Развитие и совершенствование плавких предохранителей и автоматических выключателей

Министерство сельского хозяйства  и продовольствия

Республики Беларусь

 

Учреждение образования

«Белорусский государственный  аграрный технический университет»

 

Кафедра Электрические аппараты управления

 

 

Реферат

На тему: «Развитие и совершенствование плавких предохранителей и автоматических выключателей»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 4 курса

29 эпт группы

Каршаков А.А.

Проверил:

Гурин В.В.

 

 

 

 

Минск  2012

Развитие и  совершенствование предохранителей.

В истории развития электрических  аппаратов плавкие предохранители явились первыми и наиболее дешевыми устройствами для защиты электрических  цепей от токовых перегрузок и  токов К.З. 
Предохранитель - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение. 
Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили очень широкое их применение. 
Предохранители низкого напряжения изготавливаются на токи от миллиампер до тысячи ампер и на напряжение до 660 В, а предохранители высокого напряжения – до 35 кВ и выше. 
Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако, несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус; плавкую вставку; контактное присоединительное устройство; дугогасительное устройство или дугогасящую среду. 
Процесс срабатывания предохранителя делится на несколько стадий: нагревание вставки до температуры плавления, плавление и испарение вставки, возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующегося изоляционного промежутка.

Совершенствование предохранителей  направлено на устранение их недостатков. Одним из недостатков предохранителей  как аппаратов коммутаций электрической цепи является отсутствие дистанционного управления.

Конструкции управляемых предохранителей разнообразны, но все они выполнены на основе механического разрыва плавкого элемента по сигналу дистанционного управления (например, от защитного устройства). В одних конструкциях разрезается или разрывается плавкий элемент, в других - контакт, включенный последовательно с плавкой вставкой.

Одним из основных недостатков  плавких предохранителей является однократность действия. После каждого срабатывания плавкую вставку надо заменять новой. Создание предохранителя многократного действия является актуальным вопросом. Для изготовления такого предохранителя можно использовать плавкую вставку из жидкого металла. В качестве жидкого металла используют эвтектику гелия, натрий, калий, ртуть. Под действием тока КЗ жидкий металл испаряется, вызывая взрывообразное повышение давления в дугогасительной камере. Пары металла обладают значительным сопротивлением и поэтому ток резко ограничивается, а возникшая дуга гаснет. После остывания и конденсации паров металла цепь плавкой вставки самопроизвольно восстанавливается за 2-4 мс. При непроходящем КЗ такой предохранитель будет многократно отключать и повторно включать электрическую цепь, что нежелательно. Этого недостатка можно избежать, если применять его с другим коммутационным аппаратом, например, с автоматическим выключателем, который срабатывает после отключения тока КЗ, в бестоковую паузу.

Плавкие предохранители многократного  действия с жидким плавким элементом  получили название жидкометаллических самовосстанавливающихся предохранителей (ЖСП). У ЖСП дугогасительной камерой является диэлектрическая втулка, герметизирующая плавкий элемент. Это исключает его окисление и способствует стабилизации защитной характеристики предохранителя. У ЖСП отношение I_погр/I_ном не превышает 1,1, а для плавких элементов из серебра и меди оно значительно выше. В связи с этим ЖСП пригодны для защиты электрооборудования от перегрузок, особенно для защиты полупроводниковых приборов.

Первые публикации об опытных  образцах ЖСП появились в 1971-1975 гг. за рубежом. Достигнута отключающая способность ЖСП - 200 кА, номинальный ток - 800А, срок службы - 30 лет.

Опытный образец имел диэлектрическую  втулку из оксида бериллия длиной 20 мм. Длина суженной части втулки составляла 3 мм, диаметр канала - 0,7 мм. В суженой части канала устанавливается тугоплавкий электрод. Ток подводится от контактного вывода через тугоплавкий электрод, жидкий металл — к металлическому фланцу, далее через корпус демпфирующего устройства - ко второму контактному выводу.

При токе перегрузки или  КЗ происходило испарение: жидкого  металла в полость сильфона, разрыв цепи и возникновение электрической дуги: с последующим гашением дуги в месте соприкосновения жидкого металла с тугоплавким электродом.

