Высоковольтные предохранители

а) Назначение, предъявляемые требования.При напряжении выше 3 кВ и частоте 50 Гц применяются высоковольтные предохранители. Процесс нагрева плавкой вставки в высоковольтных предохранителях протекает так же, как ив предохранителях низкого напряжения.

В отношении времени плавления к высоковольтным предохранителям предъявляется следующее общее требование: длительность плавления вставки должна быть менее 2 ч при токе перегрузки, равном 2I_ном., и более 1 ч при токе перегрузки, равном 1,3I_ном..

Высоковольтные предохранители часто применяются для защиты трансформаторов напряжения от КЗ. Ток, текущий через предохранитель в номинальном режиме, не превышает доли ампера. В таких предохранителях время плавления вставки равно 1 мин при токе 1,25-2,5 А.

В связи с высоким значением восстанавливающегося напряжения процесс гашения дуги усложняется. В связи с этим изменяются габаритные размеры иконструкция высоковольтных предохранителей. Наибольшее распространение получили предохранители с мелкозернистым наполнителем истреляющего типа.

б) Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Размер зерен и материал такие же, как и в низковольтных предохранителях. Длина плавкой вставки, м, таких предохранителей может быть определена по эмпирической формуле

l = 0,16 + 0,07 U_ном.,

где U_ном. - номинальное напряжение предохранителя, кВ.

Для эффективного гашения дуги плавкая вставка берется малого диаметра.

Предохранители типа ПК на напряжение 6-10 кВ (рисунок 4, а) содержат фарфоровый цилиндр 1, армированный по торцам латунными колпаками 2. Наполнитель 7 в виде песка засыпается через отверстие в колпаке, которое после засыпки запаивается крышкой 3. В предохранителях на ток до 7,5 А медная плавкая вставка 5 наматывается на керамический рифленый каркасе. Это позволяет увеличить длину плавкой вставки и эффект токоограничения, а следовательно, повысить отключаемый ток. Однако при перегрузках, меньших 3I_ном, возможно образование токопроводящего канала из материала каркаса и расплавившейся вставки. В результате наступает тепловое разрушение предохранителя. Поэтому предохранители с каркасом следует применять только для защиты от КЗ.

Рисунок4 - Предохранитель типа ПК

При номинальных токах, превышающих 7,5 А, плавкая вставка выполняется в виде параллельных спиралей (рисунок 44, а). Применение параллельных вставок позволяет увеличить номинальный ток до 100 А при U_ном.=3 кВ. При напряжении 10 кВ номинальный ток предохранителя равен 50 А. При токе 200 А приходится устанавливать четыре параллельных предохранителя. Применение параллельных вставок позволяет изготавливать их из медной или серебряной проволоки малого диаметра и сохранять эффект узкой щели в процессе дугогашения. Для снижения температуры предохранителя при небольших длительных перегрузках плавкие вставки имеют оловянные шарики 6.

Предохранитель имеет указатель срабатывания 9. На указатель 9 действует пружина, которая удерживается во втянутом состоянии специальной плавкой вставкой 8. Эта вставка перегорает после перегорания основных вставок 5. При этом указатель освобождается и выбрасывается в положение 9 с силой, определяемой пружиной. Этот указатель можно использовать для автоматического отключения выключателя нагрузки после отключения КЗ предохранителем. Указатель 9 может быть использован также в предохранителях с автоматическим повторным включением. В этом случае срабатывание указателя в первом предохранителе ведет к параллельному подключению к нему другого предохранителя с исправной плавкой вставкой.

При КЗ плавкая вставка испаряется по всей длине и в цепь вводится длинная дуга, горящая в узкой щели и имеющая высокое сопротивление, особенно в начальной стадии, когда пары металла недостаточно ионизированы. Все это приводит к возникновению
больших перенапряжений - до 4,5U_ном на контактах предохранителя. Для ограничения перенапряжений применяются вставки переменного сечения. Вначале сгорает участок меньшего сечения, а затем большего. В результате длина дуги растет медленней.

