МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО

ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В Г. ТАГАНРОГЕ

Методическое руководство по выполнению лабораторной работы Исследование плавких предохранителей

по курсу «Электрические и электронные аппараты»

на стенде «Электрические аппараты»

Таганрог 2007

удк 621.3.01 (076.5)

Составители: Д.П. Рассоха, И.А. Тибейко

Методическое руководство к выполнению лабораторной работы «Исследование плавких предохранителей» по курсу «Электрические и электронные аппараты» на стенде «Электрические аппараты».

Методические материалы, изложенные в данной работе, содержат всю необходимую информацию для выполнения лабораторной работы «Исследование плавких предохранителей» при изучении курса «Электрические и электронные аппараты».

Цель данной работы заключается в оказании методической помощи студентам, изучающим курс «Электрические и электронные аппараты».

Даются рекомендации по обработке результатов эксперимента. Приводятся контрольные вопросы.

Табл. 1. Ил.7. Библиогр: 2 назв.

Рецензент:

1. Цель работы

Ознакомиться с конструкцией и техническими данными низковольтных предохранителей типов ПР-2, ПН-2, ПНД-2, ПРС, НПН-60.

Снять времятоковую характеристику плавкой вставки и

сравнить ее с расчетной.

2. Основные теоретические положения предохранителей

Предохранители — это электрические аппараты, предназначенные для зашиты электрических цепей от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Преимущественно предохранители используются для защиты от токов короткого замыкания, а для защиты оттоков 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 SiO₂ не менее 99%. Наилучшим 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/индий/олово и др.), которым заполняется канал расчетного по рабочему току сечения в герметизированном и вакуумированном 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).

Рабочая (защитная) времятоковая характеристика предохранителя дана на рис. 1, где I_ном — номинальный ток, указывается на плавкой вставке, а I_п —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),

Рис. 1. Защитная характеристика предохранителя

Р ис. 2. Различные варианты плавких вставок: а – постоянного сечения; б – переменного сечения (фигурные вставки) на напряжение преимущественно не выше 220 В; в – переменного сечения на напряжение выше 380 В; г – для предохранителя с наполнителем.

например, серебро, большие — к нестабильным в указанном отношении материалам (например, алюминий).

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.

Пограничный ток предохранителя открытого типа или его минимальный ток срабатывания рассчитывается на основе баланса подводимой и отводимой мощности и оценивается по соотношению:

, (1)

где К_т — коэффициент теплопередачи; S_охл — площадь поверхности охлаждения; — температура плавления материала вставки; — температура окружающей среды; — удельное электрическое сопротивление материала вставки; — температурный коэффициент сопротивления, — длина вставки; — ее поперечное сечение.

Пограничный ток засыпного предохранителя рассчитывается:

, (2)

где D_вн и D_н — внутренний и наружный диаметры трубки; _н и _т — теплопроводность наполнителя и материала трубки: d — диаметр плавкой вставки.

Полное время срабатывания предохранителя:

(3)

где t₁ — время нагрева вставки от температуры окружающей среды до температуры плавления; t₂ — время плавления вставки (время перехода материала вставки из твердого в жидкое состояние после достижения температуры плавления); t₃ — время гашения дуги.

Расчет времятоковой характеристики обычно производится в предположении, что процесс нагрева имеет адиабатный характер. Практика показывает, что это допустимо при токах, которые превышают номинальный ток в три и более раз. Значения составляющих полного времени срабатывания предохранителя определяются:

(4)

где S — сечение вставки; I — ток срабатывания предохранителя; А₁ и А₂ — постоянные интегрирования, которые определяются электрофизическими характеристиками материала вставки. Их значения, А² с/мм⁴, для некоторых материалов следующие:

Ag — А₁ = 62000; А₂ = 8000;

Си — А₁ = 80000; А₂ = 11000;

Zn — А₁ = 9000; А₂ = 3000;

РЬ — А₁ = 1200; А₂ = 400.

Рис. 3. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа (а) и с наполнителем (б): 1 – плавкие вставки; 2 – изолирующий патрон (корпус); 3 – токопроводящие детали; 4 – защитные колпачки; 5 – наполнитель

Время гашения дуги расчету не поддается и учитывается эмпирическими коэффициентами. С учетом этого выражения полного времени срабатывания имеют вид:

а) для предохранителя открытого типа:

; (5)

б) для засыпного предохранителя:

. (6)

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

Важным показателем предохранителя является тепловая характеристика — интеграл квадрата тока в заданном интервале времени (джоулев интеграл). 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.

