наибольший ток, который плавкий предохранитель может отключать без каких-либо повреждений или деформаций, называется предельным током отключения.

Предохранители получили широкое применение для защиты электродвигателей, электрооборудования, электрических сетей в промышленных, бытовых электроустановках и имеют различную конструкцию.

Плавкие предохранители наряду с простотой их устройства и малой стоимостью имеют ряд существенных недостатков:

не могут защитить линию от перегрузки, так как допускают длительную перегрузку до момента плавления;

не всегда обеспечивают избирательную защиту в сети вследствие разброса их характеристик;

при коротком замыкании в трехфазной сети возможно срабатывание одного из трех предохранителей и линия остается работать на двух фазах.

В этом случае трехфазные электродвигатели, подключенные к сети, оказываются включенными на две фазы, а это приводит к перегреву обмоток электродвигателей и их выходу из строя.

Предохранители с закрытыми разборными корпусами (патронами) без наполнителя серии ПР2 (рис. 4.2) изготавливаются на напряжение 220 и 500 В и номинальные токи 100 … 1000 А. Патрон предохранителя ПР2 (рис. 4.2, а) на токи 100 А и выше состоит из толстостенной фибровой трубки 1, на которую плотно насажены латунные втулки 3, имеющие мелкую резьбу. На трубки навинчиваются латунные колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 2, привинченную к ножам 6, до установки ее в патрон. В предохранителях этой серии предусмотрена шайба 5, имеющая паз для ножа и предотвращающая поворот ножей.

Патрон вставляется в неподвижные контактные стойки, укрепленные на изоляционной плите. Необходимое контактное нажатие обеспечивается пружинами.

Плавкие вставки изготавливаются из цинка в виде пластины с вырезами. На суженных участках выделяется больше тепла, чем на широких. При номинальном токе избыточное тепло благодаря теплопроводности цинка передается широким частям, поэтому вся вставка имеет примерно одинаковую температуру. При перегрузках нагрев узких участков происходит быстрее, и вставка плавится в самом горячем месте (сечение А – А, рис. 4.2, б).

При КЗ вставка плавится в узких сечениях А – А и В – В. Возникающая дуга вызывает образование газов (50% СО2, 40% Н2, 10% паров Н2О), т.к. стенки патрона выполнены из газогенерирующего материала - фибры. Давление в зависимости от отключаемого тока может достигать 10 МПа и более, что обеспечивает быстрое гашение дуги и токоограничивающее действие предохранителя. Для уменьшения возникающего при отключении тока КЗ перенапряжения плавкая вставка имеет несколько суженных мест. При их поочередном плавлении полная длина дугового промежутка вводится в цепь не сразу, а ступенями.

Предохранители насыпные серии ПН2 (рис. 4.4) широко применяются для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В постоянного тока и выпускаются на номинальные токи

100 … 1000 А.

 

Рис. 4.4. Плавкий предохранитель серии ПН2

Фарфоровая, квадратная снаружи и круглая внутри, трубка 1 имеет четыре резьбовых отверстия для винтов, с помощью которых крепится крышка 4 с уплотняющей прокладкой 5. Плавкая вставка 2 приварена электроконтактной точечной сваркой к шайбам контактных ножей 3. Крышки с асбестовыми прокладками герметически закрывают трубку. Трубка заполнена сухим кварцевым песком 6. Плавкая вставка выполнена из одной или нескольких медных ленточек толщиной и шириной до 4 мм. На вставке сделаны прорези 7, уменьшающие сечение вставки в 2 раза. Для снижения температуры плавления вставки используется металлургический эффект – на полоски меди напаяны шарики олова 8, температура плавления в этом случае не превышает 475°С, дуга возникает в нескольких параллельных каналах (в соответствии с числом вставок); это обеспечивает наименьшее количество паров металла в канале между зернами кварца и наилучшие условия гашения дуги в узкой щели. Насыпные предохранители, так же как предохранители серии ПР2, обладают токоограничивающим свойством.

Для уменьшения возникающих перенапряжений плавкая вставка имеет по длине прорези, причем их количество зависит от номинального напряжения предохранителя (из расчета на участок между прорезями). Так как вставка сгорает в узких местах, то длинная дуга оказывается разделенной на ряд коротких дуг, суммарное напряжение, которых не превышает суммы катодных и анодных падений напряжения [7].

Наполнителем в предохранителях серии ПН является чистый кварцевый песок (99 % SiO2). Вместо кварца может быть применен мел (СаСО3), иногда его смешивают с асбестовым волокном. При возникновении дуги мел разлагается с выделением углекислого газа СО2 и СаО – тугоплавкого материала. Реакция происходит с поглащением энергии, что способствует гашению дуги.

Предельный отключаемый ток предохранителей серии ПН2 достигает 50 кА.

Насыпные предохранители серии НПН имеют неразборный стеклянный патрон без контактных ножей и рассчитаны на токи до 60 А.

Взамен предохранителей ПН2 разработаны предохранители серии ПП-31 с алюминиевыми вставками на номинальные токи 63 – 1000 А и имеющие предельный ток отключения до 100 кА при напряжении 660 В.

Предохранители серии ПП-17 изготавливаются на токи , напряжение переменного тока 380 В и постоянного тока 220 В. Предельная отключающая способность предохранителей
ПП-17 . Предохранитель состоит из плавкого элемента, помещенного в керамический корпус, заполненный кварцевым песком, указателя срабатывания и свободного контакта. При расплавлении плавкого элемента предохранителя перегорает плавкий элемент указателя срабатывания, освобождая введенный при сборке указателя боек, который переключает свободный контакт, и замыкается цепь сигнализации срабатывания предохранителя.

Для защиты полупроводниковых приборов разработаны быстродействующие предохранители серии ПП-41, ПП-57, ПП-59, ПП-71. Эти предохранители выполняются с плавкими вставками из серебряной фольги в закрытых патронах с засыпкой кварцевым песком. Они рассчитаны на установку в цепях переменного тока напряжением и постоянного тока . Электротехническая промышленность изготавливает предохранители на номинальные токи , предельные токи отключения до 200 кА. Эти предохранители обладают эффективным токоограничивающим действием.

В схемах управления станков, механизмов, машин, а также в системах электроснабжения жилых и общественных зданий широко применяются пробочные плавкие предохранители серии ПРС. Номинальный ток корпуса 6; 25; 63; 100 А.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Что такое плавкий предохранитель - определение.

2. Каково назначение плавких предохранителей.

3. Каким образом плавкие предохранители выполняют свое назначение.

4. Из каких основных элементов состоят плавкие предохранители.

5. Чем характеризуются плавкие предохранители.

6. Из каких материалов изготавливаются плавкие вставки предохранителей.

7. Что представляет собой металлургический эффект при срабатывании предохранителя.

8. Каким способом добиваются создания металлургического эффекта

9. Чем отличаются предохранители серий ПР2 и ПН2.

10.  Что представляет собой предохранитель серии ПП17.