Предохранители с мелкозернистым наполнителем обладают токоограничением, особенно при больших токах КЗ. В длительном режиме интенсивное охлаждение тонких плавких вставок позволяет выполнять их с минимальным сечением и снизить ток плавления.

С ростом номинального тока эффект токоограничения падает. Номинальный ток отключения предохранителей достигает 20 кА при напряжении до 10 кВ. Предохранители серии ПКТН на напряжение до 35 кВ имеют внутри керамический каркас с тонкой плавкой вставкой. Так как номинальный ток вставок менее 1 А, то их сечение мало и токоограничивающий эффект особенно велик. Плавкая вставка выполняется из константановой проволоки с четырехступенчатым сечением для ограничения перенапряжений. Плавление вставки происходит последовательно по ступеням. Предохранитель обеспечивает защиту высоковольтных шин от повреждения трансформатора напряжения при любой мощности источника питания (ток ограничивается предохранителем).

Предохранители серий ПК и ПКТН работают бесшумно, без выброса пламени и раскаленных газов.

Для нормальной работы предохранителей особо важное значение имеет герметизация. При проникновении влаги в предохранитель он теряет свойство дугогашения. Поэтому места пайки и цементирующая замазка, крепящая колпачки, окрашиваются специальной влагозащитной эмалью. Перезарядка предохранителя в эксплуатации не допускается.

Как правило, установки напряжением 35 кВ и выше работают на открытом воздухе и подвержены воздействию атмосферы. В этих условиях трудно обеспечить надежную работу предохранителя ПК из-за увлажнения наполнителя.

Перспективы дальнейшего развития предохранителей на напряжение выше 35 кВ осложняются технологическими трудностями изготовления и ростом их габаритов.

в) Стреляющие предохранители. Для работы на открытом воздухе при напряжении 10 и 35 кВ и отключаемом токе до 15 кА применяются так называемые стреляющие предохранители типов ПСН-10 и ПСН-35. На рисунке 5 показан патрон предохранителя ПСН-35. В корпусе 1 установлены две винипластовые трубки 2 и 3, соединенные стальным патрубком 4. Плавкая вставка 5 присоединяется к токоведущему стержню 6 и гибкому проводнику 7, соединенному с наконечником 8.

Рисунок 5 - Патрон стреляющего предохранителя типа ПСН-35

Патрон, установленный на изоляторах, показан на рисунке 6. Изоляторы 1 крепятся к стальному цоколю 2. Цепь присоединяется к выводам 3 и 4. Вращающийся контакт 5 действует на наконечник 8 (рисунок 4.5) и с помощью своей пружины стремится вытащить гибкий проводник 7 из трубки 3. При перегорании плавкой вставки образуется дуга, которая, соприкасаясь со стенками трубки, разлагает их, и образующийся газ поднимает давление в трубке. При вытягивании наконечника из трубки длина дуги увеличивается, давление возрастает. При больших токах мембрана 9 в патрубке 4 разрывается и дуга гасится поперечным дутьем. Если ток невелик, то дуга гасится продольным потоком газа, который вырывается из трубки после выброса гибкого контакта 7 из трубки.

Рисунок 6 - Предохранитель типа ПСН-35

Длительность горения падает при увеличении тока. При больших токах дуга гаснет за 0,04 с. При малых токах (800-1000 А) время горения возрастает до 0,3 с.

Процесс отключения сопровождается сильным выбросом пламени, газов и стреляющим звуковым эффектом. Поэтому стреляющие предохранители соседних фаз должны быть на значительном удалении друг от друга.

 В процессе гашения дуга сначала имеет небольшую длину, а затем длина ее увеличивается по мере выброса гибкого проводника. Это ограничивает скорость роста сопротивления дугового промежутка и устраняет перенапряжения.

Предохранители ПКимеют достаточную разрывную способность - при отключении тока КЗ предохранитель не разрушается и перекрытий «на землю» и соседние элементы установки не происходит (рисунок 7.).

