Предохранители

Содержание:

  1. Введение
  2. Устройство и принцип работы
  3. Основные электрические характеристики
  4. Маркировка предохранителей
  5. Выбор плавкого предохранителя
  1. Введение

Любая электрическая сеть, а так же электрическое оборудование нуждаются в защите от так называемых сверхтоков, т.е. токов короткого замыкания и перегрузки. Наиболее простым и дешевым вариантом решения данной проблемы являются плавкие предохранители (далее — предохранители).

Предохранитель — это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенную величину. (ГОСТ 17703-72, п.25)

Таким образом, как следует из определения, предохранитель — это аппарат имеющий в в своем составе специально предусмотренную токоведущую часть — плавкий элемент, через который проходит электрический ток от источника питания к потребителю и в случае превышения величины данного тока сверх заданного значения, под его воздействием, плавкий элемент разрушается тем самым разрывая электрическую цепь, чем предотвращает повреждения защищаемой электрической цепи и электрооборудования.

То есть предохранитель является одноразовым аппаратом, в отличие от автоматического выключателя, после срабатывания, его невозможно включить. Повторно использовать его можно лишь после замены так называемой плавкой вставки в состав которой и входит вышеназванный плавкий элемент.

В зависимости от назначения предохранители могут иметь различные виды исполнений:

типы плавких предохранителей

  1. слаботочные вставки (для защиты небольших электроприборов до 6 ампер)
  2. вилочные (для защиты электрических цепей автомобилей)
  3. пробковые (встречаются в жилом секторе, до 63 ампер)
  4. ножевые (до 1250 ампер)
  5. кварцевые
  6. газогенерирующие
  1. Устройство и принцип работы

Устройство и принцип работы всех плавких предохранителей аналогичны и имеют лишь небольшие различия в зависимости от условий эксплуатации и параметров сети для защиты которой они предназначены. Здесь же мы рассмотрим устройство предохранителя ножевого типа.

устройство предохранителя ножевого типа

Контактные ножи механически и электрически соединяют плавкую вставку с держателем-основанием предохранителя. Они изготавливаются из меди или медного сплава с покрытием из олова или серебра и необходимы для включения предохранителя в электрическую цепь путем их установки в специальные держатели.

Индикатор (указатель) срабатывания позволяет быстро выявлять сгоревшие предохранители. При повышенной жесткости пружины индикатора он также может служить ударным сигнализатором для приведения в действие микропереключателей — для включения цепей сигнализации и управления, или разъединителей — для отключения питания всей сети с целью предотвращения ее работы в неполнофазном режиме (на двух фазах), что необходимо для защиты некоторых типов электрооборудования, например электродвигателей.

Защитные крышки имеют планки для захвата унифицированными рукоятками — специальным приспособлением для снятия и установки предохранителей. Вместе с керамическим корпусом они создают взрывонепроницаемую оболочку для коммутационной электрической дуги.

Плавкий элемент выполняется в виде перфорированной ленты из меди или серебра. Конфигурация плавкого элемента может быть различной и определяется номинальным током и напряжением. Число мест перфорации (сужений) определяется рабочим напряжением предохранителя исходя из правила – одно сужение ~ 100 В рабочего напряжения.

Керамический изолятор препятствует выходу горячих газов и жидкого металла в окружающую среду. Он изготавливается из высокосортной технической керамики и должен выдерживать при отключении очень высокие температуры и внутреннее давление.

Оловянный припой наносится в виде шарика на плавкую вставку и является своего рода металлическим растворителем меди. Вставка плавится в олове при меньшем значении тока и при температуре в 2 — 3 раза меньшей, чем температура плавления самой меди.  Наличие такого оловянного шарика улучшает защиту, обеспечиваемую предохранителем, от перегрузок.

Кварцевый песок — выполняет роль дугогосящей среды. В момент срабатывания предохранителя (перегорания плавкой вставки) может возникнуть дуговой разряд, так называемая электрическая дуга, этот разряд ионизирует воздух (газ) внутри предохранителя, что в свою очередь поддерживает горение дуги. Пока горит дуга через предохранитель течет ток. Именно кварцевый песок препятствует образованию дуги и делает невозможным ее горение, сплавляясь с материалом плавкого элемента, песок образует стеклоподобный материал — фульгурит, который обеспечивает надежный разрыв электрической сети в силу своих высоких изоляционных свойств.

