Вивчення конструкції і дослідження роботи запобіжників Випробування топкої вставки

Мета роботи: вивчити конструкції запобіжників; побудувати ампер – секундну характеристику топкої вставки.

1. Загальні відомості

Топкий запобіжник – це пристрій для захищення електричного кола його розмиканням через руйнування спеціально призначеного для цього елемента під дією струму у разі перевищення ним визначеного значення протягом певного часу. Топкі запобіжники служать для захисту електроустановок від струмів КЗ і перевантажень.

Невід’ємною складовою частиною запобіжника є топкий металевий елемент (вставка у вигляді тонкої проволоки або пластинки спеціальної форми). Вставку вибирають з високою провідністю, щоб попередити надмірне падіння напруги на ній, і низькою температурою топлення. Вона включається послідовно в коло об’єкта, який потрібно захистити. При струмах КЗ вставка нагрівається до температури топлення металу і, розтоплюючись, розриває коло. Вставка повинна топитися за малий проміжок часу, щоб захистити електроустановку від небезпечних впливів великих струмів.

Осцилограма вимкнення кола топкою вставкою наведена на рис. 1.1.

Струм КЗ, який змінюється на початку топлення вставки приблизно по синусоїді, потім відхиляється від графіка синусоїди, як це зображено на рис. 1.1, досягає максимуму, що має назву піку струму топлення і спадає до нуля.

Рис. 1.1. Осцилограма відключення кола топкою вставкою

Різноманітні конструкції запобіжників в основному складаються з топкої вставки, контактного пристрою і корпусу. В багатьох конструкціях топка вставка розміщується всередині об’ємної трубки із ізоляційного матеріалу (фібри), армованої на кінцях контактними частинами. Ця трубка називається патроном. Для більш ефективного гасіння дуги, що утворюється при розтопленні топкої вставки, запобіжники роблять з спеціальним дугогасним пристроєм, для якого використовуються різноманітні дугогасні середовища (дрібнозернисті наповнювачі у вигляді кварцового піску і т.п.).

Основні характеристики топких запобіжників та топких вставок:

1. Номінальною напругою запобіжника називається напруга між виводами запобіжника, що дорівнює номінальній між фазній напрузі електричних мереж, для яких призначено запобіжник.

2. Номінальним струмом запобіжника називається найбільший допускний за умовами нагрівання частин запобіжника тривалий струм. Номінальний струм запобіжника збігається з номінальним струмом його топкої вставки

3. Номінальним струмом топкої вставки називається найбільший допускний щодо умов нагрівання частин топкої вставки тривалий струм у разі ї вставлення в контактах чи в призначеному для неї патроні.

4. Сподіваний струм – це струм, який проходитиме в колі, якщо запобіжник замінити провідником із незначним повним опором порівняно з опором у решті кола.

5. Сподіваний струм вимкнення – це сподіваний струм, визначений у момент часу, що відповідає моменту вимкнення дуги в запобіжнику під час його спрацювання.

6. Вимикаюча здатність (запобіжника) – це найбільше діюче значення періодичної складової сподіваного струму вимкнення, яку запобіжник здатний вимкнути за нормованих характеристик мережі.

7. Мінімальним струмом вимкнення (запобіжника) називається мінімальне чинне значення періодичної складової сподіваного струму вимкнення, яке запобіжник здатний вимкнути за нормованих характеристик мережі.

8. Одногодинний струм розтоплення запобіжника – це струм, походження якого через запобіжник протягом однієї години викликає розтоплення топкого елементу й значення якого відповідає нормованому.

9. Нижня межа одногодинного струму розтоплення – це найменше значення струму, що проходить через топку вставку, виражене в частках від її номінального струму, яке призводить до розтоплення топкого елементу за час, не менший від однієї години.

10. Переддуговий час – це інтервал часу між початком проходження струму достатнього, щоб розтопити топкий елемент, та моментом виникнення дуги.

11. Часом спрацювання (запобіжника) називається інтервал часу від початку проходження струму достатнього, щоб розтопити топкий елемент, до моменту остаточного згасання дуги.

12. Інтеграл Джоуля – це інтеграл квадрата струму, що проходить через запобіжник, протягом заданого інтервалу часу. Значення інтеграла Джоуля відповідає енергії, що виділяється у вигляді тепла на частині кола з резистансом 1 Ом. Розрізняють для топкої вставки такі значення інтеграла Джоуля: перед дуговий інтеграл Джоуля, який визначають за перед дуговий час, робочий – інтеграл Джоуля, який визначають за час спрацювання.

