Лабораторна робота №5

 

Вивчення будови та принципу дії плавких запобіжників

 

Мета роботи – набуття та засвоєння навичок зняття захисних характеристик плавких вставок запобіжників

 

Теоретичні відомості

 

Запобіжник – це комутаційний електричний апарат, який призначений для захисту електричних кіл шляхом руйнування спеціально передбачених для цього струмопровідних частин під дією струму, який перевищує певне значення.

Вимкнення кола, яке захищається відбувається за рахунок розплавлення плавкої вставки, яка нагрівається струмом.

Основними елементами запобіжника є корпус, плавка вставка (плавкий елемент), контактна частина, дугогасний пристрій та дугогасне середовище.

Запобіжники виготовляються на напругу змінного струму 36, 220, 380 та 660 В та постійного струму 24, 110, 220, 440 В.

Запобіжники характеризуються номінальним струмом плавкої вставки, тобто струмом, на який розрахована плавка вставка для тривалої роботи. В один корпус можуть бути вставлено кілька плавких вставок на різні номінальні струми, тому сам запобіжник характеризується номінальним струмом запобіжника, який рівний найбільшому із номінальних струмів плавких вставок, які передбачені для даної конструкції запобіжника.

При номінальному режимі тепло, яке виділяється струмом навантаження в плавкій вставці, передається в навколишнє середовище і температура всіх частин запобіжника не перевищує допустиму. При перевантаженнях або КЗ температура вставки підвищується і вона перегоряє. Чим більший струм, який проходить через плавку вставку, тим менше час плавлення. Ця залежність називається захисною (часострумовою) характеристикою запобіжника (рис. 1).

На цій кривій особливо виділяються такі струми, які використовуються для вибору плавкої вставки:

– найменший струм, який може розплавити плавку вставку (при цьому струмі плавка вставка може плавитись протягом невизначено тривалого часу (1-2 год));

– струм, при якому плавлення вставки та вимкнення мережі відбувається через 10 секунд після встановлення струму;

– номінальний струм плавкої вставки, тобто струм при вставка може працювати протягом тривалого часу, не нагріваючись вище допустимої температури;

Струми пов’язані простим співвідношенням:

Рис. 1. Захисна характеристика плавких запобіжників

 

Таблиця 1 дозволяє визначити необхідний діаметр плавкої вставки залежно від номінального струму. Мінімальний струм визначається з наближеного виразу:

 

Щоб зменшити час спрацювання запобіжників, застосовують плавки вставки з різного матеріалу, спеціальної форми, а також використовується металургійний ефект.

Таблиця 1

 

Найбільш поширеними матеріалами плавких вставок є мідь, цинк, алюміній, срібло та свинець.

Цинк та свинець мають низьку температуру плавлення (419 та 327ºС відповідно), що забезпечує невеликий нагрів запобіжників при роботі в тривалому режимі. Цинк стійкий до корозії, тому січення плавкої вставки не змінюється під час експлуатації і захисні характеристики залишаються незмінними. Цинк та свинець мають великий питомий опір, тому плавки вставки є великого січення. Такі плавки вставки застосовуються в запобіжниках без наповнювачів. Запобіжники зі вставками з свинцю та цинку мають великі витримки часу при навантаженнях.

Мідні вставки піддані окисленню; їх січення з часом зменшується та захисна характеристика запобіжника змінюється. Для зменшення окислення застосовують луджені мідні вставки. Температура плавлення міді 1080 ºС, тому при струмах, близьких до мінімального струму плавлення, температура всіх елементів запобіжника значно зростає.

Срібні вставки не окислюються, і їх характеристики найбільш стабільні.

Алюмінієві вставки застосовуються в запобіжниках у зв’язку з дефіцитом кольорових металів. Високий опір окисних плівок на алюмінії не дає можливість здійснити надійного роз’ємного контакту.

При великих номінальних струмах плавка вставка виконується з паралельних дротів або тонких мідних смужок.

Для прискорення плавлення вставок з міді та срібла використовується металургійний ефект – явище розчинення тугоплавких металів у розплавлених, менш тугоплавких. Прискорення плавлення вставки досягається також застосуванням вставки спеціальної форми (рис. 3, б). При струмах КЗ вузькі ділянки нагріваються так швидко, що відводу тепла майже немає. Вставка перегоряє одночасно в декількох вузьких місцях, перш ніж струм КЗ досягне свого усталеного значення в колах постійного струму або ударного струму в колах змінного струму (рис. 2).

