Съвременни стопяеми предпазители

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2014

Cтопяемите предпазители са елементи с еднократно действие, които изпълняват защитна функция в електрическите вериги. В авариен режим те изгарят и по този начин разкъсват електрическата верига и предпазват от предизвиканите от голямата стойност на тока на късо съединение висока температура и динамични усилия, по-ценни и важни елементи от веригата.

Елементарната им конструкция, доброто съотношение цена-параметри, лесната експлоатация и замяна, както и тяхната надеждност са сред причините за все още широкото им разпространение в електрическите инсталации.

Видове предпазители

Стопяемите предпазители се класифицират в зависимост от конкрукцията и бързодействието си. Според конструкцията си биват ножови; болтови; резбови; с проводникови изводи; цилиндрични. Според бързодействието си се различават следните видове предпазители: стандартни; бавнодействащи; бързодействащи DZ; свръхбързодействащи (Ultra rapid) (FA/FB, FC); с времезадръжка (time-lag, slow acting) (TT, SB, ST, HT); токоограничаващи; back-up предпазители (архивиращи връзката); full range предпазители (пълноспектърни); термопредпазители за защита на електрическо оборудване от прегряване; самовъзстановяващи се предпазители (multifuse).

Изисквания към предпазителите в нормативната база

Международната електротехническа комисия IEC (International Electrotechnical Commission) публикува стандарт 60269 за силови предпазители за ниско напрежение. Стандартът е в четири тома, които описват общи изисквания към предпазителите за промишлени и търговски приложения, предпазители за битови нужди, както и предпазители за защита на полупроводникови устройства.

Стандартът IEC обединява няколко национални стандарта, като по този начин подобрява взаимозаменяемостта на предпазителите. Всички предпазители, направени по различни технологии, изпитани да отговарят на стандартите IEC, имат сходни времетокови характеристики, което опростява дизайна и поддръжката им.

Сред основните изисквания към конструкцията и параметрите според стандарта IEC 60269 са:

• Времетоковата характеристика на предпазителя трябва да стои по-ниско, но и възможно най-близко до времетоковата характеристика на защитавания обект.

• При късо съединение предпазителите трябва да сработват селективно.

• При късо съединение предпазителите трябва да сработват за минимално време, особено когато се защитават полупроводникови елементи.

• Характеристиките им трябва да са стабилни. Производствените разлики в параметрите не трябва да нарушават защитните им свойства.

• Замяната на изгорял предпазител трябва да става бързо.

• Контактните съединения на изводите с присъединителните проводници трябва също да съответстват на стандарта.

• Температурното прегряване на контакти и изводите при номинален ток и при температура на околната среда 20 °С, да е не повече от 65 °С.

• Изводите им да допускат присъединителните проводници със сечения, указани в стандарта, с помощта на резбови крепежни елементи.

• Строго съответствие на характеристиката на предпазителя и защитавания обект.

Предимства и недостатъци

На първо място сред предимствата може да се посочи, че простата конструкция на предпазителите изключва възможността при авария те да не сработят поради механична повреда. В асиметрични трифазни вериги при авария на една фаза прекъсва само едната, а останалите две фази продължават да снабдяват товара (това не се препоръчва при големи токове, защото ще доведе до много голяма асиметрия по напрежение).

Също така, поради малката скорост на изключване, могат да се използват за селективност на веригите. При последователно съединение имат много по-просто изчисление за селективност от автоматичните предпазители - номиналните токове на последователно съединените предпазители трябва да се различават с 1,6 пъти или повече. Предпазителите имат голям срок на експлоатация (ако са добре херметизирани), висока ефективност и ниски загуби на мощност при средни напрежения.

Като недостатъци могат да се посочат възможността за еднократна употреба; отделянето на голямо количество топлина, особено при претоварване или изгаряне (често явление е изгаряне на изолацията на свързващите проводници). Друг голям недостатък на стопяемите предпазители е конструкцията, даваща възможност за шутиране, което води до пожари с неясна причина. Стопяемите предпазители могат да изключват до 500 kVA и напрежение до 660 V.