Кварцевый песок не используется в слаботочных (вилочных, пробковых) предохранителях так как образование дуги в них невозможно.

Как уже было сказано выше принцип работы всех предохранителей аналогичен. Предохранитель, а если быть точнее его плавкая вставка, специально рассчитываются таким образом, что является самым слабым участком в защищаемой им электрической цепи. В случае возникновения аварийного режима (короткого замыкания или перегрузки) плавкая вставка перегорает, тем самым разрывая цепь и предотвращая последующее разрушение более ценных элементов электрической цепи высоким током аварийного режима (сверхтоком).

  1. Основные электрические характеристики

таблица характеристик предохранителей

  1. Номинальное напряжение Un – напряжение, при котором гарантируются параметры отключения.
  2. Номинальный ток In – значение тока, который плавкий предохранитель может длительное время проводить в установленных условиях без повреждений.
  3. Предельная отключающая способность – максимальный ожидаемый ток короткого замыкания, который способен отключить плавкий предохранитель без разрушения.
  4. Интеграл Джоуля I2t – характеристика плавкого предохранителя, определяющая количество энергии, которую способен пропустить через себя плавкий предохранитель до момента отключения тока короткого замыкания.

Применительно к плавкому предохранителю стандарт определяет характеристику I2t (см. рис. 2) как кривую, дающую максимальное значение I2t как функцию ожидаемого тока в указанных условиях эксплуатации.

Характеристика интеграла Джоуля
Рис. 2 – Характеристика интеграла Джоуля

I2t определяет количество энергии, прошедшей через плавкую вставку при испытаниях на условный ток короткого замыкания. Характеристика позволяет комплексно оценить коммутационную стойкость устройства при прохождении через него определенного количества энергии.

  1. Потери мощности – произведение падения напряжения на номинальный ток при установившемся тепловом состоянии.
  2. Температурная зависимость тока срабатывания (см. рис. 3).

Если плавкие вставки предназначаются для длительной работы с полной нагрузкой при средней температуре окружающего воздуха, может потребоваться снижение их номинального тока. Коэффициент такого снижения оговаривается производителем в эксплуатационной документации с учетом всех условий эксплуатации.

Температурная зависимость номинального тока плавкого предохранителя
Рис. 3 – Температурная зависимость номинального тока плавкого предохранителя

Повышение средней температуры окружающего воздуха приводит к сравнительно небольшому увеличению температуры перегрева.

Повышение средней температуры окружающего воздуха приводит к некоторому, обычно незначительному, уменьшению условных токов плавления и неплавления.

Если повышение средней температуры воздуха, окружающего плавкую вставку, вызывается пуском двигателя, то не следует уменьшать номинальный ток этой вставки.

  1. Характеристика диапазона отключения.

Наиболее важной и информативной характеристикой плавкого предохранителя является характеристика диапазона отключения плавкой вставки (время-токовая характеристика) (см. рис. 4), которая представляет собой кривую зависимости фактического времени срабатывания от ожидаемого постоянного/переменного тока в установленных условиях срабатывания

Пример время-токовых характеристик плавких предохранителей
Рис. 4 – Время-токовая характеристика плавких предохранителей

 

Из рисунка видно, что плавкая вставка с номинальным током 0,25 А при токе 0,6 А сработает через 10 секунд, а при токе 1 А скорость срабатывания составит около 0,004 с.

Время-токовые характеристики плавких вставок бывают нескольких видов. Вид время-токовой характеристики указывается в маркировке (см. главу 3. Маркировка).

Время-токовая характеристика имеет неприятную особенность, заключающуюся в том, что она приводится для «установленных условий срабатывания», под которыми в первую очередь понимается температура окружающей среды. Поэтому, чтобы узнать время срабатывания при других температурах, необходимо учитывать поправочные коэффициенты, предоставляемые производителем в эксплуатационной  документации.