Разновидностью специальных  быстродействующих предохранителей с очень малым временем срабатывания 0,2-0,7 мс и большой отключающей способности являются взрывные предохранители. Они применяются в цепях больших постоянных токов и напряжений. В них токоведущая вставка разрушается в аварийном режиме под действием взрывного заряда. Контроль тока в цепи осуществляется датчиком тока. При КЗ датчик тока выдает сигнал на импульсный трансформатор, от которого питается взрывное устройство, размещенное в корпусе плавкой вставки.

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 и в  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 2/„ом, и более 1 ч при токе перегрузки, равном 1,3/ном. 
Высоковольтные предохранители часто применяются для защиты трансформаторов напряжения от КЗ (§ 23.1). 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 и конструкция высоковольтных предохранителей. Наибольшее распространение получили предохранители с мелкозернистым наполнителем и стреляющего типа. 
б) Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Размер зерен и материал такие же, как и в низковольтных предохранителях.

Для эффективного гашения дуги плавкая  вставка берется малого диаметра. 
Предохранители типа ПК на напряжение 6—10 кВ (рис. 16.12, 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 3 1тш, 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. 
При номинальных токах, превышающих 7,5 А, плавкая вставка выполняется в виде параллельных спиралей (рис. 16.12,6). Применение параллельных вставок позволяет увеличить номинальный ток до 100 А при (7ном=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 (§ 18 10), 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 вводит 
ся 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 4,5(7„ом 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 поминальный 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). 

 
Рис 1612 Предохранитель типа ПК

 

 

 

 

 

 

Автоматические выключатели.

Для того чтобы промышленное предприятие  эффективно выполняло свою работу, а жилые или коммерческие объекты  успешно эксплуатировались, в первую очередь необходимо надежное и непрерывное  обеспечение этих объектов электроэнергией. Важную роль в устройстве линий распределительных  сетей играют автоматические выключатели, которые в первую очередь предназначены  для аварийного отключения подачи электроэнергии в случае возникновения нештатной  ситуации. Поэтому именно от качества автоматических выключателей зависит  безопасность и надежность всей энергетической системы, независимо от температуры  и влажности окружающей среды. Правильный выбор и установка этих выключателей в итоге влияет на экономическую  эффективность работы всей электросети.

 

 

 Выключатели будущего:

Проблемы управления электрической  дугой, неизбежно возникающей во всех существующих выключателях, изучаются  уже более 100 лет. Конечно, лучше вообще избежать образования дуги, чем управлять  ею, что станет возможным в случае разработки новых принципов коммутации с помощью полупроводниковых  устройств.Силовые электронные устройства широко применяются в электроэнергетике и в высоковольтных системах постоянного тока (HVDC) и используют мощные полупроводниковые приборы с наилучшими характеристиками. Именно эти устройства и составляют основную номенклатуру изделий компании АББ. Для применения этой технологии в выключателях ее нужно серьезно усовершенствовать. Современные полупроводниковые технологии позволяют создать мощный выключатель, по крайне мере, теоретически, но он получился бы слишком сложным и чрезвычайно дорогим. Полностью электронный выключатель не выдержал бы конкуренции современного рынка.

Однако история развития автоматических выключателей показывает, что сочетание  нескольких известных технологий в  одном продукте имело неизменный успех. Компания АББ продолжает эту  традицию и объединяет функции традиционных выключателей с воз-можностями силовых электронных устройств. Так что не за горами новые технологические прорывы в этой области.

 

Водяные и масляные выключатели  возникли на заре их развития и работали при очень