При по-големи мощности и напрежения са непригодни, защото големите токове и остатъчните напрежения на късо съединение, поддържат дъгата и тя не може да прекъсне. При захранване на трифазни двигатели при изгаряне на един предпазител прекъсва съответната фаза и двигателят лесно може да изгори. В такива случаи се препоръчват релета за контрол на фазите, които допълнително оскъпяват конструкцията. Възможни са необоснована замяна на предпазител с много по-голям ток от номиналния за защитаваната верига, както и асиметрия на фазите в трифазни силови вериги особено при големи токове.

При използване в схема с малко напрежение е необходимо да се отчита падът на напрежението. Вложката е от тънък проводник или лента с някакво съпротивление, което предизвиква пад на напрежение на изводите му. Предпазителите се произвеждат максимум до 1250 А, защото над 800 А стават източник на повишена опасност. По тази причина ножовите предпазители се използват само в места, където има изключително квалифициран персонал, необходимото оборудване и квалификация по техника на безопасност.

Предпазителите не могат да изключват големи токове на късо съединение (максимум до 50 kA). Не се препоръчват за използване при големи токове и ниски напрежения (поради големия пад на напрежение и загуба на мощност в тях). Също така имат сравнително големи загуби.

Качеството на предпазителя

в голяма степен зависи от стойността на преходното електрическо съпротивление - при лош контакт на вложката с изводите това съпротивление може да е по-голямо и да достигне 50% от нормалното. Това съкращава живота на предпазителя. При мощните предпазители е задължително използване на заварка на вложката с изводите на предпазителя.

В маломощните предпазители може да използва спойка, но по-често се използва механична дифузна връзка. Конструкцията на контактите трябва неподвижно да държи вложката при силните електродинамични сили. Корпусът на предпазителя не трябва да се разрушава при всякакви режими на експлоатация.

Нисковолтовите предпазители трябва да издържат ток, равен на 130% от номиналния ток, за неопределено дълго време, а при ток 160% от номиналния - до 1 ч. При ток 200... 250% времето за изгаряне на предпазите за обща употреба се снижава до няколко секунди. Друг важен параметър, характеризиращ работата на предпазителя, е неговата токоограничаваща характеристика.

Тя определя зависимостта на тока, ограничен от предпазителя и ефективната стойност на тока на късо съединение в авариралата верига. Ограничаването на тока е вследствие горенето на дъгата в предпазителя и се определя от нейната волтамперна характеристика. Стопяемите предпазители се използват най-вече за защита от вътрешни къси съединения.

Бързина на изгаряне, I2 количествена стойност, Джаулов интеграл

Скоростта, с която предпазителят ще изгори, зависи от това какъв ток протича през него и от какъв материал е направен. Предпазителите имат различни времетокови характеристики. Бавнодействащ предпазител при два пъти номинален ток ще изгори за десетки секунди. Стандартен, добре направен предпазител трябва да изгори за една секунда, ако протече през него два пъти номиналният му ток.

Бързодействащият предпазител при два пъти номинален ток ще изгори за по-малко от 0,1 секунда. Подборът на предпазител зависи от характеристиките на товара. Полупроводникови устройства трябва да използват бърз или свръхбърз предпазител, тъй като полупроводникът в устройствата загрява изключително бързо до опасни температури. Свръхбързодействащите (Ultra rapid) предпазители са предназначени за най-чувствителното електронно оборудване. Там дори и краткото претоварване по ток може да бъде много опасно. Бързодействащи (Quick acting) предпазители са предпазителите за силови електронни устройства.

Предпазителите с времезадръжка (time-lag, slow acting) са предназначени да позволят ток, който е над номиналната стойност на предпазителя, да протече за кратък период от време, без да изгори предпазителят. Този вид предпазители се използват за електрическо оборудване, като например двигатели, които могат да предизвикат по-голям ток от нормалния в продължение на няколко секунди.

Този термин обикновено се използва и за прекъсвачи, а стойностите се използват за извършване на проучвания в електрическите мрежи. I2t параметрите се вземат от информационните листове на производителя за всеки предпазител поотделно. Стопяването на вложката е пропорционално на количеството енергия, необходимо за да започне топенето й. Енергията главно се дължи на тока и времето, както и на разположението по ниво на селективност в системата.