  1. Маркировка предохранителей

В соответствии с ГОСТ 17242-86 маркировка плавких предохранителей (см. рис. 5), содержит следующие данные:

маркировка плавких предохранителей
Рис. 5 – Маркировка плавкой вставки
  • а) товарный знак предприятия-изготовителя;
  • б) обозначение серии (типа, типоисполнения) плавкого предохранителя или его каталожный номер;
  • в) номинальный ток;
  • г) номинальное напряжение постоянного и переменного тока с указанием рода тока;
  • д) характеристика диапазона отключения (время-токовая характеристика)*;
  • е) отключающая способность;
  • ж) габарит;
  • и) обозначение стандарта или технических условий на предохранитель конкретной серии или типа.

*Для идентификации по данному параметру плавкие вставки маркируются двумя латинскими буквами.

Первая буква обозначает диапазон отключения:

  • a – отключающая способность в части диапазона токов отключения, гарантируют надежную защиту оборудования от токов короткого замыкания;
  • b – отключающая способность в полном диапазоне токов отключения, гарантируют надежную защиту оборудования от токов перегрузки и короткого замыкания.

Вторая буква описывает тип защищаемого оборудования (характеристику или категорию):

  • G – общего применения;
  • L – защита кабелей и распределителей;
  • М – защита электродвигателей;
  • R – защита полупроводниковых устройств.

Пример структуры условного обозначения плавкого предохранителя и плавкой вставки:

расшифровка маркировки предохранителя

  1. Выбор плавкого предохранителя

В соответствии с ГОСТ IEC 60269-1-2016 номинальный ток плавкого предохранителя следует выбирать из следующего ряда: 2; 4; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 35; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 314; 400; 500; 630; 800; 1000, 1250 А.

Максимальное напряжение в системе не должно превышать 110% номинального напряжения плавкого предохранителя. При постоянном напряжении, полученном выпрямлением переменного напряжения, пульсация не должна вызывать колебаний более чем на 5% выше или на 9% ниже среднего значения 110% номинального напряжения.

Для плавких предохранителей на номинальное напряжение 690 В максимальное напряжение для сети не должно быть выше 105% номинального напряжения плавкого предохранителя.

ГОСТ Р 50571.4.43-2012 предписывает координацию между проводниками и устройствами защиты от перегрузки, заключающуюся в обеспечении соответствия следующим условиям:

Ib≤ In ≤ Iz(1)

I2≤ 1,45 Iz(2)

Ib – ток нагрузки; Iz – длительная нагрузочная способность кабеля; In – номинальный ток защитного устройства;  – ток, обеспечивающий эффективную работу защитного устройства за определенное время.

Если в качестве защитного устройства применяется плавкий предохранитель, формула (2) приобретет вид:

1,6In≤ 1,45Iz или In≤ 0,9Iz

так как согласно ГОСТ IEC 60269-1-2016, ток 1,6In является условным током срабатывания предохранителя.

Таким образом, для выполнения защиты от перегрузки с помощью плавкого предохранителя, необходимо обеспечить следующее:

Ib≤ In ≤ 0,9Iz

Реализация селективности

В соответствии с ГОСТ 31196.2.1-2012 для плавких предохранителей типа gG для обеспечения селективности должно выполняться соотношение не менее 1,6:1 к номиналу следующего плавкого предохранителя.

Обеспечение селективности плавких предохранителей

Селективность для плавких предохранителей типа aM обеспечивается с предвключённым предохранителем gG.

Для низковольтных плавких предохранителей других типов, а также высоковольтных плавких предохранителей селективность защиты определяется на основании характеристик аппаратов, содержащихся в документации производителя.

Условие селективности для плавких предохранителей с t<0.01 (преддуговое время): нижний порог срабатывания I2t (время до начала плавления плавкой вставки или время пред-срабатывания) для следующего плавкого предохранителя должно быть больше чем верхний порог срабатывания I2t для предыдущего плавкого предохранителя (время плавления и срабатывания).