низких токах и напряжениях.  Контакты этих выключателей погружались в большой резервуар с рабочей средой. В этих условиях формирование дуги приводило к ионизации рабочей среды и выделению водорода. Когда ток приближался к нулю (например, каждые 10 мс в сетях переменного тока частотой 50 Гц), высокое давление испарившегося вещества сжимало заполненный газом дуговой канал. В результате, проводимость вещества  между разомкнутыми контактами существенно снижалась, и дуга исчезала. К сожалению, из-за большого объема рабочей среды такие выключатели получались очень громоздкими, и в случае отказа выключателя, давление могло возрасти, что вызывало серьезный риск  взрыва и воспламенения. Несмотря на весь этот риск, масло оставалось популярным рабочим веществом. У каждого из выключателей есть свои достоинства и недостатки. Масляные выключатели, особенно с  самопродувкой, имеют простую конструкцию и могут работать при малых механических усилиях. Однако использовать в качестве рабочей среды масло не очень удобно. Оно склонно к возгоранию и требует тщательного обслуживания. С другой стороны выключателям на сжатом воздухе нужны мощные компрессоры, и поэтому их работа сопровождается сильным шумом. Однако высокое давление можно использовать для перемещения контактов, к тому же, системы на сжатом воздухе чище и проще в обслуживании, чем масляные.

 

Выбирая выключатель, в первую очередь необходимо обратить внимание на имеющееся количество защищенных полюсов. Бывают 2-х и 4-полюсные выключатели в конфигурации соответственно 2Р и 4Р, или же в конфигурации 1+N или 3+N. Имеется отдельная серия HiBD63, в которой доступен ряд нестандартных токов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 13, 15, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63 А, с разновидностью характеристик отключения типа B, C, D, благодаря чему появляется возможность использования в нестандартных инженерных проектах. Серия HiBD125 позволяет работать с рядом токов в 63, 80, 100, 125 А (тип отключении: B, C, D), и имеет несколько большие чем у серии HiBD63 габариты.

Автоматические выключатели допускают  присоединение провода с максимальным поперечным сечением в 50 мм2. Эти приборы могут выполнять свои функции в широком температурном диапазоне от -25 до +550С. Однако не стоит забывать, что чувствительность биметаллической пластины сильно зависит от температуры внешней среды. Есть каталог продукции, в котором имеются таблицы с указанными уровнями чувствительности к силе протекающего тока в зависимости от температуры в пределах -40 – 700С Благодаря использованию компанией Hyundai новейших технологий и материалов появилась возможность в значительной степени снизить зависимость чувствительности пластины от температуры внешней среды. В результате весьма существенно повышается надежность работы приборов с аналогичными приборами иных марок. В качестве дополнительного оборудования и приспособлений могут использоваться вспомогательные контакты перекидного типа AUX, контакты для аварийного сбрасывания типа ALT, выключатели минимального напряжения UVT или же независимые выключатели SHT. В серию модульных приборов HHI, кроме всего прочего, входят и выключатели нагрузки типа HiSD в вариантах с различным количеством полюсов для работы с токами в пределах 16 – 125 А, а также дифференциальные выключатели серии HiRO и HiRC

Миниатюрные автоматические выключатели модульного типа 
Выключатели этого типа являются наиболее многочисленной группой продукции, производимой Hyundai Heavy Industries. Это связано с очень широкой сферой их использования. Модульные выключатели предназначены для установки непосредственно возле потребителя. Эти автоматические выключатели нашли широкое применение в распределительных устройствах объектов самых различных типов. Их можно увидеть в жилых, административных, коммерческих и промышленных помещениях, гаражах и различных других распределительных щитках. Основной их функцией является защита линий от коротких замыканий и перегрузок, а также быстрое включение и выключение подачи постоянного или переменного тока с рабочим напряжением до 500 В. Действие автоматических выключателей основано на следующем принципе: при перегрузке в цепи протекающий через выключатель ток нагревает биметаллическую пластину. Вследствие нагревания эта пластина деформируется  и действует на рычаг, который размыкает контакты цепи. Время выдержки соответственно уменьшается с увеличением силы тока. В случае короткого замыкания сила тока резко возрастает, причем в довольно значительных пределах. При этом магнитное поле в электромагнитной катушке также многократно возрастает, и сердечник катушки также размыкает контакты. Как в первом, так и во втором случае, подвижный контакт взаимодействует с неподвижным контактом, сцепляясь и расцепляясь с ним.  При расцеплении контактов и происходит разрыв электрической цепи, благодаря чему гарантируется защита от короткого замыкания и перегрузок. Причем, совершенно не важно, в каком положении находится рычаг управления – в положении «включено» или нет, выключение все равно происходит автоматически.