При перегорании плавкой вставки предохранителя ПК срабатывает указательное устройство, которое находится внутри патрона и удерживается плавкой вставкой и проволочкой с пружиной. При перегорании плавкой вставки и проволочки пружина освобождается и выталкивает указатель наружу. Патроны предохранителей ПК вставляют в губки держателей так» чтобы указательное устройство находилось в нижней части патрона. На верхней торцовой части патрона указывают номинальное напряжение и ток предохранителя, например, 10 кВ, 50 А.

Для мачтовых трансформаторных подстанций применяют кварцевые предохранители наружной установки ПК-6Н на напряжение 6 кВ и ПК-10Н на напряжение 10 кВ, имеющие герметизированные патроны и опорные изоляторы, предназначенные для работы на открытом воздухе.

Рисунок 7 - Предохранитель ПК-10: а - общий вид; б - патрон с плавкой вставкой на керамическом основании; в - патрон с плавкой вставкой в виде спирали; 1 - опорный изолятор; 2 - контактные зажимы; 3 - упор; 4 - контактные губки; 5 - фиксирующий замок; 6 - патрон; 7 - основание; 8 - крышка; 9 - латунные обоймы;
10 - фарфоровая трубка; 11 - плавкая вставка; 12 - спиральная плавкая вставка; 13 - кварцевый песок; 14 - керамическое основание; 15 - вспомогательная плавкая вставка; 16 - указатель срабатывания

Предохранители ПКТ-10 служат для защиты измерительных трансформаторов на напряжение 3÷10 кВ и в отличие от предохранителей ПК не имеют сигнального устройства.

Для защиты установок на напряжение до 1000 В используют пробочные, трубчатые и открытые (пластинчатые) предохранители.

Стреляющие предохранители. Для работы на открытом воздухе при напряжении 10 и 35 кВ и отключаемом токе до 15 кА применяются так называемые стреляющие предохранители типов ПСН-10 и ПСН-35. В корпусе установлены две винипластовые трубки и, соединенные стальным патрубком. Плавкая вставка присоединяется к токоведущему стержню и гибкому проводнику, соединенному с наконечником. Патрон, установленный на изоляторах. Изоляторы крепятся к стальному цоколю. Цепь присоединяется к выводам, и вращающийся контакт действует на наконечник и с помощью своей пружины стремится вытащить гибкий проводник из трубки. При перегорании плавкой вставки образуется дуга, которая, соприкасаясь со стенками трубки, разлагает их, и образующийся газ поднимает давление в трубке. При вытягивании наконечника из трубки длина дуги увеличивается, давление возрастает. При больших токах мембрана в патрубке разрывается и дуга гасится поперечным дутьем. Если ток невелик, то дуга гасится продольным потоком газа, который вырывается из трубки после выброса гибкого контакта из трубки.

Коммутационная способность предохранителей характеризуется тем, что предохранитель должен отключать при небольшом рабочем напряжении любой ток в пределах от тока, плавящего вставку в течение 1 ч до номинального тока отключения независимо от момента начала КЗ, т. е. при любой асимметрии тока. При этом не должны иметь место разрушения патрона или повреждения частей предохранителя.

Токоограничивающими плавкими предохранителями называют предохранители, обладающие способностью резко уменьшать ток в цепи при точно определенных условиях: напряжении, тока и фазе включения. При этом плавкая вставка перегорает раньше, чем ток КЗ достигнет своего установившегося значения в цепи постоянного тока или ударного тока в цепи переменного тока. Ток КЗ в результате этого ограничивается в 2-5 раз.

Предохранители могут иметь разнообразную конструкцию и рассчитываться на токи от единиц мА до тысяч А. Предохранители изготовляются на напряжение переменного тока 36, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.

