Плавкие предохранители

Плавкий предохранитель представляет собой однополюсный коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от сверхтоков; действие его основано на плавлении током металлической вставки небольшого сечения и гашении образовавшейся дуги.

Ценными свойствами плавких предохранителей являются:

• простота устройства и, следовательно, низкая стоимость;
• исключительно быстрое отключение цепи при КЗ;
• способность предохранителей некоторых типов ограничивать ток КЗ.

Следует, однако, указать, что:

• характеристики предохранителей таковы, что они не могут быть использованы для защиты цепей при перегрузках;
• избирательность отключения участков цепи при защите ее предохранителями может быть обеспечена только в радиальных сетях;
• автоматическое повторное включение цепи после ее отключения предохранителем возможно только при применении предохранителей многократного действия более сложной конструкции;
• отключение цепей плавкими предохранителями связано обычно с перенапряжениями;
• возможны однополюсные отключения и последующая ненормальная работа участков системы.

Поэтому в электроустановках свыше 1 кВ предохранители имеют ограниченное применение; их используют в основном для защиты силовых трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и статических конденсаторов.

Плавкий предохранитель состоит из следующих основных частей: изолирующего основания или металлического основания с изоляторами, контактной системы с зажимами для присоединения проводников, патрона с плавкой вставкой. Большинство предохранителей имеет указатели срабатывания той или иной конструкции.

Предохранители характеризуют номинальным напряжением, номинальным током и номинальным током отключения. Следует различать номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток предохранителя (контактной системы и патрона). Последний равен номинальному току наибольшей из предназначенных к нему вставок. Для предохранителей переменного тока с номинальным напряжением от 3 до 220 кВ включительно установлены следующие значения номинальных токов:

Номинальные токи предохранителей, А......8; 10; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400

Номинальные токи плавких вставок, А......2; 3,2; 5; 8; 10; 16; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400

Номинальные токи отключения, кА......2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40

Под номинальным током отключения следует понимать наибольшее допускаемое действующее значение периодической составляющей тока КЗ, отключаемого предохранителем при определенных условиях. Отечественные аппаратные заводы выпускают плавкие предохранители для напряжений до 110 кВ включительно.

Наибольшая температура частей предохранителя, заряженного любой из предназначенных для него плавких вставок, не должна превышать значений, указанных в табл.1 при температуре воздуха +40°С.

Таблица 1

Наибольшие допустимые температуры частей предохранителей

Защитные характеристики плавких предохранителей

Защитные характеристики представляют собой зависимости времени плавления t_пл или времени отключения цени t_от от соответствующих значений тока, неизменного во времени (рис.1).

Рис.1. Примерный вид защитных характеристик плавких предохранителей

Интервалы времени установлены в пределах от 0,01 с до 1 ч. Защитные характеристики предохранителей необходимы для координации их действия с действием других предохранителей и выключателей. Они могут быть получены только при испытании и сообщаются заводами-изготовителями по запросам. Как видно из рисунка, по мере увеличения номинального тока плавкой вставки характеристики смещаются вправо. Значение тока, при котором плавкая вставка предохранителя плавится в течение 1 ч, должно быть более 130% и менее 200% номинального тока вставки.

Коммутационная способность предохранителей

Предохранитель должен отключать при наибольшем рабочем напряжении любой ток в пределах от тока, плавящею вставку в течение 1 ч, до номинального тока отключения независимо от момента начала КЗ, т.е. при любой асимметрии тока. При этом не должны иметь место разрушения патрона или повреждения частей предохранителя.

Газогенерирующие плавкие предохранители

Газогенерирующие плавкие предохранители (их называют также стреляющими предохранителями) предназначены для наружной установки в устройствах 35 и 110 кВ.

Рис.2. Патрон газогенерирующего плавкого предохранителя типа ПВТ-35

На рис.2 показан патрон предохранителя типа ПВТ-35 (предохранитель выхлопной для защиты силовых трансформаторов и линий напряжением 35 кВ). В корпус патрона 1 помещены трубки 2 и 3 из винипласта, соединенные между собой стальным патрубком 4, а также плавкая вставка 5, прикрепленная одним концом к токоведущему стержню 6, а вторым - к гибкому проводнику 7 с наконечником 8.

Рис.3. Газогенерирующий плавкий предохранитель типа ПВТ-35

Патрон устанавливается на основании предохранителя (рис.3), состоящем из цоколя 1, двух опорных изоляторов 2 с головками - верхней 3 и нижней 4 с зажимами для крепления проводников. На нижней головке укреплен контактный нож 5, снабженный пружиной и сцепленный с наконечником патрона. При перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под действием пружины, тянет за собой гибкий проводник. Под действием дуги стенки винипластовых трубок выделяют газ, давление в патроне повышается и дуга гасится в потоке газа, вытекающего из патрона через нижнее отверстие, а также через клапан бокового отверстия патрубка. Срабатывание предохранителя сопровождается звуковым эффектом, похожим на ружейный выстрел. Гибкий проводник выбрасывается из патрона. Между контактным ножом и концом трубки образуется воздушный промежуток, обеспечивающий изоляцию в месте разрыва. Номинальный ток отключения предохранителя типа ПВТ-35 составляет 3,2 кА.

Кварцевые предохранители

Кварцевые предохранители изготовляют для напряжений 6, 10 и 35 кВ для внутренней и наружной установки. Они относятся к группе токоограничивающих предохранителей.