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. 5. Характеристики джоулевых интегралов предохранителей ПНБ-5.

Предохранители можно классифицировать по степени закрытия плавкой вставки на:

а) предохранители с открытой плавкой вставкой (применяются редко);

б) предохранители с полузакрытым патроном;

в) предохранители с закрытым патроном, - в которых отсутствует выброс пламени дуги при перегорании плавкой вставки.

Предохранители с закрытым патроном могут быть с наполнителем и без него. В предохранителях с наполнителем дуга гасится в порошкообразном наполнителе, а в предохранителях без наполнителя -

вследствие высокого давления газов в патроне.

Материалы для плавких вставок должны иметь малое удельное

сопротивление, небольшую температуру плавления и, кроме того, должны быть стойкими к окислению.

В современных предохранителях для плавких вставок обычно

применяются медь, цинк, серебро.

Медь по сравнению с цинком имеет малое удельное сопротивление, что позволяет применять плавкие вставки небольшого сечения. Однако медь имеет весьма высокую температуру плавления (около 1083С) и подвержена окислению.

Серебро, как и медь, имеет малое удельное сопротивление и, кроме того, не окисляется, что обусловливает высокую стабильность пограничных токов серебряных вставок. Температура плавления

серебра - 961С.

В предохранителях с медными или серебряными вставками при небольших токах перегрузки возможен значительный нагрев патрона предохранителя и его разрушение. Одним из способов снижения температуры плавления вставки является применение металлургического эффекта, когда на медную или серебряную вставку напаивают шарики из металла с низкой температурой плавления (олово, свинец). При нагреве от тока перегрузки шарик плавится и растворяет в себе металл вставки, что приводит в конечном счете к изменению сечения вставки и ее расплавлению в этом месте. Металлургический эффект способствует заметному снижению времени перегорания вставок при небольших токах перегрузки.

К достоинствам цинковых вставок следует отнести, помимо невысокой температуры плавления (419С), неизменность их сечения при эксплуатации.

Основными параметрами предохранителей являются:

а) I_{ном.патр.} - номинальный ток патрона - максимальный ток, при котором токоведущие и контактные части нагреваются не выше допустимой температуры;

б) I_{ном.вст.} - номинальный ток вставки - длительный рабочий ток, при котором плавкая вставка не должна перегорать;

в) I_{ном.откл}. - предельный ток отключения предохранителя.

Полное время отключения цепи предохранителем слагается из

времени нагрева вставки до плавления, времени перехода из твердого состояния в жидкое (плавление) и времени горения (гашения дуги):

t_откл. = t_нагр. + t_пл. + t_дуги.

Зависимость полного времени отключения цепи плавким предохранителем от тока называют времятоковой характеристикой, или защитной характеристикой.

Предохранитель будет защищать объект лишь в том случае, если его защитная характеристика располагается несколько ниже защитной характеристики, защищаемого объекта при любом значении тока в цепи (рис. 6).

1 - характеристика предохранителя;

2 - характеристика объекта.

Рис. 6. Защитные характеристики предохранителя и защищаемого объекта.

Крутизна защитной характеристики предохранителя определяет быстродействие срабатывания предохранителя а, следовательно, надежность защиты.

Величина тока, при котором вставка предохранителя не перегорает в течение длительного времени, называют пограничным током.

Номинальный ток плавкой вставки должен быть меньше пограничного тока.

Для обычных предохранителей отключение 5-10 - кратного тока

происходит примерно за время 0,5-0,1с, а 1,5-2 - кратного тока – за 20-50с.

Для цепей, требующих большего быстродействия защиты, созданы специальные быстродействующие предохранители (серия ПНБ), которые отключают 5-10 - кратный ток за время не более 0,01с, а 1,5-2 -кратный ток - за 10с.

В некоторых случаях требуется, наоборот, повышенная инерционность срабатывания предохранителя, например для защиты асинхронных двигателей с прямым пуском. Для таких цепей имеются специальные инерционные предохранители с двумя различными плавкими вставками, что обусловливает двухступенчатый вид защитной характеристики с различной крутизной.

Каждый тип предохранителя изготовляют на определенный номинальный наибольший ток, а плавкие вставки к нему, делают на несколько значений номинального тока. Так, например, предохранитель на номинальный ток 60А снабжают плавкими вставками на токи 15, 20, 25, 35, 45 и 60 А.

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.