Апарати захисту- запобіжники: призначення, будова, основні технічні характеристики сучасних апаратів

Запобіжник - електричний апарат, що виконує захисну функцію. Запобіжник захищає електричний ланцюг і її елементи від перегріву і загоряння при протіканні струму високої сили. У ланцюзі позначається літерами «FU» і прямокутником із суцільною лінією в центрі.

Запобіжники знаходять саме широке застосування при експлуатації електрообладнання як побутового, так і промислового застосування. Запобіжники можуть вбудовуватися в комплектні пристрої. Випускаються промисловістю запобіжники розраховані на застосування в різних кліматичних поясах, розміщення в місцях з різними умовами експлуатації, на роботу в умовах, різних за механічним впливам, і володіють різним ступенем захисту від дотику і від зовнішніх впливів. Запобіжники виготовляються для різних робочих напруг, з плавкою вставкою, вставки можуть бути нерозбірними, з різними наповнювачами [20, c. 87].

Запобіжники можна розділити на групи: загального застосування, супутні, для захисту силових напівпровідникових приладів (швидкодіючі), для трансформаторних установок, низьковольтні.

Розглянемо їх призначення.

Запобіжники загального застосування - використовуються для захисту силових споживачів електроенергії з високою електротермічної та електродинамічної стійкістю (електродвигунів, трансформаторів, внутрішньоцехових електромереж тощо) і відключають всі струми: від прикордонного струму до струму найбільшою відключає здібності, мають плавкі до ставок типу g - з відключає здатністю в повному діапазоні струмів відключення.

Запобіжники супутні - застосовуються спільно з автоматичними вимикачами або тепловими реле; повинні відключати ланцюг лише при великих струмах, при цьому або обмежити струм до допустимого значення для вимикачів, або відключити ланцюг раніше, ніж розійдуться контакти вимикача; використовуються плавкі вставки типу а - з відключає здатністю в частині діапазону струмів відключення (малі струмові перевантаження відключають автоматичні вимикачі або теплове реле).

Запобіжники для захисту СПП відрізняються високими швидкодіючими і струмообмежувальні здібностями, тому що напівпровідникові прилади термічно малостійкі [17, c. 43].

Запобіжники для трансформаторних установок - відрізняються від звичайних підвищеною вібро-і ударостійкістю.

Запобіжники низьковольтні плавкі - комутаційні електричні апарати, призначені для відключення захищається ланцюга за допомогою руйнування спеціально передбачених для цього струмоведучих частин під впливом струму, що перевищує певне значення.

Швидкодіючі запобіжники в основному застосовуються для захисту напівпровідникових приладів. Мала теплова інерція, швидкий прогрів напівпровідникового переходу вкрай ускладнюють захист потужних діодів, тиристорів і транзисторів при струмових перевантаженнях. Звичайні типи запобіжників і автоматичних вимикачів з-за відносно великого часу спрацьовування не забезпечують захист напівпровідникових приладів при короткому замиканні. Для виконання цього завдання розроблено спеціальні швидкодіючі запобіжники: типу ППОС; типу ПП.

Технічні характеристики

Склад технічних характеристик запобіжників, плавких вставок і власників встановлюється у стандартах на конкретні серії і типи запобіжників і повинен відповідати наступного переліку (ГОСТ 17242-86) [6, c. 38]:

- Для власника (або підстави) запобіжника: номінальна напруга; номінальний струм; рід струму та номінальна частота для змінного струму; допустимі втрати потужності, а число полюсів, якщо їх більше одного;

- Для плавкою вставки: номінальна напруга; номінальний струм; рід струму та номінальна частота для змінного струму; втрати потужності; времятоковие характеристики для плавких вставок типу а; перевантажувальна здатність; діапазон струмів відключення; найбільша відключає здатність; найменший струм відключення для плавких вставок типу а ; характеристика пропускається струму; характеристики інтегралів Джоуля; умови селективності (при необхідності); електричний опір плавкою вставки в холодному стані (допускається вказати в робочих кресленнях, затверджених у встановленому порядку);

- Для запобіжника: ступінь захисту за ГОСТ 14255-69; номінальну напругу, номінальний струм і комутаційна здатність вільних контактів (при їх наявності).

Номінальна напруга запобіжників з плавкими вставками a і g слід вибирати з ряду [12, c. 87]:

110; 220; 440 В-для постійного струму;

220; 380; 660 В-для змінного струму.