13. Ефективний час (еквівалентний час) – це час, що визначається відношенням інтеграла Джоуля до квадрата діючого значення періодичної складової сподіваного струму.

14. Примітка. Значення ефективного часу, яке звичайно зазначають для топкої вставки, є значенням перед дугового часу чи часу спрацювання.

15. Часо-струмова характеристика – це залежність значення ефективного часу від діючого значення періодичної складової сподіваного струму за певних умов роботи. Часо-струмові характеристики, які звичайно зазначають для топкої вставки, належать до перед дугового часу чи часу спрацювання.

16. Часо-струмова характеристика спрацювання (запобіжника) – це залежність ефективного часу спрацювання запобіжника від діючого значення періодичної складової сподіваного струму за певних умов.

17. Перед дугова часо-струмова характеристика запобіжника – це залежність ефективного часу від діючого значення періодичної складової сподіваного струму за певних умов.

18. Часо-струмова зона запобіжника – це зона міх найменшою перед дуговою часо-струмовою характеристикою та максимальною часо-струмовою характеристикою спрацювання запобіжника за певних умов.

19. Відновною напругою називається напруга, яка виникає між виводами запобіжника після розімкнення ним електричного кола. Відновну напругу розрізняють для двох інтервалів часу, перший з них – час наявності перехідної напруги, за яким настає другий, коли наявна тільки напруга промислової частоти, чи усталена відновна напруга.

При протіканні через вставку струму перевантаження І>>І_в вона нагрівається і розтоплюється, при цьому чим більша сила струму І, тим швидше розтопиться і розімкне коло. Час топлення вставки стає дуже малим при струмах КЗ.

Графічне зображення залежності часу топлення топкої вставки запобіжника від струму, що через неї проходить, називається часо-струмовою (захисною) характеристикою. Прийнято часо-струмові характеристики зображати у вигляді кривих, як це показано суцільною лінією на рис 1.2. На горизонтальній осі відкладемо відношення струму перевантаження або КЗ до номінального струму топкої вставки, а на вертикальній осі – час у секундах і хвилинах, протягом якого відбувається вимкнення. З характеристики рис. 1.2. можна побачити, що топка вставка вимикає двократний струм через 2,5 хв., п’ятикратний – через 0,9 с., стократний струм – через 0,008 с. і т. і.

Рис. 1.2. Часо-струмові характеристики запобіжників

При серійному виготовленні топких вставок їх часо-струмові характеристики займають смугу (на рис. 1.2. вона обмежена пунктирними лініями), що називається часо-струмовою зоною запобіжника або зоною топлення, або робочою зоною. Струм топлення і час топлення залежить від багатьох причин: матеріалу, площі поперечного перерізу і довжини вставки, стану поверхні і умов її охолодження, стану контактів запобіжника, температури навколишнього середовища і т. і.

Вимоги, що пред’являються до запобіжника:

1) не повинен довгочасно перегріватися вище допустимих для нього температур в умовах нормальної експлуатації;

2) не повинен вимикати електричну мережу при короткочасних (не дуже частих) перевантаженнях (пускові струми КЗ двигунів, струми самозапуску електроустановок при відновленні напруги, піки струмів зварювальних апаратів і короткочасних перевантажень технологічних машин і т.п.);

3) повинен вимикати електричну мережу при довготривалих перевантаженнях в електроустановках, де несподіване вимкнення менш небезпечне ніж загроза руйнування ізоляції; при цьому необхідно, щоб час відключення знаходився у зворотній залежності від перевантаження, тобто чим більше перевантаження за абсолютним значенням, тим швидше повинен спрацьовувати топкий запобіжник;

4) повинен у мінімальний час надійно вимикати електричну мережу (не руйнуючись сам) при появі струмів небезпечної для мережі величини (струмів КЗ);

5) не повинен змінювати своїх параметрів з часом (тобто не повинен старіти).

Матеріали топких вставок.

Топкі вставки виготовляють із міді, цинку, свинцю або срібла. Основні технічні дані цих матеріалів наведені в таблиці 1.1.

Срібло відрізняється від міді повною стійкістю до корозії, що дає гарантію від неправильних вимикань із-за окислення і дозволяє впевнено експлуатувати вставки із срібла при більш високих перегрівах, ніж для мідних вставок. Але срібло для топких вставок застосовується рідко внаслідок його дорожнечі.

Таблиця 1.1.

