Защита сетей с помощью плавких предохранителей

При работе городской распределительной сети возникают повреждения различных ее элементов, что приводит к нарушению нормального режима электроснабжения потребителей.

Наиболее опасный вид повреждения — короткие замыкания (к. з.), возникающие из-за нарушения изоляции сети и оборудования. В месте к. з. появляется электрическая дуга. По элементам сети к месту к. з. протекают большие токи, которые могут вызвать недопустимый перегрев неповрежденного оборудования и даже его разрушение. Чтобы защитить неповрежденные элементы сети от разрушения при возникновении в сети к. з. или режима перегрузки, используются различные защитные устройства. Простейшим устройством для защиты элементов сети напряжением до 1000 В являются плавкие предохранители. Их используют для защиты отдельных элементов сетей выше 1000 В.

Основной элемент предохранителя — плавкая вставка. Когда электрический ток протекает по вставке, в ней выделяется тепло, которое ее разогревает. Количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока. При коротком замыкании в сети протекает ток значительно больше номинального тока вставки, поэтому она перегорает, цепь тока разрывается и поврежденный элемент отсоединяется от сети.

К конструкции предохранителей предъявляется ряд требований. В частности, перегорание плавкой вставки должно происходить раньше, чем защищаемому элементу установки начнет угрожать опасность повреждения из-за чрезмерного нагрева; разрыв цепи тока должен осуществляться ближайшим к месту повреждения предохранителем; разрыв цепи тока плавкой вставкой не должен стать очагом повреждения и быть опасным для обслуживающего персонала. Полное времяотключения цепи тока плавкой вставкой складывается из времени ее нагревания до температуры плавления, времени расплавления вставки и горения электрической дуги. Это время определяется конструктивными особенностями предохранителя.

Номинальный ток Iном плавкой вставки определяется условиями ее калибровки и маркируется на ней заводом-изготовителем. Согласно действующим требованиям, калибровка вставок производится по максимальному и минимальному испытательным токам. При максимальном испытательном токе, равном 1,6 Iном, вставка должна перегореть менее чем через 1 ч. При минимальном токе, равном 1,3 Iном, плавкая вставка не должна перегорать в течение 1 ч. Номинальным током предохранителя называется наибольший длительный ток, на который рассчитаны его токоведущие части. Номинальный ток плавкой вставки может не соответствовать номинальному тока предохранителя. Он всегда меньше или равен последнему.

Предохранители устанавливаются для защиты отдельного элемента или группы элементов сети. В результате при протекании тока оказываются включенными последовательно предохранители с плавкими вставками, имеющими различные номинальные токи. При возникновении в сети к. з. или перегрузки должны перегорать вставки, расположенные ближе к месту повреждения, с тем чтобы отключался только поврежденный элемент сети. Этим обеспечивается бесперебойность работы остальных элементов. Такое действие, когда перегорает плавкая вставка ближайшего к месту повреждения предохранителя, называется избирательным (селективным).

В режиме перегрузки может возникнуть длительное протекание через плавкую вставку тока несколько большего, чем номинальный, что приводит к нагреву вставки до 700 — 900 °C, в результате нагрева может произойти нарушение контактной системы, а у предохранителей закрытого типа — разрушение патрона, в котором находится плавкая вставка. Разрушение патрона представляет опасность для обслуживающего персонала. Для избежания этого в предохранителях используется явление так называемого металлургического эффекта.

С этой целью посредине плавкой вставки напаивается шарик из легкоплавкого металла, обычно из олова. При определенной температуре олово способно растворять в себе медь. Поэтому, когда вставка нагревается до температуры плавления олова, которая значительно ниже температуры плавления меди, происходит одновременно плавление олова и растворение в нем меди. Медная вставка в месте размещения шарика быстро перегорает при относительно малом нагреве предохранителя и его контактов. Для создания более надежных условий работы предохранителя и усиления металлургического эффекта в современных предохранителях плавкая вставка выполняется из нескольких тонких пластин или проволок малого диаметра. В результате полностью исключаются перегрев и разрушение предохранителя при перегорании плавкой вставки. При протекании токов короткого замыкания нагрев плавкой вставки происходит очень быстро и действие металлургического эффекта не проявляется. Практически разогрев и плавление вставки происходят без отдачи тепла контактам и патрону предохранителя.

В распределительных сетях 0,38 кВ основное применение находят закрытые предохранители типа ПН-2 (предохранители насыпные). Они предназначены для защиты элементов сетей от токов к. з. и недопустимых длительных токовых перегрузок. Предохранители имеют закрытый разборный патрон и выпускаются пяти габаритов на номинальные токи от 100 до 1000 А. Характеристики предохранителей ПН-2 указаны в табл. 2. Значение предельного отключаемого предохранителем тока (при напряжении до 500 В и cosц? 0,2) есть эффективное значение протекающего в первый период по цепи тока при накоротко зашунтированном предохранителе. Предельные токи отключаются предохранителем надежно, без звуковых эффектов, без выброса пламени и дыма. Предохранители на 100 и 250 А при отключении тока 5000 А и выше работают как токоограничивающие. Последнее означает, что они отключают цепь в течение первой четверти периода, до того как ток короткого замыкания достигает своегоамплитудного значения.

Предохранитель состоит из патрона и двух контактных стоек с выводами для присоединения. Патрон смонтирован с использованием квадратной снаружи и круглой внутри фарфоровой трубки. Трубка с торцов закрыта крышками, к которым пиитами крепится плавкая вставка .

Внутренняя полость патрона заполнена кварцевым песком. Плавкая вставка является сменной частью патрона. Она штампуется из медной ленты и может состоять из одной или нескольких полосок, которые по длине имеют дна отверстия, создающие местное уменьшение сечения вставки. Металлургический эффект обеспечивается наплавленными в средней части вставки оловянными шариками. Конструкция плавкой вставки при относительно малых объеме и массе металла обеспечивает сравнительно низкую рабочую температуру вставки, необходимое быстродействие при больших кратностях протекающего через вставку тока и достаточную выдержку при относительно малых перегрузках.

Необходимый контакт ножей патрона с губками контактных стоек обеспечивается пружинящими стальными кольцами. Предохранители допускают многократную зарядку патрона после его срабатывания. Перезарядка осуществляется путем замены перегоревшей плавкой вставки и отработанного песка и обеспечивает полное восстановление работоспособности предохранителя.