Сред важните технически параметри е и Джауловият интеграл - квадратичен импулс на токовата плътност (количеството енергия, за да изгори предпазителният елемент). Пълният Джаулов интеграл се състои от енергията за стопяване на вложката на предпазителя и енергията на горене на дъгата. Първата съставяща е характеристика на предпазителя и е постоянна величина, докато втората зависи от параметрите на авариралата верига (ток, напрежение, cosj).

Защита чрез бързодействащи предпазители

Бързодействащите предпазители (Fast-acting, Time lag. uberflink, silized, FF, gR, aR, gS) се характеризират със следните свойства:

• Много високо бързодействие и малка величина на защитния показател I2t.

• Слаба температура на корпуса на предпазителя в работен режим, благодарение на използване на материали с висока топлопроводимост и използване на специална конструкция.

• Минимални електрически и топлинни загуби в работен режим.

• Практически пълно отсъствие на процес на стареене, свързани с окисление на вложката, която тук е изработена от сребро или друг трудноокисляващ се метал.

• Ниско напрежение на възникващата при изгарянето дъга и от там ниско комутационно напрежение.

• Времето на пълно сработване на микропревключвателя е около 5 ms, считано от края на преддъговото време.

• За всички типове съществува два типа изпълнение - стандартно и за използване в агресивни среди.

• Всички типове бързодействащи предпазители са снабдени с индикатори за сработване, който не се нуждае от допълнителен адаптер.

Бързодействащите предпазители могат се използват за защита по ток в системите най-вече за постоянен ток. Те се отличават от другите видове с това, че характеристиката им повтаря товарната характеристика на полупроводник. Изключително полезни са при използване в измерителни уреди. Задачата им е да предпазят входната верига на измерителния прибор от претоварване.

Изключително важно там е бързодействието на предпазителя. В англоезичната литература ги наричат "super fast blow", които не допускат критично повишаване на тока. Те са разработени за работа с постоянен ток и в разпределителните шкафове на постоянен ток, инвертори, преобразуватели на честота, контролери, зарядни устройства, железопътно оборудване.

Предпазители за полупроводникови елементи

При работа на електронните преобразуватели могат да настъпят различни аварийни режими, които да доведат до повреда на някои от силовите полупроводникови елементи на преобразувателя. Най-чести аварии възникват следствие на къси съединения в товара или захранващата мрежа и при повреди в схемата за управление и регулиране. Тези аварии могат да предизвикат пробив и да нарушат нормалната работа на преобразувателя.

На съвременния етап схемите на преобразуватели се изграждат с употреба на бързодействащи IGBT транзистори. Сложната структура на чипа на IGBT определя по-ниска стойност на защитния показател в сравнение с тиристорите с аналогични параметри. Особено опасен е пробивът, когато възникне в момента на комутация на тока през даден вентил, тъй като тогава токът на късо съединение достига най-голяма стойност.

Както е известно, полупроводниковите прибори (диоди, транзистори и тиристори) имат малка претоварваща способност в сравнение с останалото силово електрообзавеждане. Ето защо към устройствата за защита на тези прибори се поставят повишени изисквания по отношение на бързодействие.

Едни от най-разпространените защитни средства за полупроводникови елементи са специални бързодействащи стопяеми предпазители. Те се използват за защита на преобразувателите при къси съединения, но трудно могат да ги защитят от претоварвания. Този вид предпазители са два вида: a - частичен диапазон за ток на късо съединение и g - пълен диапазон за ток на претоварване и ток на късо съединение.

Ниските величини на защитните показатели практически изключват възможността за ефективна защита даже и с бързодействащи предпазители. Предпазителите, които ги защитават, не успяват да ограничат бързонарастващия ток в колекторната им верига в аварийна ситуация. Независимо от факта, че много IGBT-модули са снабдени със системи за контрол на тока и температурата на кристала, тези модули не могат напълно да защитят възможността за излизане от строя на IGBT при късо съединение или отказ на системите за контрол.

Обикновено такива аварии завършват с разрушаване на структурата на модула или експлозия на кондензаторите във веригата. Въпреки че бързодействащите предпазители не са в състояние да предотвратят подобно развитие на аварията, те успешно изпълняват задачата си да предотвратят лавинообразно развитие на аварията и успешно я ограничат.

Малката топлинна инерция, бързото нагряване на полупроводниковия преход, изключително затрудняват защитата на мощни полупроводникови елементи.

Обичайните типове предпазители и автоматични изключватели не могат надеждно да се използват за защита, тъй като имат голямо време на заработване. За да се изпълни тази нелека задача, трябваше да се създаде специален клас предпазители, така наречените бързодействащи предпазители (време за стопяване на вложката по-малко от 2-3 ms) при напрежение 2,5 kV и ток до 2-5 kA.

Електрическите им характеристики са описани в IEC 269-1 и IEC 269-4, за честота 50 Hz, отсъствия на вятър и температура на околния въздух от 20 до 25 °С. Изключващата им възможност се тества при Uном +10%. Номиналното им напрежение според стандарта е от 150 до 1250 V в съответствие със стандарта IEC, и от 400-500 до 1300 V в съответствиe със стандарта в US.

Те са предназначени за защита на полупроводникови устройства (IGBT транзистори, тиристори, диоди, GTO, IGCT) в преобразуватели, изправители, устройства за плавен пуск, инвертори, UPS и др. Заедно с ниския показател I2t те се характеризират и висока изключвателна възможност и възможност за употреба във вериги на постоянен ток. Понякога се комплектуват с микроконтакти (свободни блокконтакти), различни типове държатели и други аксесоари.

В случай на късо съединение във веригите на полупроводникови устройства възникват токове на късо съединение от порядъка на няколко килоампера. Даже и най-мощният полупроводник трудно може да устои на подобно разрушително действие. Изследването на такива случаи е много трудно заради сложните схеми (получават се много сложни диференциални уравнения от висока степен).

Най-прагматичното решение в случая е използване на специален бързодействащ предпазител, предназначен за защита на електронните устройства. Такива бързодействащи и свръхбързодействащи предпазители се изработват от полимер. В литературата са познати като High Speed Fuse, Fast Fuse или Ultra Fast Fuse. Принципно такъв вид предпазител се избира с номинален ток 20-30% и повече от номиналния ток на полупроводника или Imin=(1.3 ... 1.5)Iном.

Може да се избере и със същия ток като на полупроводника, ако натоварването е сравнително постоянно. Основната характеристика е като на другите видове предпазители - и това е параметърът I2t (изразен в А2s), характеризиращ скоростта на изгаряне. Колкото този параметър е по-малък, толкова по-бързо той ще прекъсне веригата. Препоръчителната стойност на I2t за всеки тип трябва да се вземе от техническата документация на производителя.

Ако не разполагаме с документация, можем да я снемем експериментално. За целта се вземат еднакви предпазители, които се изгарят на различни по големина токове. Измерва се времето за изгаряне при съответния ток. На всеки ток съответства определено време на изгаряне - по тези данни съставяме времетокова характеристика.

Статията продължава в следващ брой.

Маркировка на предпазителите

Първа буква в маркировката:

g - Пълен диапазон. Предпазители за защита от токове на късо съединение и претоварване;

a - Частичен диапазон. За защита само от токове на късо съединение.

Втора буква:

G - универсален предпазител за защита на различни типове електрооборудване: кабели, електродвигатели, трансформатори;

M - за защита на електродвигатели;

B - за защита на минно оборудване (имат повишени изисквания за взривобезопасност).

L - за защита на кабели и разпределителни устройства;

Tr - трансформатори;

F - за защита маломощни вериги;

R - за защита на полупроводникови елементи;

S - бързо изгаряне при късо съединение и средно време на изгаряне при претоварване;

PV -фотоволтаични блокове.

Пример за маркировка на предпазители:

gR - (със свръхбързо стопяеми вложки) за защита на полупроводникови елементи от късо съединение и претоварване;

gG/gL - защита на линейни вериги от претоварване и късо съединение.

Други маркировки:

Серия или климатично изпълнение; номинално напрежение и вид на тока; номинален ток; изключващ ток (КА); знак за съответствие; знак на производителя. Ръкохватката за смяна на предпазители трябва да има трайна маркировка за пределното напрежение.


Top