Как правильно подобрать быстродействующий предохранитель. Часть 2

Продолжение. Начало №6’2014

Предохранители в режиме постоянного тока

Использование предохранителей в цепях постоянного тока имеет свои особенности, поскольку из-за большой скорости процессов и отсутствия нулевых переходов тока цепи на работу предохранителя оказывают значительное влияние реактивные параметры цепи. Индуктивность в цепи постоянного напряжения ограничивает скорость нарастания тока. Время, затрачиваемое на достижение током 63% от конечного значения, называется постоянной времени, обозначаемой отношением L/R. Скорость же нарастания тока влияет на начальную энергию плавления элемента предохранителя. Это определяет как время-токовую характеристику плавления, так и максимальный пропускаемый ток (рис. 1).

Рис. 1. Время-токовая характеристика цепи постоянного тока

Для длительного периода времени (более 1 с) тепловой эффект переменного тока такой же, как и для постоянного, их характеристики сливаются (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость времени плавления от L/R

Большинство схем имеют постоянную времени между 10 и 20 мс, исходя из чего спецификации МЭК (Международной электротехнической комиссии) требуют тестирования в этих пределах. Константы времени, превышающие 20 мс, встречаются нечасто, за исключением тяговых решений электротранспорта, где большая длина контактной сети дает чрезвычайно высокое отношение индуктивности к сопротивлению. В случае коротких замыканий при срабатывании предохранителя значение постоянной времени цепи может отличаться от постоянной времени в «нормальных» рабочих условиях.

Рис. 3. Предохранители одного номинала для переменного (слева) и постоянного (справа) тока

Во многих выпрямительных схемах, даже в условиях срабатывания, плавкая вставка будет находиться под воздействием переменного напряжения (когда напряжение стремится к нулю или бывает близким к нулю с регулярностью, соответствующей частоте питания). В этих условиях гашение дуги внутри плавкой вставки в случае срабатывания упрощается при снижении напряжения до нуля. Когда предохранитель установлен в цепи постоянного тока, процесс гашения дуги при срабатывании не будет упрощаться периодическим снижением напряжения до 0, как это происходит в случае с переменным напряжением. При постоянном токе погасить дугу гораздо сложнее, вследствие чего предохранитель в этом случае, как правило, должен иметь гораздо большие размеры (рис. 3).

Следовательно, напряжение, при котором плавкая вставка может безопасно работать, зависит от постоянной времени цепи. Следует отметить, что при малых значениях постоянной времени номинал тока предохранителя в случае постоянного напряжения иногда может оказаться больше, чем в случае переменного (в соответствии со стандартом IEC или UL). Однако, как правило, номинал предохранителей при постоянном токе не превышает 75% от номинала при переменном токе и снижается по мере увеличения постоянной времени.

Изменение напряжения дуги в результате самоиндукции относительно приложенного напряжения будет также различным для цепей переменного и постоянного тока. Если это специально не предусмотрено конструкцией, то предохранители не рекомендуется применять для защиты от незначительных перегрузок в цепях постоянного тока. Производительность в этой области может быть ограничивающим фактором при выборе предохранителя.

Компания Bussmann производит широкий диапазон предохранителей, разработанных специально для работы при постоянном токе в самых разных приложениях: в тяговых транспортных решениях, системах бесперебойного питания, выпрямителях, частотных преобразователях, солнечной энергетике и др. Предохранители для цепей постоянного тока выпускаются на типовые напряжения 750, 1000, 1200, 1500, 2000 и 4000 В в диапазоне токов до 1600 А, различного конструктивного исполнения.

Предохранители переменного тока в цепях постоянного тока

Для примера, с учетом указанного выше, проверим, можно ли применить какой-либо конкретный предохранитель в цепи постоянного тока. Приведенная ниже информация относится к прямоугольным предохранителям стандартной серии на 660, 690, 1000 и 1250 В переменного тока. Причем в их каталоге не сообщается о том, могут ли они использоваться в цепях постоянного тока. Тем не менее эти предохранители допустимо применять в цепях с постоянным напряжением. Однако для этого нужно провести определенный проверочный расчет.

Отключающая способность предохранителей зависит от сочетания:

• максимального приложенного постоянного напряжения;
• постоянной времени цепи L/R;
• минимального предполагаемого тока короткого замыкания I_pmin цепи;
• преддугового интеграла I²t выбираемого предохранителя.

