Запобіжники

Запобіжник - це комутаційний електричний апарат, призначений для вимкнення ланцюга руйнуванням, спеціально передбачених для цього, його струмоведучих частин під дією струму, що перевищує визначене значення.

У більшості запобіжників ланцюг відключається за рахунок розплавлювання плавкої вставки, яка нагрівається струмом ланцюга. Після вимкнення ланцюга необхідно замінити перегорілу вставку на справну.

Запобіжник включається послідовно в ланцюг, який захищається, а для створення видимого розриву використовується неавтоматичний вимикач (рубильник).

Основні елементи запобіжника - корпус, плавка вставка (плавкий елемент), контактна частина, дугогасильний пристрій і дугогасильне середовище.

Запобіжники виготовляють для змінного струму на напруги 35В, 220В, 380В, 660 В і для постійного струму напругою 24В, 110В, 220В, 440 В.

Запобіжники характеризуються номінальним струмом плавкої вставки, тобто струмом, на який розрахована плавка вставка для тривалої роботи. У той самий корпус запобіжника можуть бути вставлені плавкі вставки на різні номінальні струми, тому сам запобіжник характеризується номінальним струмом запобіжника.

Запобіжники напругою до 1 кВ виготовляють на номінальні струми до 1000 А.

У нормальному режимі теплота, утворена струмом навантаження в плавкій вставці, передається в навколишнє середовище і температура всіх частин запобіжника не перевищує припустиму. При перевантаженнях або коротких замиканнях температура вставки збільшується и вона розплав­ляється. Чим більше протікає струм, тим менше час плавлення. Ця залеж­ність називається захисною (ампер-секундною) характеристикою запобіж­ника (рис.2.3).

Щоб зменшити час спрацьовування запобіжника, застосовують плавкі вставки з матеріалів спеціальної форми, а також використовують металургійний ефект.

Найбільш розповсюджені матеріали плавких вставок - мідь, цинк, алюміній, свинець і срібло.

Цинк і свинець мають низьку температуру плавлення (419 і 325 °С), що забезпечує невелике нагрівання плавких вставок для їх розплавлення. Цинк стійок до корозії, тому перетин плавної вставки не змінюється за час експлуатації і захисна характеристика залишається незмінною. Цинк і свинець мають великі питомі опори, тому плавкі вставки з них виготовляються великого перетину. Такі плавкі вставки звичайно застосовуються в запобіжниках без наповнень. Запобіжники з вставками з цинку і свинцю мають великі витримки часу спрацювання при перевантаженнях.

Мідні вставки піддаються окислюванню; їхній перетин згодом змен­шу­ється, і захисна характеристика запобіжника змінюється. Для зменшення окислювання звичайно застосовують луджені мідні вставки. Температура плавлення 1080 °С, тому при струмах, близьких до мінімального струму плавлення, температура всіх елементів запобіжника значно зростає.

Срібні вставки не окислюються, і їхні характеристики найбільш стабільні.

Алюмінієві вставки застосовуються в запобіжниках у зв'язку з дефіцитом кольорових металів. Високий опір окісних плівок на алюмінії ускладнює здійснення надійного рознімного контакту.

Для прискорення плавлення вставок з міді і срібла використовується металургійний ефект - явище розчинення тугоплавких металів у розплавлених менш тугоплавких. Якщо, наприклад, на мідний дріт діаметром 0,25 мм напаяти кульку з олов'яно-свинцового сплаву з температурою плавлення 182°С, то при температурі дроту 650°С вона розплавиться протягом 4хв, а при 350°С - протягом 40 хв.

Той же дріт без розчинника плавиться при температурі не менш 1000 °С. Звичайно для створення металургійного ефекту на мідних і сріб­них вставках застосовують чисте олово с більш стабільними властивостями. У нормальному режимі роботи кулька практично не впливає на температуру вставки.

Прискорення плавлення вставки досягається також застосу­ван­ням плавкої вставки спеціальної форми (рис. 2.4). При струмах короткого замикання вузькі ділянки нагріваються настільки швидко, що відвід теплоти майже не відбувається. Вставка перегоряє одночасно в декількох звужених місцях (перетин В-В) перш ніж струм короткого замикання досягне свого сталого значення в ланцюзі постійного струму або ударного струму в ланцюзі змінного струму (див. рис. 2.3).Струм короткого замикання при цьому обмежується до значень І_обмеж (у 2-5 разів менш І_устал). Таке явище називається струмообмежуючою дією запобіжника. Електродинамічні сили в ланцюзі, захищеному таким запобіжником, настільки зменшуються, що в деяких випадках струмоведучі частини й апарати не вимагають перевірки на електродинамічну стійкость.

Гасіння електричної дуги, що виникає після перегоряння плавкої вставки, повинне здійснюватися в можливо короткий час. Час гасіння дуги залежить від конструкції запобіжника.

Найбільший струм, що плавкий запобіжник може відключити без яких-небудь ушкоджень чи деформацій, називається граничним струмом вимкнення.

Запобіжники знайшли широке застосування в промислових електро­установках, на електростанціях, підстанціях, у побуті і мають різну конструкцію. Розглянемо конструкцію запобіжників, найбільше широко застосовуваних в електричних установках.

Запобіжники з закритими розбірними патронами без наповнення типу ПР-2 (див. рис. 2.4) виготовляються на 220 і 500 В, номінальні струми 100...1000 А, струми, що відключаються при струмах вимикання 6...20кА.(cos(0,4))

Патрон запобіжника ПР-2 (див. рис. 2.4) на струми 100 А й вище складається з товстостінної трубки (фібрової) 1, на яку щільно насаджені латунні втулки 3, що запобігають розриву трубки. На втулку нагвинчуються ковпачки 4, що закріплюють плавку вставку 2, пригвинчену до ножів 6, до установки її в патрон. Для запобігання повороту ножів передбачена шайба 5, що має паз для ножів. Патрон вставляється в нерухомі контактні стійки, укріплені на ізоляційній плиті.

Запобіжники насипні типу ПН-2 широко застосовуються для захисту силових ланцюгів напругою до 500В змінного і 440В постійного струмів і виготовляються на номінальні струми 100...600 А. Порцелянова, квадратна зовні і кругла усередині, трубка має чотири різьбових отвори для гвинтів, за допомогою яких кріпиться кришка з ущільнювальною прокладкою. Плавка вставка приварена точковим зварюванням до шайб контактних ножів. Кришки з азбестовими прокладками герметично закривають трубку. Трубка заповнена сухим кварцовим піском. Плавка вставка виконана з однієї чи декількох мідних стрічок товщиною 0,15...0,35 мм і шириною до 4 мм. На вставці зроблені насічки, що зменшують перетин вставки в 2 рази. Для зниження температури плавлення вставки використовується металургійний ефект - на стрічки міді напаяні кульки олова. Температура плавлення в цьому випадку не перевищує 475 °С. Дуга виникає в декількох рівнобіжних каналах (відповідно до числа вставок); це забезпечує найменшу кількість пару металу в каналі між зернами кварцу і найкращі умови гасіння дуги у вузькій щілині. Насипні запобіжники так само, як запобіжники ПР, мають струмообмежуючу властивість.

Для зменшення виникаючих перенапруг плавка вставка має по довжині насічки, причому їхня кількість залежить від номінальної напруги запобіжника (з розрахунку 100...150 В на ділянку між насічками). Тому що вставка згоряє у вузьких місцях, то довга дуга виявляється розділеною на ряд коротких дуг, сумарна напруга на який не перевищує суми катодних і анодних спадань напруги.