Общие сведения

Лабораторная работа №5

по курсу

«Электрические аппараты»

Тема: « Изучение низковольтных предохранителей. »

Минск

Цель работы: Ознакомиться с конструкциями и техническими данными низковольтных предохранителей типов ПР-2, ПН-2, ПРО, ПНБ и блоков предохранитель-выключатель. Снять время-токовую характеристику плавкой вставки и сравнить ее с расчетной.

Общие сведения

Предохранители – это электрические аппараты, защищавшие ус­тановки от токов короткого замыкания и токов перегрузок. Состоят из плавкой вставки, включаемой в рассечку защищаемой цепи, и дуго-гасительного устройства, гасящего электическую дугу, возникающую при плав­лении вставки.

При небольших перегрузках (1,5…2)I_ном нагрев плавкой вставки протекает медленно. Ток, больший номинального, при кото­ром предохранитель перегорает через 1…2 часа, называется погра­ничным током I_погр > I_ном. При токах, близких к погранично­му, температура вставки приближается к температуре плавления ме­талла (t_меди = 1083 ⁰С). Все детали предохранителя и подклю­чаемые провода при этом нагреваются до высоких температур и воз­можно возгорание изоляции проводов. Наиболее просто снижение тем­пературы плавления вставки достигается, применением легкоплавких металлов (t_свинца=327⁰С). Однако удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди, поэтому вставки должны иметь очень большое сечение, что затрудняет гашение дуги и увеличивает расход металла, т.е. не дают удовлетворительного решения.

Наибольшее распространение получили медные, цинковые и сереб­ряные плавкие вставки, в которых для снижения температуры делает­ся переменное сечение и применяется металлургический эффект.

При длительной работе с высокой температурой вставки окисля­ются. Особенно интенсивно процесс теплового старения протекает у медных вставок, у которых пленка окисла отслаивается и уменьшает сечение. Для того, чтобы с течением времени медные вставки не пе­регорали при I_ном принимают I_погр=(1,8…2)I_ном,т.е. сечение завышают почти в 2 раза, что ухудшает время-токо­вую характеристику предохранителя в области малых перегрузок. Се­ребряные и цинковые вставки не подвержены тепловому старению. При­менение металлургического эффекта и легкоплавких металлов позво­ляет снизить I_погр / I_ном, до 1,2…1,4.

Калибруются плавкие вставки испытательным током I_исп в течение t_исп, причем нижнее значение тока в течение 1 часа не приводит к перегоранию предохранителя, верхнее значение плавит вставку за 2 часа (табл. 13.1).

Таблица 13.1

При прохождении через вставку тока к.з. процесс нагрева идет адиабатически, без отдачи тепла, которое полностью идет на ее нагрев. Температура вставки поднимается мгновенно.

Время отключе­ния цепи предохранителем состоит из времени нагрева вставки до плавления, времени перехода из твердого состояния в жидкое (плавления) и времени горения (гашения) дуги:

t_откл = t_нагр + t_пл + t_дуги.

Электродинамические силы, сжимающие проводник, в процессе плавления образуют суженные участки, на которых возрастет плот­ность тока и температура. Уменьшение сечения создает также разры­вающие усилия, аналогичные силам в контактах при протекании тока короткого замыкания (т.к.з.). Вследст­вие этого время отключения обратно пропорционально квадрату т.к.з. (I_к²).

,

где q – поперечное сечение вставки;

А – постоянная, зави­сящая от материала вставки и типа предохранителя (определяется опытным путем).

При вставках переменного сечения дуга горит во всех узких местах, что ускоряет процесс гашения дуги. Все факторы дугогашения приводят к тому, что предохранитель перегорает за тысячные доли секунды, т.е. значительно раньше, чем т.к.з. достигнет ампли­тудного или установившегося значения, т.е. работает с токоограничением. При этом облегчаются условия гашения дуги и ограничивает­ся т.к.з.

Рис. 13.1. Время-токовые характеристики предохранителей типа ПН-2.

Увеличение сечения вставки вследствие роста I_ном или теплового старения приводит к увеличению t_откл и снижению эф­фекта токоограничения. Так, например, в цепи с действующим значе­нием т.к.з. 50 кА предохранитель с I_{ном.вст}= 6А перегорает при величине т.к.з. 400 А, а при I_{ном.вст} = 600А дуга горит весь полупериод, т.е. токоограничение отсутствует (рис. 13.1).

Основными параметрами предохранителей являются:

I_нп – номинальный ток патрона – максимальный ток, при котором токоведущие и контактные части нагреваются не выше допус­тимой температуры;

I_{ном.вст} – номинальный ток вставки – длительный рабочий ток, при ко­тором плавкая вставка не должна перегорать;

I_пр – предельный ток отключения предохранителя – действующее значение тока металлического к.з. сети, которое предохра­нитель способен отключить, не разрушаясь.

