Рассмотренные выше одноэлементные предохранители оптимальны для защиты цепей с постоянным током потребления или с небольшими его колебаниями. Для защиты цепей с большими колебаниями потребляемого тока и частыми его превышениями
значений, характерных для установившегося режима, (электропривод, трансформаторы и т. д.) одноэлементные предохранители приходится выбирать с 3-4-кратным запасом, что может снизить надежность защиты в аварийных перегрузочных режимах.
Предохранители двойного действия (иначе — двухэлементные, или с задержкой срабатывания) позволяют обеспечить более
надежную защиту потребителей сетей с большим диапазоном токов рабочих перегрузок. Действие предохранителей основано на
том, что при перегрузочном токе срабатывает элемент одного типа, а при коротком замыкании — другого, аналогичный элементу
рассмотренных выше предохранителей. Оба элемента выполнены в единой конструкции и электрически соединены
последовательно. Вид части такой конструкции представлен на рис. 7.
Рис. 7. Упрощенная структура элемента плавкого предохранителя двойного действия
Рис. 8 демонстрирует работу двухэлементного предохранителя в случае возникновения в цепи тока перегрузки. Под
воздействием тока перегрузки разогревается пайка, выполненная специальным сплавом с калиброванной теплоемкостью,
теплопроводностью и температурой плавления. При достижении температуры плавления сплава пайки он размягчается, и
специальная разрывная пружина резко разрывает контакт. Возникающая при этом электрическая дуга быстро гаснет из-за
расстояния, на которое разводятся элементы. Из-за значительной массы припоя и держателя этот элемент защиты обладает
большой тепловой постоянной времени и не является токоограничивающим, соответственно, не может использоваться для
быстродействующей защиты оттока короткого замыкания. В случае воздействия тока короткого замыкания защитные функции в
предохранителях двойного действия выполняют расплавляемые участки перемычки (рис. 9).
|
|
Рис. 8. Срабатывание плавкого предохранителя двойного действия под воздействием тока перегрузки
Рис. 9. Срабатывание плавкого предохранителя двойного действия под воздействием тока короткого замыкания
Дуга, загорающаяся в местах плавления перемычек, быстро гаснет, как за счет быстрого испарения металла перемычки и
увеличения длины дуги с соответствующим ростом сопротивления, так и за счет действия сыпучего наполнителя, который быстро
поглощает тепло, выделяемое дугой, тем самым снижая степень ионизации и проводимость дуги. Проникая в образовавшееся за
счет разрыва перемычек пространство, частицы наполнителя увеличивают длину дуги и при плавлении способствуют изоляции
поверхностей элементов перемычки друг от друга. Процессы, происходящие в данном элементе при воздействии тока короткого
замыкания, полностью аналогичны процессам в одноэлементных предохранителях.
Рассмотренные выше конструкции плавких предохранителей используются лишь при невысоких напряжениях в защищаемых
цепях (максимально — единицы киловольт). Если же напряжение в цепи имеет сколько-нибудь существенную величину,
ориентировочно выше 1500-2000 В, то дугогасящей способности сыпучего наполнителя недостаточно для гашения дуги в
небольших промежутках плавкой перемычки. Для работы в цепях с напряжением выше 2-3 кВ используются предохранители
специальной конструкции. На рис. 10 приведен схематический разрез высоковольтного плавкого предохранителя, рассчитанного
на работу в цепях с напряжением до нескольких десятков кВ.
|
|
Рис. 10. Устройство высоковольтного плавкого предохранителя с дугогашением.
При воздействии тока перегрузки или тока короткого замыкания рабочий элемент (обычно, для стабильности характеристик
предохранителя в условиях воздействия коронного разряда и вызываемой им коррозии поверхности, выполняется из чистого
серебра) размягчается (или плавится) и усилием разрывной пружины быстро (единицы миллисекунд) удаляется от неподвижной
контактной точки. Загорающаяся при этом дуга вытягивается в область, окруженную дугогасящим материалом, в частности,
борной кислотой, которая под воздействием высокой температуры дуги моментально разлагается на воду и оксид бора.