Пример расчета

Исходная информация (рис. 4):

• Используется предохранитель 170M6149 со следующими параметрами: 1100 A, 1250 В AC, I2t — 575 000 A²с.
• Прилагаемое напряжение E = 500 В DC.
• Возможный ток короткого замыкания I_p = E/R = 500/16 = 31,3 кA.
• Постоянная времени L/R = 40 мс (0,64/16).

Рис. 4. Условная схема рассчитываемой цепи

Расчет проводился в следующем порядке.

• Шаг 1

График на рис. 5 показывает зависимость максимума приложенного напряжения постоянного тока от L/R с тремя уровнями тока I_p в качестве параметра.

Рис. 5. Зависимость максимума приложенного напряжения постоянного тока от L/R

Необходимо выбрать кривую 1, 2 или 3 выше точки пересечения известного напряжения и постоянной времени. Находим точку пересечения для прилагаемого напряжения 500 В и постоянной времени, равной 40 мс. Непосредственно выше этой точки пересечения находится кривая 2.

Если выше точки пересечения напряжения и постоянной времени нет никакой кривой, то нужно выбрать плавкий предохранитель с номиналом переменного напряжения более 1250 В.

• Шаг 2

Для правильного применения предохранителя необходимо использовать коэффициент F, связывающий I²t с предполагаемым током срабатывания I_pmin. На рис. 6 показана зависимость коэффициента F от L/R. По параметру 2 (выбранной кривой 2) для постоянной времени L/R = 40 мс находим коэффициент F = 26,5.

Рис. 6. Определение промежуточного коэффициента F в зависимости от постоянной времени

• Шаг 3

Для прилагаемого напряжения 500 В по пересечению с кривой номинального напряжения используемого предохранителя находим пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя. Как видно из графика на рис. 7, для данного случая пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя будет достигать значения 1900 В.

Рис. 7. Определение пикового напряжения дуги при срабатывании предохранителя

• Шаг 4

Минимальный уровень тока (I_pmin) цепи должен соответствовать следующему условию:

I_pmin ≥ F × √I²t = 26,5 × √575 000 = 20 кА.

Проверка с конкретными параметрами цепи показала, что отключающая способность выбранного предохранителя достаточна при следующих основных условиях:

• максимальное прилагаемое напряжение 500 В;
• постоянная времени 40 мс (допустимо до 46 мс);
• минимальный необходимый ток срабатывания Ip равен 20 кА (имеем для данной цепи 31,3 кА, что вполне соответствует условию);
• пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя 1900 В.

Следует помнить, что приведенная методика проверки применимости относится конкретно к прямоугольным предохранителям стандартной серии на 660, 690, 1000 и 1250 В переменного тока. Возможность использования в цепях постоянного тока других быстродействующих предохранителей необходимо уточнять в справочных данных соответствующих каталогов.

Таким образом, плавкие предохранители допускают работу в цепях как переменного, так и постоянного тока, но с существенной коррекцией максимально допустимых параметров, в частности напряжения. Однако не существует универсальной достоверной методики подбора предохранителя для постоянного тока, основанной на его параметрах для переменного тока. Поэтому производитель рекомендует в цепях постоянного тока применять специально разработанные для этого предохранители или предохранители, в справочных данных которых оговаривается возможность работы в режиме постоянного тока.

Выбор конструктивного исполнения быстродействующих предохранителей

В данной статье обсуждается лишь выбор предохранителей, поскольку особенности их внутреннего устройства рассматривались ранее [5, 6]. Кроме правильного определения электрических параметров предохранителя, перед пользователем стоит задача выбора его конструктивного исполнения. Зачастую такой выбор определяется требованиями к его допустимым размерам, обусловленным величиной свободного пространства в месте установки. Но следует учитывать, что размеры предохранителя, как правило, зависят от номиналов тока, напряжения, режима использования (цепи переменного или постоянного тока). Компания Bussmann представляет наиболее широкий ассортимент быстродействующих предохранителей на мировом рынке. Они выпускаются в корпусах всех между­народных типов, соответствующих стандарту EN60269-4, который объединяет все предыдущие европейские и американские стандарты для этих устройств.