Предохранители разборные серии ПР-2 с закрытыми разборными патронами без наполнителя выпускаются на напряжение 220В (I габарит) и 500В (II габарит). Трубчатый патрон выполнен из фибры, которая при горении дуги под действием высокой температу­ры выделяет газ. Давление, пропорциональное квадрату т.к.з. за доли полупериода поднимается до 4…8МПа, что способствует быстро­му гашению дуги (до 2с). Фибровый патрон обладает высокой проч­ностью и закрывается герметично. Плавкая вставка штампуется из цинка, количество сужений (1…4) зависит от напряжения, работает с токоограничением. В зависимости от номинального тока меняется диаметр патрона, выпускаются 7 диаметров, I_ном.пр ³ I_{ном.вст}.

Технические данные ПР-2 приведены в табл. 13.2.

Таблица 13.2

Предохранители с мелкозернистым наполнителем типа ПН-2 облада­ют более совершенными характеристиками, чем ПР-2. Корпус ПН-2 из­готавливается из прочного фарфора или стеарита, наполнитель – квар­цевый песок с содержанием SiО₂ не менее 98%, размером зерен 0,2…0,4мм, влажностью не более 3%. Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1…0,2мм, разделена на несколько па­раллельных ленточек, чтобы полнее использовать объем наполнителя. Применение тонких ленточек с узкими местами, на которые нанесены оловянные шарики для снижения температуры плавления (металлурги­ческий эффект), позволяют выбрать минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обеспечивает высокую токоограничивающую способность.

При к.з. дуга горит при большом давлении в узком канале, об­разованном кварцевыми песчинками, имеющими высокую теплопровод­ность и хорошо развитую охлаждающую поверхность. Это позволяет гасить дугу за несколько миллисекунд при небольшой длине. После перегорания вставок патрон разбирается, песок высыпается, ставят­ся новые вставки. Малые габариты, незначительная затрата дефицит­ных материалов, высокая отключающая способность являются достоин­ствами этих предохранителей.

Предохранители серии НПН-2 являются неразборными с наполнителем. Техни­ческие характеристики даны в табл. 13.2.

Предохранители ПРС – разборные, резьбовые, сигнализирующие, с наполнителем – кварцевым песком. Применяются, когда необходимы, малые габариты и быстрая смена вставки. Имеют указатель срабатыва­ния – при перегорании пружина выбрасывает глазок у застекленного отверстия. Перезарядка производится путем замены внутреннего ци­линдра со вставкой и указателем. Это пробочные предохранители, ввинчиваются в металлическое основание. Выпускаются на номинальные токи 6, 20, 63, 100 А со вставками от 1 до 100А, с цоколями трех диаметров на разные напряжения 220, 380, 500В. Отключающая способ­ность 60кА. Они более сложные и дороже, чем ПН-2.

Быстродействующие предохранители применяются для защиты полу­проводниковых приборов (диодов, тиристоров). ПНБ5 разработан на базе ПН-2, имеет серебряную вставку с сужениями малого сечения с большим токоограничением. Амплитуда т.к.з. до 150кА. Выпускаются на номинальные токи 40…60А напряжением до 660В. Защищают цепи к.з., но не от перегрузок. Более совершенные быстродействующие предохранители типа ПП41…ПК71.

Блоки предохранитель-выключатель (БПВ) предназначены для отключения номинальных токов, защиты цепей от перегрузок и т.к.з., для сокращения размеров распредустройств. Представляют3-х-полюс­ный разъединитель с боковой рукояткой, с двумя разрывами на фазу, ножами которого являются контакты предохранителей ПН-2. При враще­нии рукоятки предохранители перемещаются и выполняют коммутацию цепей, при напряжении до 500В и номинальном токе до 350А. Для гашения дуги постоянного тока применяются деионные решетки. Блоки выполняются в металлическом кожухе с дверцей. Замена предохра­нителя возможна в отключенном положении рукоятки, после освобожде­ния защелки. Износостойкость БПВ механическая – 5000 циклов, электрическая – 2500 циклов.

План выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения и конструкции низковольтных предохранителей и БПВ по имеющимся образцам, плакатам и описанию в инструкции.

2. Снять время-токовую характеристику медной круглой плавкой вставки в соответствии со схемой на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Схема измерений.

2.1. Закрепить вставку в коробке с предохранителем, закрыть крышку.

2.2. Установить ЛАТР на нуль, поставить рукоятку переключате­ля «П» в положение «R_н».

2.3. Включить автомат «А» и тумблер «В» на стенде.

2.4. Установить ЛАТРом первоначальный ток в цепи по ампер­метру и быстро поставить переключатель «П» в положение «П_р».

Примечание: шкалу токов задает преподаватель.

2.5. Измерить время по электросекундомеру.

2.6. Записать показания в табл. 13.3.

Таблица13.3

2.7. Отключить тумблер, установить новую вставку, и повто­рить опыт, начиная с п.2.1 при других значениях токов.

2.8. Рассчитать время плавления вставки по эмпирической формуле:

,

где q – сечение вставки, мм²;

I – значение устанавливаемого тока по шкале, А.

Литература

1. Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергия, 1975.

2. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. – Л.: Энергия, 1981.

Вывод: « Ознакомились с конструкциями и техническими данными низковольтных предохранителей типов ПР-2, ПН-2, ПРО, ПНБ и блоков предохранитель-выключатель. Сняли время-токовую характеристику плавкой вставки и сравнили ее с расчетной. »