Номінальна напруга вільних контактів вибирають з ряду:

110, 220 В-для постійного струму;

220; 380 В-для змінного струму.

Номінальна частота струму запобіжників повинна відповідати ГОСТ 6697-83 [7, c. 32].

Номінальний струм запобіжника при верхньому робочому значенні температури повітря повинен відповідати ГОСТ 6827-76.

Номінальні струми вибираються з ряду [1, c. 87]:

для власників (або підстави) запобіжника - 10; 25; 31,5; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500 А;

для плавких вставок - 2; 4; 6,3; 10, 16: 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500 А.

Розглянемо технічні характеристики запобіжників.

Номінальний струм запобіжника - струм, обумовлений його теплофізичними і геометричними параметрами. Встановлюється з обліку перевищення температури на висновках і втрат потужності. Величина його визначається номінальним струмом встановленої в ньому плавкою вставки I в.ном; виражається при змінному струмі - діючим значенням періодичної складової струму синусоїдальної форми номінальної частоти, при постійному струмі - середньому значенням і відповідає ГОСТ 6827-76.

Номінальний струм власника (або підстави) запобіжника являє собою найбільший номінальний струм плавкої вставки, яка може бути використана в запобіжнику.

Струм неплавлення - задане значення струму, яке плавка вставка запобіжника здатна пропускати протягом умовного часу, не розплавляючись.

Умовний струм неплавлення - характеризується ставленням струму неплавленія до номінального струму плавкої вставки.

Струм плавлення - найбільший струм, при якому плавка вставка не перегорає протягом тривалого часу (при струмах, що перевищують струм плавлення, плавка вставка повинна перегоріти в найкоротший час).

Умовний струм плавлення - заданої значення струму, при якому спрацьовує плавка вставка запобіжника протягом умовного часу.

Очікуваний струм в ланцюзі - струм, який буде протікати в ланцюзі, якщо встановлений в ній плавкий запобіжник замінений перемичкою з незначним повним опором.

Пропускається струм - максимальне миттєве значення струму, досягнуте при спрацьовуванні запобіжника.

Прикордонний струм - струм, при якому усталеною температурою найбільш нагрітого ділянки плавкої вставки є температура плавлення матеріалу плавкою вставки [19, c. 34].

Номінальна напруга запобіжника - максимальна напруга електричного кола (діюче значення), при якому забезпечується надійне відключення запобіжників цього ланцюга.

Номінальна напруга запобіжника є найменше значення з номінальних напруг його частин: утримувача запобіжника і плавкої вставки. На змінному струмі номінальна напруга запобіжника виражається діючим значенням періодичної складової струму синусоїдальної форми номінальної частоти, при постійному струмі при наявності пульсації - середнє значення.

Напруга відключення - миттєве значення напруги, яке з'являється на висновках плавкою вставки (або запобіжника) в процесі його спрацьовування. Зазвичай враховується найбільше значення цієї напруги. Вимірюється: в колі змінного струму - між піком другий напівхвилі напруги після відключення і прямою лінією, проведеною між піками попередньої і наступної півхвиль; в ланцюзі постійного струму - як середнє значення протягом 100 мс після вимкнення струму.

Час плавлення плавкого елемента запобіжника - інтервал часу від моменту початку перебігу надструму через запобіжник до моменту досягнення найбільш нагрітого ділянки плавкого елемента температури плавлення матеріалу. При цьому мається на увазі, що Надструм має таке значення, якого досить для розплавлювання плавкого елемента.

Преддуговое час запобіжника - час між початком протікання струму, достатнього для розплавлення плавкого елемента, і моментом виникнення електричної дуги [22, c. 34].

Час дуги - інтервал часу між моментом появи дуги і моментом її остаточного згасання.

Час відключення запобіжника (повний час) - сума преддугового часу і часу дуги.

Втрати потужності при номінальному струмі - твір номінального струму на падіння напруги в запобіжнику. Зниження цього параметра збільшує термін служби запобіжників, заощаджує енергію і запобігає тепловий вплив запобіжників на перебувають поблизу елементи управління. Крім того, цей параметр є важливим показником стану запобіжника в процесі експлуатації: підвищення втрат потужності навіть на кілька відсотків свідчить про початок руйнування плавких елементів запобіжника.