Семейство быстродействующих предохранителей Bussmann включает в себя цилиндрические предохранители (Ferrule Style) различного размера (от 6×32 до 25×146 мм), отлично защищающие небольшие ИБП, малые приводы переменного тока и другое оборудование небольшой мощности, где приоритетом является минимальное занимаемое пространство (рис. 8). Эти предохранители устанавливаются в специальные модульные держатели и держатели открытого типа, имеющиеся в ассортименте продукции производителя. В линейке (в серии FWP) есть и варианты исполнения предохранителей с бойком индикации срабатывания.

Рис. 8. Быстродействующие цилиндрические предохранители (Ferrule Style)

Выпускаемые компанией Bussmann предохранители британского стандарта BS88:4 (рис. 9) для защиты полупроводников представлены самой широкой в индустрии линейкой с двумя диапазонами напряжения: 240 В АС/150 В DC и 690 В АС /500 В DC. Здесь использованы инновационные методы гашения дуги, а также материалы высокого класса, обеспечивающие минимальные значения I2t и отличную производительность в цепях постоянного тока. Конструктивное исполнение со смещенными контактами под болт предполагает установку непосредственно на платы, монтажные панели приводов постоянного тока, выпрямителей, преобразователей напряжения, устройств плавного пуска и т. п. Опционально такие предохранители могут оснащаться индикаторами срабатывания.

Рис. 9. Быстродействующие предохранители британского стандарта BS88:4

Еще одна линейка быстродействующих предохранителей — североамериканские цилиндрические, с ножевыми и торцевыми привинчиваемыми контактами (рис. 10). Они представляют собой отличное решение для силового оборудования средней мощности. Их конструкция оптимизирована для обеспечения малых значений I²t, потерь мощности и напряжения дуги, а также для применения в цепях постоянного тока. Для предохранителей линейки разработаны держатели с фиксированным центром и модульные универсальные держатели.

Рис. 10. Быстродействующие предохранители североамериканского стандарта

А самым большим подмножеством будут, пожалуй, быстродействующие предохранители в прямоугольном корпусе (рис. 11). Их конструктивное исполнение обеспечивает минимальные значения I²t, низкую рабочую температуру и малые потери мощности. Диапазон рабочих напряжений — 400–4000 В, номинальный ток — до 7500А.

Рис. 11. Быстродействующие предохранители в прямоугольном корпусе

Такие предохранители предназначены для защиты полупроводниковых приборов в оборудовании средней и большой мощности. Имеются серии, разработанные специально для использования в цепях постоянного тока. В зависимости от номинала и спецификации Bussmann производит целый диапазон различных типов корпусов быстродействующих предохранителей, от 0000 до 5-го типоразмера (рис. 12).

Рис. 12. Типоразмеры быстродействующих прямоугольных предохранителей

Кроме того, широкая линейка прямоугольных быстродействующих предохранителей делится на несколько подгрупп, характерных для определенных локальных стандартов и различающихся преимущественно исполнением контактов (рис. 13).

Рис. 13. Стандарты предохранителей в прямоугольном корпусе с различным исполнением контактов

Это дает возможность пользователю подобрать наиболее подходящий вариант для используемого оборудования и обеспечивает гибкость при разработке новых специфичных приложений. Одни из них (например, предохранители стандарта DIN 43 620) могут быть установлены только в предназначенные специально для таких устройств держатели, другие допускается устанавливать как в специальные держатели, так и непосредственно на токоподводящие шины (стандарт DIN 43 653). В пределах практически каждой из этих подгрупп имеются варианты исполнения предохранителей с разными типами индикации: визуальный индикатор срабатывания, боек на торцевой части предохранителя (тип Т), адаптер индикации срабатывания на теле предохранителя (тип К). Для обоих типов доступны специальные микропереключатели, которые выбираются опционально (рис. 14).

Рис. 14. Микропереключатели индикации срабатывания прямоугольных предохранителей

Области применения быстродействующих предохранителей

Широкое распространение силовых полупроводниковых преобразователей определило рост применения быстродействующих предохранителей. Силовые полупроводниковые преобразователи используются для экономичного преобразования электрической энергии при автоматизации производственных процессов, механизации трубопрокатных и трубоэлектросварочных производств, питания и управления компрессорами и насосными станциями нефте- и газопроводов, а также в горнодобывающей промышленности. Обсудим специфику применения быстродействующих предохранителей в отдельных отраслях.