Выбор предохранителя производится по следующим условиям:

U_ном ≥ U_вст,

где U_ном – номинальное напряжение предохранителя; рекомендуется номинальное напряжение предохранителя выбирать по возможности равным номинальному напряжению сети;

б) по длительному расчётному току линии

I_{ном. вст}≥ I_длит,

где I_{ном. вст}– номинальный ток вставки;

в) по условиям пуска асинхронных двигателей (с КЗ ротором)

I_{ном. вст} = I_пуск /α,                           

где α – коэффициент, зависящий от условия пуска,

α = 1,5…2,5;                                                            

г) если предохранитель стоит в линии, питающей сразу несколько двигателей с КЗ ротором

I_{ном. вст}= 0,4 [I_расч + (I_пуск - I_{ном. дв})],                                     

где I_расч – расчётный номинальный ток линии, равный I_{ном. дв};

разность (I_пуск. – I_{ном. дв}) берётся для двигателя, у которого она наибольшая;

для двигателей с фазным ротором, если

I_{пуск ном}< 2I_дв,

то

I_{ном. вст}> (1...1,25) I_{ном. дв};

д) проверка по условиям КЗ:

I_КЗ /I_{ном. вст}= 3...4,

где I_КЗ – ток КЗ двигателя.

В цепях управления и сигнализации плавкие вставки выбираются по соотношению

I_{ном. вст}≥ ΣI_раб.max+ 0,1ΣI_вкл.max ,                                         

где ΣI_раб.max – наибольший суммарный ток, потребляемый катушками аппаратов, сигнальными лампами и т.д. при одновременной работе;

ΣI_вкл.max – наибольший суммарный ток, потребляемый при включении катушек, одновременно включаемых аппаратов.

Для изучения конструкции предохранителей в лаборатории представлены предохранители типов ПР, ПН, ПП, ПК, ПСН

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Лабораторная установка представляет собой стенд, со смонтированными на нем автотрансформатором Т1, нагрузочным трансформатором Т2, кнопками управления SВС и SВТ, ключем управления SАС, магнитным пускателем KМ, реле тока КА, промежуточными реле KL1 и KL2, трансформатором тока ТА, сигнальной лампой HLG, измерительными приборами: вольтметром PV, амперметрами РА1 и РА2, электросекундо­мером РТ, а также исследуемым плавким предохранителем FU. Схема установки представлена на рис. 2.

Питание на лабораторный стенд подается от сети 220 В с помощью кнопки SВС. При этом в обмотку магнитного пуска­теля КМ подается питание и срабатывает контакт КМ1, бло­кируя кнопку SВС. Основные контакты КМ2 и КМЗ подают питание в рабочую часть схемы. При этом загорается сигналь­ная лампа HLG, показывающая включение лабораторного стенда и готовность его к работе. Исследуемый предохранитель FU размещается в специаль­ной камере. Снятие защитной характеристики проводится в однофазной цепи с активно-индуктивной нагрузкой. Время перегорания плавкой вставки определяется по электросекундо­меру РТ. Исследуемые плавкие вставки представляют собой от­резки медной проволоки малого сечения.

    Для снятия защитной характеристики плавкой вставки необ­ходимо произвести следующее.

    1. При отключенном источнике питания лабораторного стенда открыть защитный кожух специальной камеры и присоединить к зажимам "а" и "б" (рис. 2) вставку из медной проволоки определенного сечения (по заданию преподавателя). Закрыть защитный кожух, поставить ключ управления SACв положение "О" и включить лабораторный стенд с помощью кнопки SВС. При этом на стенд подается питание и загорается сигнальная лампа HLG.

    2. Установить ключ управления SAC в положение “1” и с помощью ЛАТРа Т1 плавно увеличить ток в цепи до значения, задаваемого преподавателем.

    3. Поставить ключ управления SAC в положение “0” и сбросить показания электросекундомера РТ.

    4. Через 3–5 минут установить ключ управления SAC в положение “2”. При этом вставка расплавится, а электросекундомер РТ зафиксирует время плавления. После перегорания плавкой вставки записать ток в цепи и время плавления.

   5. Поставить ключ управления SAC в положение “0” и отключить лабораторный стенд с помощью кнопки SBT.

   Повторить указанные операции с новым образцом плавкой вставки такого же сечения при значениях тока в сторону уменьшения.

 Рис. 2. Схема лабораторной установки исследования                            

плавких предохранителей

Заключение

В данной работе мы изучили устройство, принцип действия, конструктивные элементы и методики выбора плавких предохранителей.