Характеристики енергетичного впливу струму, що протікає через запобіжник

Времятоковая преддуговая характеристика - залежність преддугового часу (або повного часу спрацьовування) запобіжника від очікуваного струму відключення при встановлених умовах.

Времятоковая характеристика плавлення плавкою вставки - залежність часу плавлення плавкою вставки від очікуваного струму відключення при встановлених умовах [15, c. 54].

Времятоковая характеристика відключення запобіжника - залежність часу відключення запобіжника від струму відключення при встановлених умовах.

Інтегральна характеристика запобіжника - залежність інтегралів преддугового (або повного) струму від очікуваного струму.

Характеристика токоограніченія запобіжника - залежність пропускається струму від струму відключення запобіжника при встановлених умовах.

Времятокові характеристики - характеристики токоограніченія та інтегральна характеристика представляються у вигляді графіків з логарифмічним масштабом.

Плавкі елементи постійного перетину звичайно виготовляються з дроту, а змінного - з металевої фольги або тонкої металевої плівки. Зазвичай конструкції плавкого елемента змінного перерізу включають в себе звуження (вузькі перешийки) з підвищеною щільністю струму і широкі частини, що забезпечують певні теплові режими плавкого елемента. Ставлення поперечного перерізу широкої частини плавкого елемента до поперечного перерізу вузького перешийка визначає вид захисної характеристики (для швидкодіючих запобіжників це відношення більше 5, для інерційних та нормального швидкодія - менше 5).

Якість запобіжників в значній мірі залежить від значень перехідного електричного опору - при поганому контакті з'єднання плавкого елементу з контактами плавкої вставки перехідний опір може досягати 50% електричного опору плавкого елемента, що призводить до перегріву запобіжника в номінальному режимі роботи і скорочення терміну його служби [11, c. 39].

Всі плавкі елементи запобіжників з великими номінальними струмами приєднуються до контактних висновків зварюванням, забезпечує хорошу якість контактних з'єднань.

Для запобіжників з малими номінальними струмами використовується іноді пайка м'якими припоями, але частіше - механічне обтиснення.

У розбірних запобіжниках плавкий елемент з'єднаний з висновками плавкою вставки болтовим затиском.

Найбільш підходящим матеріалом для плавкого елемента є срібло, тому що воно має високу та стабільну електричну провідність. Плавкі елементи зі срібла мають максимальний у порівнянні з усіма іншими використовуваними металами термін служби. Срібло володіє фізичними властивостями, позитивно впливають на захисні характеристики запобіжників, низькі значення питомої теплоємності, питомої теплоти плавлення випаровування, високий потенціал іонізації. Срібло володіє хорошими технологічними властивостями: легко піддається точній штампування, зварювання і пайку, не вимагаючи при цьому попередньої обробки [6, c. 26].

Найбільш близькими до срібла електрофізичними властивостями володіє мідь, завдяки чому вона також широко використовується у виробництві запобіжників. Однак мідь інтенсивно окислюється, а її окис стабільна аж до температури плавлення міді. Завдяки своїй стабільності плівка могла б бути захисною, якби не механічні напруги, які виникають при зміні температури і перешкоджають адгезії плівки до чистого металу. Внаслідок впливу цих сил оксидна плівка міді розтріскується і відшаровується, полегшуючи тим самим подальший розвиток корозійних процесів. Великого поширення в якості матеріалу плавких елементів отримує алюміній. Електричний опір алюмінієвих плавких елементів стабільно при тривалому протіканні номінального струму, що обумовлено наявністю тонкої оксидної плівки, що захищає метал від подальшого окислення і не руйнується при нагріванні до температури плавлення. Проте саме наявність цієї плівки ускладнює процеси паяння та зварювання алюмінієвих плавких елементів.

З інших металів, що застосовуються для виготовлення плавких елементів, слід зазначити цинк. Він має низьку температуру плавлення, що переважно для плавкого елемента, оскільки при цьому значно знижуються вимоги до термостійкості інших елементів конструкції. Теплофізичні характеристики цинку забезпечують досить низьке значення інтеграла плавлення [10, c. 38].

Конструкція контактів запобіжника повинна забезпечувати міцне утримання плавкої вставки від переміщення її під дією власної ваги і електродинамічних сил, що виникають при струмах перевантаження і КЗ, а також механічних впливах. При цьому не повинен порушуватися електричний контакт між основою і утримувачем плавкої вставки, утримувачем плавкою до ставок і плавкою в ставкою, плавкою вставкою і підставою.