Разложение дугогасящего материала происходит очень быстро, большое количество водяного пара резко охлаждает дугу и
одновременно снижает ее проводимость. При срабатывании предохранителя в течение нескольких миллисекунд дуга
вытягивается до длины 5-30 см (в зависимости от конструкции прибора) и гаснет, тем самым обеспечивая токоограничивающие
свойства. Поскольку в процессе срабатывания внутри корпуса предохранителя создается значительное избыточное давление, то
обычно в выводе неподвижной контактной точки предусматривается клапан для сброса давления. Корпус высоковольтного
предохранителя изготавливается из материалов с высокой электрической и механической прочностью и малой склонностью к
раскалыванию. Это может быть армированный стекловолокном полимер, керамика и стекло специальных сортов. Наличие
подвижного элемента позволяет простыми средствами контролировать состояние предохранителя. К таким элементам относятся индикаторы сгорания и специальные микровыключатели, которые непосредственно подают сигнал в диспетчерскую систему о
сгорании предохранителя в конкретной цепи. Подобными же устройствами зачастую комплектуются и низковольтные
предохранители двойного действия.
|
|
Основной функциональной характеристикой любого предохранителя является его времятоковая характеристика, и она всегда приводится в справочных данных производителя на любой тип предохранителей. Эта характеристика показывает зависимость
времени полного разрыва цепи от тока через предохранитель. Чем сильнее зависимость времени срабатывания оттока, тем более
надежную защиту цепи обеспечит предохранитель в режиме короткого замыкания. С другой стороны, при рабочих перегрузках
предохранитель не должен сгорать длительное время. Типичная времятоковая характеристика современного плавкого
предохранителя двойного действия приведена на рис. 11.
Рис. 11. Типовая времятоковая характеристика плавкого предохранителя двойного действия
При номинальном токе 200 А предохранитель должен работать неограниченное время. По характеристике видно, что при
уменьшении тока время срабатывания в области малых токов быстро растет, кривая зависимости в идеале должна асимптотически
стремиться к прямой I = 200 А для времени Т = +со. Обратим внимание на то, что в области рабочих перегрузок, то есть в случае,
когда ток через предохранитель находится в пределах (1...5)х1ном, время срабатывания предохранителя достаточно велико, во
всяком случае, превышает единицы секунд. Так, для нашего примера при токе 1000 А время срабатывания равно 10 с. Такой вид
зависимости позволяет защищаемому оборудованию свободно работать во всем диапазоне рабочих перегрузочных характеристик.
При дальнейшем увеличении тока крутизна времятоковой характеристики быстро возрастает, и, уже при одиннадцатикратной
перегрузке, время срабатывания составляет всего 10 мс. Дальнейший рост тока перегрузки сокращает время срабатывания еще в
большей степени, хотя и не так быстро, как на участке между пяти- и десятикратной перегрузкой. Это объясняется конечной
скоростью гашения дуги изза конечной теплоемкости материала наполнителя, конечной теплоты плавления материала плавкой
перемычки и определенной массы плавящегося и испаряющегося металла перемычки. При дальнейшем увеличении тока (более
чем 15-20-кратно относительно номинального) время срабатывания плавкого элемента может составлять 0,02-0,5 мс в зависимости
от типа и конструкции предохранителя.
Еще одной важной характеристикой предохранителя, как защитного устройства, является так называемый защитный
показатель, в зарубежных источниках именуемый I2t. Для защищаемой электрической цепи защитный показатель — это
количество тепла, выделяемое в цепи с момента возникновения аварийной ситуации до момента полного отключения цепи
защитным устройством. Величина защитного показателя конкретного устройства, по сути, определяет предел его устойчивости к тепловому разрушению в аварийных режимах. При вычислении величины защитного показателя используется эффективное значение тока в цепи.
Для предохранителей защитный показатель складывается из двух составляющих:
1) Защитный показатель плавления, то есть I2t за время плавления перемычки.
2) Защитный показатель дугообразования, то есть I2t за время существования дуги в предохранителе.
Общий защитный показатель предохранителя вычисляется как сумма указанных выше величин, и его значение обычно
приводится в справочных данных.
Информация о величине защитного показателя существенно облегчает выбор предохранителя для защиты полупроводниковых
приборов. В общем случае, величина защитного показателя предохранителя должна быть меньше или равной величине защитного показателя полупроводникового прибора.
Классы предохранителей
Сегодня для большинства предохранителей индустриального применения используется система классификации, включающая
семь основ- ных типов приборов: gG, аМ, gM, aR, gR, gTr, дВ.
• аМ — предохранители для защиты электродвигателей и кабелей.
• aR — предохранители для защиты полупроводниковых приборов от коротких замыканий.
• gВ — быстродействующие предохранители общего применения, пригодные для эксплуатации в шахтном оборудовании.
• gG — универсальные предохранители широкого применения. Применяются для защиты кабелей, электродвигателей,
транформаторов, конденсаторов. Тип соответствует устаревшему типу «gL».
• gR — предохранители для защиты полупроводниковых приборов, в основном, на токи меньше 100 А.
• gRL — предохранители для одновременной защиты полупроводниковых приборов и кабелей. Чаще всего являются
предохранителями двойного действия.
• gTr— предохранители для защиты силовых трансформаторов.