Матеріал топких вставок	Густина, кг/дм3	Температура топлення при нормальному тиску, °С	Електричний опір при 15 °С, Ом/мм2	Гранично допустима температура топкої вставки, °С
Мідь	8,93	1083	0,0135	250
Свинець	11,34	323	0,21	150
Цинк	3,1	419	0,06	200
Срібло	10,5	561	0,016… 0,0135	Залежить від конструкції запобіжника

Мідь має відносно малий електричний опір, питомі втрати в ній невеликі і тому при інших однакових умовах: однакових перерізах, однаковій густині струму – теплота, яка виділяється в міді топкої вставки, відносно мала. Температура топлення міді, навпаки, відносно велика і тому можна було б вставку з міді виконати малого поперечного перерізу, змушуючи її працювати при температурі більшій, ніж це вказано в таблиці 1.1. Маса металу в такій вставці була б мала – це суттєво підвищило б комутаційну здатність запобіжника. Однак таке виконання вставки не може бути реалізовано внаслідок таких обставин:

1) при більш високій температурі мідна топка вставка окислюється, струмоведучий переріз протягом часу зменшується, контакти погіршуються і перегрів починає наростати аж до топлення вставки при струмі, меншому за номінальний.

2) при більш високій температурі топкої вставки неприпустимо підвищується перегрів патрона і контакту запобіжника, а також може підвищитися температура сусідніх частин обладнання. Найвищий допустимий стандартами перегрів контактів запобіжника над температурою середовища дорівнює 80 °С, а перегрів гвинтів для приєднання зовнішніх провідників визнаний рівним 55 °С. Для того, щоб перегрівання контактів не перевищували прийнятих стандартами значень, необхідно, як це встановлено практикою, щоб перегрів самої топкої вставки в умовах нормальної експлуатації не був вищий 250 °С.

Покращення характеристик мідних топких вставок досягається втопленням олов’яної кульки в середину вставки. Олово, топиться при температурі 232°С, яка значно менша, ніж температура топлення міді, і розчиняє мідь вставки в місці зіткнення з нею. Дуга, яка з’являється при цьому, розтоплює всю вставку і гасне. Електричне коло розривається. Цей ефект називається металургійним.

Таким чином, накрапляння олов’яної кульки приводить до того, що мідні вставки, по-перше, реагують з витримкою часу на такі малі перевантаження, на які вони при відсутності розчинника зовсім не реагували б. Наприклад, мідний дріт діаметром 0,25 мм із розчинником топиться при температурі 280°С за 120 хв. По-друге, при одній і тій же достатньо великій температурі (тобто при однаковому навантаженні) вставка з розчинником реагує набагато швидше, ніж вставка без розчинника.

Застосування олов’яного розчинника дозволяє одержати надійні і дешеві мідні вставки, які працюють при порівняно низькій експлуатаційній температурі і мають відносно малий об’єм і масу металу, і в той же час мають велику швидкодію при великих перевантаженнях і реагують з витримкою часу на відносно малому перевантаженні.

До числа недоліків вставок з розчинником потрібно віднести застосування їх в колах з малими струмами, а також експлуатаційні незручності, пов’язані з розкидом характеристик.

Свого часу свинець застосовували для топких вставок. Він добре протистоїть корозії, має малу температуру топлення. Однак маса металу в свинцевій вставці виходить дуже велика, так як електричний опір свинцю в 12 разів більший, ніж міді, що при великій температурі вставки приводить до недопустимого перегріву патронів і контактів. Необхідно знижувати експлуатаційну температуру вставки до значення не більше 150°C, що приводить до необхідності ще більше знижувати густину струму, тобто ще більше збільшувати переріз і масу металу вставки. В результаті маса свинцевої вставки (враховуючи більшу густину свинцю) стає в десятки разів більшою маси мідної вставки. Швидке розтоплення або розрив такої маси свинцю струмом КЗ супроводжується виділенням великої кількості енергії, яку патрон запобіжника не в змозі поглинути і розсіяти. Такі запобіжники виявляються малостійкими до струмів КЗ.

Цинк частіше використовується для виготовлення топких вставок. Вставки з цинку стійкі проти корозії, тому, не зважаючи на відносно малу температуру топлення, для них можна допустити таку ж граничну температуру, як і для міді (250 °С). Але електричний опір цинку у 3-4 рази більший, між міді. Щоб зберегти ту ж температуру вставки, потрібно зменшити втрати енергії в ній, тобто відповідно збільшити її переріз. Вставка виходить значно більшою, масивнішою, ніж при інших рівних умовах, що приводить до зниження комутаційної здатності запобіжника. Крім того, при масивній вставці з температурою 250 °С не вдалося б у тих же габаритах утримати на допустимому рівні температуру патрона і контактів. Усе це змушує знизити граничну температуру цинкових вставок до 200 °С, а для цього потрібно ще більше збільшити переріз вставки. Радикальний вихід – обладнання ступінчатих вставок, тобто вставок із перешийками.