Рис.4. Патрон кварцевого предохранителя типа ПКТ-10

Патрон предохранителя типа ПКТ для напряжений 3-35 кВ (рис.4) представляет собой фарфоровую или стеклянную трубку 1, плотно закрытую металлическими колпачками 2. Внутри трубки помещена плавкая вставка 3 в виде одной или нескольких параллельно включенных тонких медных проволок. В нижнем колпачке предусмотрен указатель срабатывания предохранителя 4. Патрон заполнен мелким кварцевым песком.

Длина проволок и, следовательно, длина патрона определяются номинальным напряжением. Поскольку градиент восстанавливающейся электрической прочности промежутка в кварцевом песке относительно невелик, длина проволоки должна быть велика. Чтобы поместить ее в патроне, приходится навивать проволоку винтообразно.

Характеристики тугоплавких вставок из меди (температура плавления 1080°С) могут быть улучшены напайкой капель олова или свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 200 и 327°С). При расплавлении металла напайки он растворяет в себе медь, вследствие чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки.

Свойства материала, наполняющего патрон токоограничивающего предохранителя, существенно влияет на работу последнего.

Наполнитель должен удовлетворять следующим требованиям:

• отводить тепло от плавкой вставки в нормальном рабочем режиме;
• не выделять газа под действием высокой температуры дуги;
• обладать достаточной электрической прочностью после разрыва цепи.

Как показал опыт, этим требованиям в наибольшей мере отвечает кварцевый песок.

Процесс отключения цепи токоограничивающим предохранителем при КЗ протекает следующим образом. При большом токе тонкая проволока плавится и испаряется в течение долей полупериода почти одновременно по всей длине. Зажигается дуга. Вследствие высокой температуры газа в канале дуги образуется местное давление (давление в патроне практически не повышается).

Ионизованные частички металла выбрасываются в радиальном направлении в зазоры между песчинками кварца. Здесь они быстро охлаждаются и деионизуются. Сопротивление дуги увеличивается настолько быстро, что ток резко снижается, не достигнув своего максимального значения, а напряжение на дуговом промежутке повышается (рис.5).

Рис.5. Осциллограммы тока и напряжения
при отключении предохранителем типа ПКТ
тока 20 кА при напряжении 6 кВ

Как видно из осциллограммы, напряжение у зажимов предохранителя превышает напряжение сети вследствие появления ЭДС самоиндукции, направленной согласно с напряжением сети. Коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении цепи плавкими предохранителями, не должны превышать следующих значений:

Номинальное напряжение, кВ......3..6..10..20..35

Наибольшее допустимое перенапряжение по отношению к земле, кВ......16..26..40..82..126

Для ограничения перенапряжений принимают различные меры: применяют вставки ступенчатого сечения по длине, что затягивает процесс их плавления и удлинения дуги; параллельно основным рабочим вставкам включают вспомогательные вставки с искровым промежутком. В последнем случае при расплавлении рабочих вставок и резком повышении напряжения пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также сгорает. Максимальное напряжение при этом уменьшается.

Токоограничивающая способность кварцевых предохранителей

Токоограничивающая способность кварцевых предохранителей характеризуется зависимостью наибольшего мгновенного значения пропускаемого предохранителем тока от периодической составляющей тока КЗ. Характер этой зависимости показал на рис.6.

Рис.6. Характеристики токоограничения кварцевых предохранителей

Наклонная прямая i_уд дает значение ударного тока, соответствующего току I_п0 при отношении X/R=15,7 (Т_a=0,05с). Наклонные прямые, обозначенные i_max, определяют наибольшие мгновенные значения тока, пропускаемого предохранителями с номинальными токами плавких вставок I_ном1, I_ном2, I_ном3 и т.д. Как видно из рисунка, ограничение тока имеет место при отключаемом токе I_п0, превышающем некоторое минимальное значение, зависящее от номинального тока вставки. Чем меньше последний, тем заметнее токоограничивающее действие предохранителя.

Кварцевые предохранители для защиты измерительных трансформаторов напряжения типа ПКН имеют неограниченную отключающую способность и могут быть установлены в РУ 6, 10, 35 кВ станций, подстанций большой мощности. Они отличаются от обычных кварцевых предохранителей типа ПК материалом плавкой вставки, изготовляемой из константановой проволоки с четырехступенчатым сечением. При КЗ плавление проволоки происходит ступенями. При этом сопротивление четвертой ступени (относительно большого сечения) служит в основном для ограничения тока КЗ до значений, соответствующих номинальному току отключения предохранителей типа ПК.

Выбор плавких предохранителей

При выборе плавких предохранителей руководствуются следующими условиями.

1) Номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать поминальному напряжению установки.

2) Номинальный ток вставки должен быть выбран так, чтобы она не расплавлялась в утяжеленном режиме, когда рабочий ток имеет наибольшее значение. Вставка не должна также плавиться в переходных режимах, например при включении силового трансформатора, когда броски намагничивающего тока достигают 8-10-кратного значения номинального тока трансформатора. У измерительных трансформаторов напряжения бросок намагничивающею тока достигает 150I_ном. Наконец, номинальный ток вставки должен быть выбран так, чтобы обеспечить избирательности отключения при КЗ.

3) Номинальный ток отключена предохранителя не должен быть меньше периодической составляющей тока КЗ (действующего значения за первый период), т.е. I_{откл.ном}≥I_п0

Значение наибольшего мгновенного тока, пропускаемого токоограничивающими предохранителями, не должно превышать допустимых токов аппаратов в защищаемой части сети.