Предохранители являются аппаратами защиты цепей от токов перегрузок и токов КЗ. Принцип действия основан на плавлении и разрушении металлической вставки от сверхтоков и гашении электрической дуги внутри корпуса.

Основные требования к предохранителям:

• правильное согласование времятоковых характеристик предохранителя и защищаемого объекта;
• минимально возможное время срабатывания предохранителя;
• обеспечение селективности защиты участков цепей (может обеспечиваться только в радиальных цепях);
• стабильность характеристик предохранителя;
• высокая отключающая способность;
• простота устройства, удобство замены вставки.

Предохранители для сетей ВН производятся на номинальные напряжения от 3 до 110 кВ, номинальные токи от 2 до 400 А и токи отключения от 2,5 до 40 кА.

Существуют раздельные понятия номинального тока плавкой вставки и номинального тока предохранителя (ток контактной системы и патрона), определяемого наибольшим из токов вставок для установки в данный предохранитель. Ток отключения определяется действующим значением периодической составляющей тока КЗ сети, которое предохранитель может отключить без повреждений элементов конструкции (кроме вставки).

Особенности работы предохранителей при длительном нагреве плавких вставок номинальными токами и токами перегрузки, а также при интенсивном нагреве токами КЗ рассматриваются по времятоковым характеристикам для таких режимов, которые представлены на рисунках 1, а, б.

Рисунок 1 – Времятоковые характеристики при разных токах через предохранитель: а – характеристики при длительных токах; б – характеристика при токах КЗ

В идеальном случае согласование времятоковых характеристик (рис. 1, а) предполагает расположение характеристики предохранителя (1) как можно ближе, но с некоторым смещением вниз по оси времени относительно характеристики объекта (2), что обеспечивает его защиту при любых токах. Однако, практически, это не выполняется, поскольку такому соотношению характеристик свойственно, что ток цепи превышает ток срабатывания предохранителя в любой момент времени.

Предохранитель будет работать с перегрузкой и быстро выходить из строя, также цепь будет отключаться при допустимых кратковременных сверхтоках и пусковых токах электродвигателей.

Реальная характеристика предохранителя имеет вид (3) и в области номинальных (Iном) и допустимых малых сверхтоков (зона А) цепь не отключится, т. е. предохранитель отстроен от таких токов и не защищает цепь. При росте токов и достижении больших сверхтоков (зона Б) характеристика предохранителя лежит ниже, и он защищает цепь. Ток, при котором предохранитель срабатывает с перегоранием плавкой вставки, когда её температура достигла установившегося значения называется пограничным током – Iпогр.

Для эффективной защиты цепи предохранителем с отстройкой от номинальных токов и сохранением чувствительности необходимо обеспечить

Iном < Iпогр = 1,3 ÷ 2Iном .

При пограничном токе вставка плавится достаточно долго – более 1 часа. При этом значение Iпогр должно определять температуру вставки близкую к температуре плавления (для меди 1083 ^оС, для серебра 961 ^оС, для алюминия 658 ^оС, для цинка 419 ^оС). В свою очередь предельные температуры нагрева конструктивных элементов предохранителей при температуре окружающей среды + 40 ^оС ограничиваются следующими значениями: для токоведущих частей, кроме находящихся внутри патрон ‒ 105 ^оС, для патрона из керамического изоляционного материала – 155 ^оС, для патрона из органического изоляционного материала – 100 ^оС.

Нагрев вставки предохранителя при больших сверхтоках и токах КЗ, из-за малой постоянной времени, можно рассматривать как адиабатический, т. е. как нагрев тела без отдачи тепла в окружающее пространство (см. рис. 1, б).

Срабатывание предохранителя, т. е. начало разрушения вставки, происходит до достижения установившегося значения тока КЗ Iкз.уст при токе отключения Iоткл в момент времени t1. Промежуток времени t2 – t1 включает в себя время нагрева вставки до температуры плавления tпл, время перехода материала вставки из твёрдого в жидкое состояние tпер, и время горения электрической дуги tд, образованной в разрыве, что составляет время срабатывания предохранителя (tпр = tпл + tпер + tд).

На напряжения 3‒35 кВ широко применяют кварцевые предохранители для внутренней и наружной установки. Патрон заполняется чистым мелкозернистым песком с содержанием кварца порядка 99 %, что обеспечивает токоограничение при больших сверхтоках, интенсивную деионизацию и быстрое гашение дуги, а также усиленное охлаждение плавких вставок, позволяющее уменьшить их сечение и снизить ток плавления. Внешний вид предохранителей серии ПК (ПКТ, ПКН и ПКЭ) и конструкции патронов со вставками на керамическом основании и в виде спирали представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Конструкция ПК

Предохранитель устанавливается в контактные губки и упоры (2) с фиксирующими замками (3), смонтированные на основании (1) через опорные изоляторы (6). Внешняя цепь подключается к контактным зажимам (5). Патрон (4) состоит из латунных обойм (7), крышки (8), наполнителя – кварцевого песка (11), вспомогательных вставок (13), указателей срабатывания (14). В модификации с намоткой вставки на керамический рифлёный каркас (изготавливается на токи до 8 А) включает вставку (9), каркас (12). Вариант с параллельными спиралями включает вставки (10) и изготавливается на токи свыше 8 А.

Указатель срабатывания удерживается вспомогательной вставкой, после перегорания которой, под действием пружины освобождается. Может использоваться для автоматического отключения выключателя нагрузки после срабатывания предохранителя, а также в предохранителях с АПВ.

Более надёжными в сетях 35-110 кВ для наружной установки являются газогенерирующие (стреляющие) предохранители, конструкция которых на примере ПВТ показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Конструкция ПВТ

Корпус предохранителя устанавливается в верхней (1) и нижней (6) контактных головках с болтовыми контактными зажимами, закреплённых на опорных изоляторах (2), смонтированных на основании (3). Корпус предохранителя включает патрон (4) и контактный нож (5). В корпус патрона (7) вмонтированы винилпластовые трубки (8), внутри которых размещаются токоведущий стержень (9), плавкая вставка (11), гибкий проводник (12) и, выступающий из корпуса, наконечник (13). При перегорании вставки дуга воздействует на стенки трубки, выделяющие газ, что поднимает давление.

Сильные токи отключения вызывают разрыв мембраны в патрубке (10) и дуга гасится поперечным автогенерирующим дутьём. При малых токах дуга гаснет под действием давления в корпусе и отхода контактов.

Отключение газогенерирующих предохранителей сопровождается выбросом пламени, газов и хлопковым (стреляющим) звуком, что определяет необходимость их установки в фазах на значительном удалении друг от друга.

Условия выбора

В соответствии с предохранители подбирают по следующим условиям:

• по номинальному напряжению: Uном.апп = Uном.сети ;
• по номинальному току: Iном.апп ≥ Iном.сети ; или наибольшему рабочему току kпер Iном.апп ≥ Iраб.макс.сети ;
• по току отключения аппарата и начальному действующему значению периодической составляющей тока КЗ: Iном.откл ≥ I_(0)КЗ ;
• отстройка от пиков намагничивающего тока трансформаторов (до 10Iном в течение 0,1 с);
• проверка по селективности срабатывания с выключателями на низкой и высокой сторонах.