 

Рис. 2. Струмообмежуючий ефект плавких запобіжників

а) при постійному стумі; б) при змінному струмі

 

Струм КЗ при цьому обмежується до значення (в 2-5 разів). Таке явище називається струмообмежуючою дією запобіжника.

Гасіння електричної дуги, яка виникає після перепаленні плавкої вставки, повинно здійснюватись якнайшвидше. Час гасіння дуги залежить від конструкції запобіжника.

Найбільший струм, який плавкий запобіжник може вимкнути без будь-яких пошкоджень або деформацій, називається граничним струмом вимкнення.

Запобіжники отримали широке застосування у промислових електроустановках, на електростанція, підстанціях, в побуті і мають різну будову.

Розглянемо будову найбільш поширених запобіжників.

Запобіжники з закритими розбірними патронами без наповнювача типу ПР-2 (рис. 3, а). Вони виготовляються на напруги 220 та 500 В і номінальні струми від 100 до 1000 А. Граничні струми вимкнення при  і  складають 6-20 кА.

Рис. 3. Запобіжник типу ПР-2:

а) патрон на номінальні струми 100-1000 А;

б) форми плавких вставок;

 

Патрон запобіжника ПР-2 на струм 100 А і вище складається з товстостінної фібрової трубки 1, на яку щільно насаджуються латунні втулки 3, які запобігають розриву трубки. На втулки нагвинчують ковпачки 4, які закріплюють плавку вставку 2, яка в свою чергу пригвинчена до ножів 6. Для запобігання повороту ножів 6 передбачена шайба 5, яка має паз для ножа.

При КЗ плавка вставка плавиться у вузьких січеннях А-А, В-В. При дузі, яка виникає, утворюються гази (50% СО₂, 40% Н₂, 10% пару Н₂О). Тиск залежно від вимикаючого струму може досягати 10 МПа і більше, що сприяє швидкому гасінні дуги. Для зменшення перенапружень, які виникають при вимкнені струму КЗ, плавка вставка має кілька звужених місць.

Запобіжники насипні типу ПН-2 (рис. 4) широко застосовуються для захисту захисних кіл до 500 В змінного та 440 В постійного струму і виконуються на номінальні струми 100-600А.

Рис. 4. Запобіжник типу ПН2

 

Фарфорова, квадратна ззовні та кругла в середині, трубка 1 має чотири різьбових отвори для гвинтів, за допомогою яких закріплюється кришка 4 з ущільнюючою прокладкою 5. Плавка вставка 2 приварена електроконтактним точковим зварюванням до шайб контактних ножів. Кришки з азбестовими прокладками герметично закривають трубку. Трубка заповнена сухим кварцевим піском 6. Плавка вставка виконана з однієї чи декількох мідних стрічок товщиною 0,15-0,35 мм і шириною 4 мм. На вставці зроблені прорізи 7, які зменшують січення вставки в 2 рази, причому їх кількість залежить від номінальної напруги запобіжника (з розрахунку 100-150 В на ділянку). Наповнювачем в запобіжниках ПН є чистий кварцовий пісок (99%). Замість кварцу може бути застосована крейда (СаСО₃), іноді її змішують з азбестовим волокном. При гасінні дуги крейда розкладається з виділенням вуглекислого газу СО₂ і СаО- тугоплавкого матеріалу. Реакція проходить з поглинанням енергії, що сприяє гасінню дуги. Іноді застосовуються для засипки гіпс та борна кислота.

Граничний струм вимкнення НП-2 досягає 50 кА.

 

Порядок оформлення роботи

 

1. Ознайомитися з будовою та принципом дії запобіжників.

2. Ознайомитися з ЧСХ запобіжників.

3. Ознайомитися з запобіжником ПР-2.

4. Ознайомитися з запобіжником ПН-2.

5. Підготувати звіт по лабораторній роботі.

 

Контрольні питання

 

1. Яка будова плавкого запобіжника?

2. Який принцип дії плавкого запобіжника?

3. З яких металів виконують плавки вставки запобіжників?

4. Що таке захисна характеристика запобіжника?