Основні розміри висновків запобіжників повинні відповідати ГОСТ 21242-75. Вони повинні допускати приєднання зовнішніх проводів та кабелів з діапазоном перетинів, встановлених ГОСТ 12434-83.

Будова і принцип дії

Запобіжники бувають плавкими (одноразовими) і автоматичними (багаторазові).

Плавкий запобіжник (рис. 1) зазвичай представляє з себе скляну або фарфорову оболонку, на підставах якій розташовуються контакти, а всередині знаходиться тонкий провідник з відносно легкоплавкого металу. Певною силі струму спрацьовування відповідає певна поперечний переріз провідника. Якщо сила струму в ланцюзі перевищить максимально допустиме значення, то легкоплавкий провідник перегрівається і розплавляється, захищаючи ланцюг з усіма її елементами від перегріву і спалаху.

Лампи розжарювання постачають плавкими запобіжниками для запобігання перевантаження живильного ланцюга у разі виникнення електричної дуги в момент перегорання лампи. Запобіжником у лампі служить ділянку одного з вступних провідників, розташованих у цоколі лампи. Ця ділянка має менший переріз в порівнянні з рештою довжиною дроту; в лампах з прозорою колбою це можна помітити, розглядаючи лампу на просвіт. Для 220-вольтів побутових ламп запобіжник звичайно розрахований на струм 7 А.

Суттєвою величиною є час, за який відбувається руйнування провідника при перевищенні встановленого струму. З метою зменшення цього часу деякі плавкі запобіжники містять пружину попереднього натягу. Ця пружина також розводить кінці зруйнованого провідника, запобігаючи виникненню дуги [13, c. 65].

Автоматичний запобіжник (рис. 2) (правильна назва: Автоматичний вимикач, також називається «автомат захисту», «захисний автомат» або ж просто «автомат») складається з діелектричного корпусу, всередині якого розташовуються рухомий і нерухомий контакти. Рухомий контакт подпружінена, пружина забезпечує зусилля для швидкого розчеплення контактів. Механізм розчеплення приводиться в дію одним з двох расцепителей: тепловим або електромагнітним.

• Тепловий розчіплювач представляє собою біметалічну пластину, що нагрівається струмом, що протікає. При протіканні струму вище допустимого значення біметалева пластина згинається і приводить в дію пружину, відводять рухливий контакт, розриваючи тим самим електричний ланцюг. Час спрацьовування залежить від струму (час-струмовий характеристика) і може змінюватися від секунд до години. Мінімальний струм, при якому має спрацьовувати теплової розчепитель, становить 1,45 від номінального струму запобіжника. На відміну від запобіжником, автоматичний запобіжник готовий до наступного використання після остигання пластини [10, c. 87].

• Магнітний (миттєвий) розчепитель являє собою соленоїд, рухливий сердечник якого приводить в дію пружину, відводять рухливий контакт. Струм, що проходить через автоматичний вимикач, тече по обмотці соленоїда і викликає втягування осердя при перевищенні заданого порогу. Миттєвий розчепитель, на відміну від теплового, спрацьовує дуже швидко (частки секунди), але при значно більшому перевищенні струму: у від 6 і більше разів від номінального струму, в залежності від типу (автоматичні вимикачі діляться на типи A, B, C і D в залежності від характеристики спрацьовування расцепителей).

Основними частинами запобіжника є плавка вставка та підставу для її установки.

Плавка вставка - частина запобіжника, в якій відбувається відключення електричного струму, що підлягає заміні після спрацьовування запобіжника. Вона являє собою корпус, в якому розташований плавкий елемент, розплавляються при спрацьовуванні запобіжника, і дугогасительноє пристрій, що є наповнювач, для гасіння виникає при перегорянні плавкого елемента електричної дуги.

Тримач плавкої вставки - знімна частина запобіжника, призначена для утримання його плавкої вставки. Контакти плавкої вставки - струмовідні частини, що забезпечує електричну зв'язок контактів плавкою вставки з підвідними провідниками. Тримач запобіжника - поєднання підстави запобіжника з власником плавкої вставки. Блок запобіжників - механічний пристрій у конструкції плавкої вставки запобіжника, яке при спрацьовуванні запобіжника звільняє енергію, необхідну для спрацьовування інших апаратів (або покажчиків) або для впливу на вільні контакти запобіжника.