Пример выбора предохранителей для защиты кабельных линии

Произведем расчет предохранителей для следующей схемы

схема защиты предохранителями кабельных линий

Определяем расчетные токовые нагрузки по каждому кабелю по формулам:

  • Для однофазной сети:

Iр=P/Uф*cosφ

  • Для трехфазной сети:

Iр=P/√3*Uл*cosφ

где:

  • P — Расчетная мощность сети, в Ваттах (как определить расчетную мощность бытовой сети читайте здесь.);
  • Uф — Фазное напряжение, в Вольтах (напряжение между фазой и нулем);
  • Uл — Линейное напряжение, в Вольтах (напряжение между двумя фазами);
  • cosφ— Коэффициент мощности — отношение активной мощности к полной (при отсутствии данных принимается равным: от 0,95 до 1 — для бытовых электросетей (как правило 1); от 0,75 до 0,85 — для промышленных электросетей);

Примечание: Ток электросети можно рассчитать с помощью нашего онлайн-калькулятора расчет тока сети.

Так как в нашем случае сеть однофазная (220 Вольт) токовая нагрузка кабеля №4 (Ib4) составит:

Ib4=P/Uф*cosφ=4000/220*1=18,2А

По выше приведенному ряду номинальных токов плавких предохранителей выбираем плавкий предохранитель FU4 с номинальным током (In4) 20 А.

В соответствии с таблицей длительных допустимых токов (см. таблицу 1.3.6 ПУЭ), сечение жил кабеля №4 принимаем мм2 и выбираем кабель типа ВВГ 3×2,5 (длительная нагрузочная способность (длительный допустимый ток) 25 А).

Проверяем согласованность выбранного кабеля №4 и плавкого предохранителя

Ib4≤ In4 ≤ 0,9Iz4 → 18,2 ≤ 20 ≤ 0,9*25 → 18,2 ≤ 20 ≤ 22,5 – условие соблюдается

Аналогично проводим расчеты по кабелям №2 и №3

Кабель №3:

  • ток (Ib3) — 27,3А
  • кабель типа ВВГ 3×6 (длительный допустимый ток 42 А)
  • предохранитель (FU3) с номинальным током (In3) 32 А
  • b3≤ In3 ≤ 0,9Iz3 → 27,3 ≤ 32 ≤ 0,9*42 → 27,3 ≤ 32 ≤ 37,8 – условие соблюдается

Кабель №2:

  • ток (Ib2) — 22,7А
  • кабель типа ВВГ 3×4 (длительный допустимый ток 35 А)
  • предохранитель (FU2) с номинальным током (In2) 25 А
  • b2≤ In2 ≤ 0,9Iz2 → 22,7 ≤ 25 ≤ 0,9*35 → 22,7 ≤ 25 ≤ 31,5 – условие соблюдается

Кабель №1:

  • ток (Ib2) — 68,2А
  • кабель типа ВВГ 3×25 (длительный допустимый ток 95 А)
  • предохранитель (FU2) с номинальным током (In1) 80 А
  • b1≤ In1 ≤ 0,9Iz1 → 68,2 ≤ 80 ≤ 0,9*95 → 68,2 ≤ 80 ≤ 85,5 – условие соблюдается

Проверяем условие обеспечения селективности между вводным плавким предохранителем и плавкими предохранителями отходящих линий:

  • In1/In4 ≥ 1,6 → 80/20 ≥ 1,6 → 4 ≥ 1,6 – условие соблюдается
  • In1/In3 ≥ 1,6 → 80/32 ≥ 1,6 → 2,5 ≥ 1,6 – условие соблюдается
  • In1/In2 ≥ 1,6 → 80/25 ≥ 1,6 → 3,2 ≥ 1,6 – условие соблюдается

Защита электродвигателя

При выборе плавкого предохранителя необходимо обеспечить согласованность защит между плавким предохранителем и электродвигателем. Это достигается соблюдением следующих основных условий:

условия выбора предохранителей для защиты электродвигателя

  1. Точка пересечения время-токовой характеристики плавкого предохранителя и аппаратов защиты должна быть до области разрушения контактора;
  2. Плавкий предохранитель не должен срабатывать во время пуска электродвигателя;
  3. Пиковый ток, пропускаемый в цепь, не должен превышать предельную включающую и отключающую способность автомата защиты двигателя или контактора;
  4. Параметр I2t не должен превышать предельную включающую и отключающую способность теплового реле и контактора.