Конструкція топких вставок. Щоб зменшити об’єм розтопленого металу і збільшити швидкодію КЗ, топкі вставки роблять з декількома паралельними витками. При цьому поліпшуються умови охолодження вставки, краще використовується весь об’єм патрона для розсіювання енергії дуги, зменшується об’єм металу як в окремих витках, так і в усій вставці в цілому, поліпшуються умови гасіння дуги і т. і.

У топких вставках звичайно роблять два або більше вузьких коротких перешийки. При КЗ вони мають значний опір і обмежують силу струму, зменшують час вимкнення і збільшують вимикальну здатність. Через те, що дуги виникають перш за все по черзі на перешийках, які мають великий опір, а не зразу на всій довжині і по всьому перерізу вставки, то це зменшує перенапругу, яка звичайно виникає під час швидкого топлення вставки і нагрівання запобіжника. Навпаки, при малих струмах перевантаження, тобто при відносно великих періодах топлення, температура коротких перешийків завдяки інтенсивному відводу теплоти зрівнюється з температурою решти вставки і перешийки практично не зменшують бажану витримку часу дії запобіжника.

Конструкція запобіжників. По конструкції запобіжники можуть бути розділені на такі основні групи:

1) відкриті;

2) відкриті трубчаті;

3) закриті без наповнювача;

4) відкриті з наповнювачем.

Відкриті топкі запобіжники виготовляються як відкриті одиночні дроти, які закріплені між стійками, або ж конструкції, які складаються з декількох паралельних дротів, припаяних до плоских наконечників.

У відкритих трубчатих запобіжниках топкі вставки у вигляді дротів розташовуються всередині фарфорових трубок, відкритих з обох сторін. Трубки мають на кінцях контактні пластини (ножі). Ножі вставляються в пружинячи контактні стійки. При КЗ дуга викидається в обидва отвори трубки. Гасінню дуги сприяє потік газів і охолодження стінками трубки.

Запобіжники відкритого типу мають невелику вимикальну здатність (менш 5 кА при напрузі 380 В) і внаслідок викиду розтопленого металу і розжарених газів із відкритих кінців трубки при перегоранні топкої вставки небезпечні в експлуатації, тому в сучасних розподільчих пристроях їх застосування неприпустиме.

Запобіжники з закритим патроном без наповнювача серії ПР виготовляють на напругу 220… 500 В з номінальними значеннями постійного і змінного струмів 15… 1000 А.

Патрон запобіжника серії ПР (рис. 1.3) складається з товстостінної фібрової трубки 1, на кінцях якої щільно насаджені латунні втулки 2, що охоплюють трубку для запобігання її розриву.

На втулки нагвинчуються ковпаки 3, які закріплюють топку вставку 4, пригвинчену до ножів 5. Шайби 6 захищають топкі вставки від обриву при нагвинчуванні на втулки 2 ковпаків 3.

Вставка зроблена з листового цинку. Вона має два перешийки при коротких патронах і чотири – при довгих. Мідні вставки без розчинника не можна застосовувати в патронах з фібровими трубками, оскільки при мідних вставках температура всередині трубки може досягати 1080°С, що приводить до обвуглювання внутрішньої поверхні трубки.

Рис. 1.3. Конструкція запобіжника ПР-2

Гасінню дуги в запобіжниках ПР сприяє виділення газів фібровою трубкою, які, входячи в стовп дуги, деіонізують його, а також створюють підвищений тиск у патроні. При великих струмах тиск досягає значної величини (до 150 атм.). У цьому випадку немає небезпеки прояву затяжної дуги. Головна небезпека – розрив патрона.

Запобіжники ПР застосовуються в електроустановках, де в результаті недостатньо високого рівня технічної експлуатації ще не отримали широкого розповсюдження запобіжники з наповнювачами. Запобіжники ПР широко застосовувалися до недавнього часу у поверхневих і підземних електроустановках, ручних і магнітних пускачах і т. п.

Пробочні запобіжники без наповнювача випускаються на струми до 60А і напруги до 600 В. Вимикальна здатність їх складає близько 1 … 2 кА. Пробочні запобіжники застосовуються в освітлювальних електричних колах, установках зв’язку і сигналізації, колах постійного струму при невеликій їх потужності і т.п.