Компания Bussmann имеет, в частности, специально разработанные решения для железнодорожного и электротранспорта. Их специфика определяется, в первую очередь, применением в цепях постоянного тока для широкого диапазона токов и напряжений. Об особенностях применения в цепях постоянного тока мы уже говорили выше, в частности, в связи с более сложным процессом гашения дуги требуется использование более качественных материалов и увеличение физических размеров предохранителя. Кроме того, тяговые преобразователи электроподвижного состава эксплуатируются в условиях непрерывных механических воздействий, циклических токовых перегрузок, большой индуктивности нагрузки, широкого диапазона климатических факторов, что ужесточает требования к применяемым предохранителям. В линейке для железнодорожного и электротранспорта у Bussmann есть предохранители для тяговых преобразователей, систем управления и контроля, преобразователей напряжения и вспомогательных систем подвижного состава (рис. 15).

Рис. 15. Применение предохранителей Bussmann в цепях подвижного состава

Еще одной областью использования быстродействующих предохранителей Bussmann является металлургия.

Для производства стали в дуговых сталеплавильных печах необходима величина тока до 100 кА при напряжении более 1000 В. Процесс хлорного электролиза требует постоянных токов до 300–350 кА и напряжения постоянного тока до 1000 В. Медь, цинк, свинец, никель, кадмий и т. п. производятся также с применением больших токов.

Рис. 16. Специальные предохранители Bussmann 5-го размера для металлургической отрасли

В цветной металлургии для питания электролизных ванн применяются силовые выпрямительные установки на номинальный ток до 100 кА при напряжении до 1000 В. Они характеризуются большим количеством параллельно соединенных выпрямительных модулей и необходимостью обеспечивать непрерывное питание. В ряде случаев, при аварии, вызванной одиночным отказом полупроводникового модуля, когда аварийный ток достигает 150–200 кА, существует возможность образования дуги, сопровождающейся взрывом. Взрывы полупроводников, вызванные отсутствием либо невысоким качеством защитных устройств, приводят к тяжелым последствиям: разрушению конструкции преобразователя, нарушению сложных технологических процессов, дорогостоящему ремонту. Быстродействующий предохранитель должен при пробое соответствующего полупровод­ника (тиристора, IGBT), последовательно соединенного с ним, своевременно сработать и отключить его, причем это не должно критически сказаться на работе преобразователя. Чтобы удовлетворять растущий спрос на допустимые нагрузочные способности по току, специалисты Bussmann разработали предохранитель 5-го размера в единой конструкции, которая оптимизирует температурный режим предохранителя как при принудительном обдуве, так и при одно- или двустороннем водяном охлаждении (рис. 16).

Рис. 17. Предохранители с характеристикой gPV для защиты солнечных батарей

Еще одно специфическое применение предохранителей Bussmann — в оборудовании для солнечной энергетики (рис. 17). Солнечные системы для выработки электроэнергии состоят из массивов фотоэлементов и инверторов. Предохранители используются для защиты линеек элементов солнечных панелей, подмассивов и массивов, так и для защиты связанных инверторов. Такие особенности оборудования для солнечной энергетики, как высокое напряжение постоянного тока, низкий выходной ток, очень низкие токи короткого замыкания, чувствительность к повреждению вследствие перенапряжения, и определяют специфику защитных устройств. Компания Bussmann производит весь спектр предохранителей, предназначенных для солнечных систем, в том числе цилиндрические с различным исполнением контактов для защиты линеек фотоэлементов (10×38 мм 600 В, 14×51 мм 1000/1100 В, 14×65 мм 1300/1500 В постоянного тока) и прямоугольные разных типоразмеров на 1000/1500 В постоянного тока для защиты целых массивов. В ее ассортименте также есть различные держатели и прочие аксессуары. Предохранители с характеристикой gPV способны срабатывать при токе, всего в 1,3 раза превышающем номинальный, что является их характерной особенностью.

Также быстродействующие предохранители применяются для защиты полупроводников частотных преобразователей, устройств плавного пуска, приводов электродвигателей, использующихся в составе производственного оборудования различных отраслей промышленности, источников бесперебойного питания, преобразователей напряжения, оборудования альтернативных источников энергии и т. д.

Bussmann — ведущая мировая компания по производству плавких предохранителей, выпускаемых множеством ее предприятий по всему миру. Однако вследствие появления на рынке большого количества подделок необходимо убедиться, что приобретаемые модели являются оригинальным продуктом Bussmann.