Возможные последствия неправильно обеспеченной защиты:

  1. Ток короткого замыкания превышает предельную включающую и отключающую способность контактора:
  • сваривание контактов контактора;
  • разрушение дугогасительной камеры.
  1. Ток короткого замыкания превышает предельную включающую и отключающую способность биметаллической пластины реле:
  • невозможна защита электродвигателя;
  • перегорание биметаллического элемента.

При выборе плавких вставок исходят из следующих требований:

  1. Номинальный ток плавкой вставки Iн.вст должен быть равен расчетному Iрасч (номинальному току Iн) току электродвигателя или несколько превышать его:

Iн.вст Iрасч = Iн

  1. Плавкая вставка не должна расплавляться за время пуска или реверса двигателя, когда по ней проходит ток Iмакс:

Iн.вст Iмакс / α

где α – коэффициент кратковременной тепловой перегрузки плавкой вставки, равный для электродвигателей, пускаемых вхолостую, 2,5; для электродвигателей, пускаемых под нагрузкой, – 1,6-2,0.

  1. Плавкая вставка для линии, питающей несколько электродвигателей с короткозамкнутым ротором и другую нагрузку, выбирается по двум условиям:

а) вставка должна соответствовать расчетному току линии:

Iн.вст ΣIрасч

б) вставка не должна расплавляться за время пуска двигателя с наибольшим пусковым током при предварительном включении всех других нагрузок:

Iн.вст ΣIрасч+ Iпуск.нб / α

где ΣIрасч – расчетный ток линии без учета пускаемого двигателя;

Iпуск.нб – наибольший пусковой ток одного из электродвигателей.

Из величин, определенных в пунктах «а» и «б», выбирают наибольшую. Определив значение Iн.вст (пункты 1, 2 или 3), по шкале токов плавких вставок выбирают ее ближайшее номинальное значение.

Включение плавкого предохранителя в цепь питания электродвигателя

Пример 1

Выбрать плавкую вставку к  электродвигателю при пуске без нагрузки.

Исходные данные:

Pн=10 кВт; Uн=380 В; Iп/Iн=4,5; ηн= 0,865; cosφн=0,82

Решение

  1. Расчетный ток двигателя:

Iрасч = Iн = Pн *103/ √3 * Uн * cosφн * ηн =10*1000/1,73*380*0,82*0,865=21,5А

2. Пусковой ток электродвигателя:

Iп = Iмакс =4,5Iн =4,5*21,5=96,8А

3. Ток плавкой вставки предохранителя:

Iн.вст ≥ Iмакс / α=96,8/2,5=38,7А

4. Выбираем по шкале плавкую вставку на номинальный ток:

Iн.вст = 40А

Пример 2

Выбрать плавкую вставку к электродвигателю при пуске под нагрузкой.

Исходные данные:

Pн=55 кВт; Uн=380 В; Iп/Iн=7,5; ηн= 0,905; cosφн=0,91

  1. Расчетный ток двигателя:

Iрасч = Iн = Pн *103/ √3 * Uн * cosφн * ηн =55*1000/1,73*380*0,91*0,905=102А

2. Пусковой ток электродвигателя:

Iп = Iмакс =7,5Iн =7,5*102=765А

3. Ток плавкой вставки предохранителя:

Iн.вст ≥ Iмакс / α=765/2=382,5А

4. Выбираем по шкале плавкую вставку на номинальный ток:

Iн.вст = 400А

таблица характеристик распространенных типов предохранителей


Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросыПишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Задайте свой вопрос на форуме. Наши специалисты обязательно Вам ответят.

↑ Наверх

5
https://elektroshkola.ru/apparaty-zashhity/predoxraniteli/

Читайте так же:

Оставьте комментарий:

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *