Загальні відомості

Топкий запобіжник – це пристрій для захищення електричного кола його розмиканням через руйнування спеціально призначеного для цього елемента під дією струму у разі перевищення ним визначеного значення протягом певного часу. Топкі запобіжники служать для захисту електроустановок від струмів КЗ і перевантажень.

Невід’ємною складовою частиною запобіжника є топкий металевий елемент (вставка у вигляді тонкої проволоки або пластинки спеціальної форми). Вставку вибирають з високою провідністю, щоб попередити надмірне падіння напруги на ній, і низькою температурою топлення. Вона включається послідовно в коло об’єкта, який потрібно захистити. При струмах КЗ вставка нагрівається до температури топлення металу і, розтоплюючись, розриває коло. Вставка повинна топитися за малий проміжок часу, щоб захистити електроустановку від небезпечних впливів великих струмів.

Осцилограма вимкнення кола топкою вставкою наведена на рис. 1.1.

Струм КЗ, який змінюється на початку топлення вставки приблизно по синусоїді, потім відхиляється від графіка синусоїди, як це зображено на рис. 1.1, досягає максимуму, що має назву піку струму топлення і спадає до нуля.

Рис. 1.1. Осцилограма відключення кола топкою вставкою

Різноманітні конструкції запобіжників в основному складаються з топкої вставки, контактного пристрою і корпусу. В багатьох конструкціях топка вставка розміщується всередині об’ємної трубки із ізоляційного матеріалу (фібри), армованої на кінцях контактними частинами. Ця трубка називається патроном. Для більш ефективного гасіння дуги, що утворюється при розтопленні топкої вставки, запобіжники роблять з спеціальним дугогасним пристроєм, для якого використовуються різноманітні дугогасні середовища (дрібнозернисті наповнювачі у вигляді кварцового піску і т.п.).

Основні характеристики топких запобіжників та топких вставок:

1. Номінальною напругою запобіжника називається напруга між виводами запобіжника, що дорівнює номінальній між фазній напрузі електричних мереж, для яких призначено запобіжник.

2. Номінальним струмом запобіжника називається найбільший допускний за умовами нагрівання частин запобіжника тривалий струм. Номінальний струм запобіжника збігається з номінальним струмом його топкої вставки

3. Номінальним струмом топкої вставки називається найбільший допускний щодо умов нагрівання частин топкої вставки тривалий струм у разі ї вставлення в контактах чи в призначеному для неї патроні.

4. Сподіваний струм – це струм, який проходитиме в колі, якщо запобіжник замінити провідником із незначним повним опором порівняно з опором у решті кола.

5. Сподіваний струм вимкнення – це сподіваний струм, визначений у момент часу, що відповідає моменту вимкнення дуги в запобіжнику під час його спрацювання.

6. Вимикаюча здатність (запобіжника) – це найбільше діюче значення періодичної складової сподіваного струму вимкнення, яку запобіжник здатний вимкнути за нормованих характеристик мережі.

7. Мінімальним струмом вимкнення (запобіжника) називається мінімальне чинне значення періодичної складової сподіваного струму вимкнення, яке запобіжник здатний вимкнути за нормованих характеристик мережі.

8. Одногодинний струм розтоплення запобіжника – це струм, походження якого через запобіжник протягом однієї години викликає розтоплення топкого елементу й значення якого відповідає нормованому.

9. Нижня межа одногодинного струму розтоплення – це найменше значення струму, що проходить через топку вставку, виражене в частках від її номінального струму, яке призводить до розтоплення топкого елементу за час, не менший від однієї години.

10. Переддуговий час – це інтервал часу між початком проходження струму достатнього, щоб розтопити топкий елемент, та моментом виникнення дуги.

11. Часом спрацювання (запобіжника) називається інтервал часу від початку проходження струму достатнього, щоб розтопити топкий елемент, до моменту остаточного згасання дуги.

12. Інтеграл Джоуля – це інтеграл квадрата струму, що проходить через запобіжник, протягом заданого інтервалу часу. Значення інтеграла Джоуля відповідає енергії, що виділяється у вигляді тепла на частині кола з резистансом 1 Ом. Розрізняють для топкої вставки такі значення інтеграла Джоуля: перед дуговий інтеграл Джоуля, який визначають за перед дуговий час, робочий – інтеграл Джоуля, який визначають за час спрацювання.

13. Ефективний час (еквівалентний час) – це час, що визначається відношенням інтеграла Джоуля до квадрата діючого значення періодичної складової сподіваного струму.

14. Примітка. Значення ефективного часу, яке звичайно зазначають для топкої вставки, є значенням перед дугового часу чи часу спрацювання.

15. Часо-струмова характеристика – це залежність значення ефективного часу від діючого значення періодичної складової сподіваного струму за певних умов роботи. Часо-струмові характеристики, які звичайно зазначають для топкої вставки, належать до перед дугового часу чи часу спрацювання.

16. Часо-струмова характеристика спрацювання (запобіжника) – це залежність ефективного часу спрацювання запобіжника від діючого значення періодичної складової сподіваного струму за певних умов.

17. Перед дугова часо-струмова характеристика запобіжника – це залежність ефективного часу від діючого значення періодичної складової сподіваного струму за певних умов.

18. Часо-струмова зона запобіжника – це зона міх найменшою перед дуговою часо-струмовою характеристикою та максимальною часо-струмовою характеристикою спрацювання запобіжника за певних умов.

19. Відновною напругою називається напруга, яка виникає між виводами запобіжника після розімкнення ним електричного кола. Відновну напругу розрізняють для двох інтервалів часу, перший з них – час наявності перехідної напруги, за яким настає другий, коли наявна тільки напруга промислової частоти, чи усталена відновна напруга.

При протіканні через вставку струму перевантаження І > > І_в вона нагрівається і розтоплюється, при цьому чим більша сила струму І, тим швидше розтопиться і розімкне коло. Час топлення вставки стає дуже малим при струмах КЗ.

Графічне зображення залежності часу топлення топкої вставки запобіжника від струму, що через неї проходить, називається часо-струмовою (захисною) характеристикою. Прийнято часо-струмові характеристики зображати у вигляді кривих, як це показано суцільною лінією на рис 1.2. На горизонтальній осі відкладемо відношення струму перевантаження або КЗ до номінального струму топкої вставки, а на вертикальній осі – час у секундах і хвилинах, протягом якого відбувається вимкнення. З характеристики рис. 1.2. можна побачити, що топка вставка вимикає двократний струм через 2, 5 хв., п’ятикратний – через 0, 9 с., стократний струм – через 0, 008 с. і т. і.

Рис. 1.2. Часо-струмові характеристики запобіжників

При серійному виготовленні топких вставок їх часо-струмові характеристики займають смугу (на рис. 1.2. вона обмежена пунктирними лініями), що називається часо-струмовою зоною запобіжника або зоною топлення, або робочою зоною. Струм топлення і час топлення залежить від багатьох причин: матеріалу, площі поперечного перерізу і довжини вставки, стану поверхні і умов її охолодження, стану контактів запобіжника, температури навколишнього середовища і т. і.

Вимоги, що пред’являються до запобіжника:

1) не повинен довгочасно перегріватися вище допустимих для нього температур в умовах нормальної експлуатації;

2) не повинен вимикати електричну мережу при короткочасних (не дуже частих) перевантаженнях (пускові струми КЗ двигунів, струми самозапуску електроустановок при відновленні напруги, піки струмів зварювальних апаратів і короткочасних перевантажень технологічних машин і т.п.);

3) повинен вимикати електричну мережу при довготривалих перевантаженнях в електроустановках, де несподіване вимкнення менш небезпечне ніж загроза руйнування ізоляції; при цьому необхідно, щоб час відключення знаходився у зворотній залежності від перевантаження, тобто чим більше перевантаження за абсолютним значенням, тим швидше повинен спрацьовувати топкий запобіжник;

4) повинен у мінімальний час надійно вимикати електричну мережу (не руйнуючись сам) при появі струмів небезпечної для мережі величини (струмів КЗ);

5) не повинен змінювати своїх параметрів з часом (тобто не повинен старіти).