Запобіжники з закритим патроном з наповнювачем серії ПН на струми 100… 1000 А і напругу 500 В змінного струму призначені для силових електроустановок і мають конструкцію, зображену на рис. 1.4. Корпус запобіжника 1 виготовляється з міцного фарфору. Всередині корпусу розміщені стрічкові топкі вставки 2 і наповнювач (кварцовий пісок). Зовні корпус має форму квадрата. Топкі вставки приварюються до диска 4, якій має кріпитися до пластини 5, що зв’язані з ножовим контактом 9. Пластини 5 кріпляться на корпусі гвинтами, які закручуються в отвори з різьбою.

Для зниження температури топлення вставки на звужені ділянки 8 наносять олов’яні кульки. Для герметизації патрона під пластини 3 кладеться азбестова прокладка 6, що зберігає пісок від вологості. Патрон наповнюється кварцовим піском (не менш 98 % і розмірами зерен 0,2… 0,4 мм). Чим більша вимикальна здатність струму, тим меншими повинні бути зерна. Вологість піску повинна бути не більш 3 %.

Топкі вставки з листового матеріалу виконуються у вигляді смужок шириною 2… 6 мм з вузькими перешийками, ширина яких дорівнює 0,4… 0,6 мм. Кількість перешийків від 1 до 5. Велику кількість перешийків роблять для більш рівномірного розподілу тиску по осі патрона в запобіжниках з особливо високою вимикальною здатністю. Вона потрібна ще і для затримання зростання струму після появи дуги, яка виникає при великих струмах КЗ. Чим більша товщина плоскої або діаметр круглої вставки, тим більшими повинні бути зерна наповнювача. Як наповнювач, крім кварцового піску, застосовують різні за характером і ступенем подрібнювання дугогасні порошки з крейди, гіпсу, азбесту і т. п.

Рис.1.4 Конструкція запобіжника ПН-2

Патрони запобіжників завжди виробляються з фарфору, стеатину або із склотканини, просоченої теплостійким лаком. Бувають конструкції з патронами із скла з низьким коефіцієнтом лінійного розширення для недопущення розтріскування або руйнування патрона при місцевих перегрівах, можливих у момент топлення вставки. Останнім часом розроблена конструкція патрона, при виготовленні якого топка вставка з наповнювачем, скріпленим зв’язуючим складом, заливається пластмасою, що утворює корпус патрона. Гранична вимикальна здатність запобіжників з наповнювачем доведена до 80 кА.

Вибір топких вставок. Практикою встановлено наближене правило, згідно з яким тривала без хибних вимикань експлуатація запобіжника можлива в тому випадку, коли пускові струми не перевищують приблизно половини струму топлення.

Струм топлення визначається за часо-струмовою характеристикою. Наприклад, відомо, що пік навантаження або пусковий струм триває більше 1с. Тоді для запобіжників серії ПН-2 знаходимо, що струм, здатний розтопити вставку за 1 с, приблизно в 5 разів більше від номінального струму вставки : І_пл > 5 І_в.ном. Звідси на підставі вказаного правила отримуємо :

І_пуск=0,5 І_пл=3,5·І_ном

Інакше кажучи:

І_в.ном = І_пуск/2,5

Аналогічно неважко встановити значення номінального струму вставок при іншій тривалості піку навантаження.

Наприклад, при тривалості піку навантаження 3,5 с.:

І_в.ном = І_пуск/2

Для тривалості піку навантаження приблизно 20 с (час розгону спарених вентиляторів часткового провітрювання і подібних механізмів):

І_в.ном =І_пуск/1,5

На практиці, коли не мають ні точних знань тривалості розгону або графіків роботи установки, ні точної часо-струмової характеристики запобіжника, потрібно користуватися наступним:

а) для захисту відгалужень до окремих двигунів при невеликій частоті тривалості пусків, як, наприклад, у вентиляторів часткового провітрювання, стаціонарних водовідливних установок і подібних механізмів:

І_в.ном =І_пуск/2,5,

а при великій частоті пусків або при великій їх тривалості, як, наприклад, у двигунів маневрових лебідок та інших механізмів повторно-короткочасного режиму

І_в.ном =І_пуск/(1,6-20)

б) для захисту ліній, які живлять більше одного двигуна

І_в.ном =(І_о+І_пуск.max)/2,5,

де І_пуск.max ‑ найбільший пусковий струм;

І_о – сума номінальних струмів усіх двигунів крім того двигуна, у якого пусковий струм є найбільшим.