В настоящей статье будут рассмотрены особенности применения быстродействующих предохранителей в цепях постоянного тока. Кроме того, пойдет речь о конструктивных вариантах исполнения различных серий предохранителей и некоторых областях их применения.
Предохранители в режиме постоянного тока
Использование предохранителей в цепях постоянного тока имеет свои особенности, т.к. из-за большой скорости процессов и отсутствия нулевых переходов тока цепи на работу предохранителя значительно влияют 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 соотношением 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).
Для длительного периода времени (более 1 секунды) тепловой эффект переменного тока такой же, как и постоянного, характеристики сливаются (см. рис. 2).
Рис.1. Время-токовая характеристика цепи постоянного тока
Рис.2. Зависимость времени плавления от L/R
Большинство схем имеют постоянную времени между 10 и 20 миллисекундами, исходя из чего спецификации МЭК (международной электротехнической комиссии) требуют тестирования в этих пределах. Константы времени больше чем 20 мс встречаются не часто, за исключением тяговых решений электротранспорта, где большая длина контактной сети даёт чрезвычайно высокое соотношение индуктивности к сопротивлению. При коротких замыканиях, в условиях срабатывания предохранителя, значение постоянной времени цепи может отличаться от постоянной времени в «нормальных» рабочих условиях.
Во многих выпрямительных схемах, даже в условиях срабатывания, плавкая вставка будет под воздействием переменного напряжения (когда напряжение стремится к нулю или близко к нулю с регулярностью, соответствующей частоте питания).
В этих условиях, гашение дуги внутри плавкой вставки в случае срабатывания упрощается снижением напряжения до нуля. Когда предохранитель установлен в цепи постоянного тока, процесс гашения дуги при срабатывании не будет упрощаться периодическим снижением напряжения до 0, как в ситуации с переменным напряжением. При постоянном токе погасить дугу гораздо сложнее, вот почему и предохранитель в этом случае, как правило, должен быть гораздо больше по размерам (Рис.3).
Рис.3. Предохранители одного номинала для переменного (слева) и постоянного (справа) тока
Напряжение, при котором плавкая вставка может безопасно работать, таким образом, зависит от постоянной времени цепи. Следует отметить, что при малых значениях постоянной времени номинал тока предохранителя при постоянном напряжении иногда может оказаться больше, чем при переменном (согласно стандартам IEC или UL). Однако для большинства случаев номинал предохранителей при постоянном токе не превышает 75% от номинала при переменном токе, и по мере увеличения постоянной времени он снижается.
Напряжение дуги, возникшей внутри плавкой вставки во время срабатывания, будет меняться по отношению к напряжению системы. Изменение напряжения дуги в результате самоиндукции относительно приложенного напряжения будет также различным для цепей переменного и постоянного тока. Если это специально не предусмотрено конструкцией, 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 большой диапазон предохранителей, специально разработанных для работы при постоянном токе в самых разнообразных 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 1600А, различного конструктивного исполнения.
Предохранители переменного тока в цепях постоянного тока
Учитывая вышесказанное, рассмотрим пример проверки возможности применения конкретного предохранителя в цепи постоянного тока.Приведенная ниже информация относится конкретно к прямоугольным предохранителям стандартной серии на 660, 690, 1000 и 1250 В переменного тока. При этом в каталоге для них нет информации о возможности их использования в цепях постоянного тока. Тем не менее эти предохранители могут применяться в цепях, где используется постоянное напряжение. Однако, при этом необходимо провести определённый проверочный расчёт.
Отключающая способность предохранителей зависит от сочетания:
- максимального приложенного постоянного напряжения;
- постоянной времени цепи L/R;
- минимального предполагаемого тока короткого замыкания Ipmin цепи;
- преддугового интеграла I2t выбираемого предохранителя.
Пример расчёта.
Исходная информация:
Используем параметры конкретного предохранителя 170M6149: 1100A, 1250 VAC,
I2t — 575.000 A2s
Прилагаемое напряжение E = 500V DC
Возможный ток короткого замыкания Ip = E/R = 500/16 = 31.3 kA
Постоянная времени L/R = 40 ms (0.64/16)
Рис.4. Условная схема рассчитываемой цепи
Для расчётов используется ряд следующих зависимостей:
Шаг. 1 График на рис.5 показывает зависимость максимума приложенного напряжения постоянного тока от L/R с 3 уровнями тока Ip в качестве параметра.
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 40ms. Непосредственно выше этой точки пересечения находится кривая 2.
Если выше точки пересечения напряжения и постоянной времени нет никакой кривой, тогда должен быть выбран плавкий предохранитель с номиналом переменного напряжения более 1250 В.
Рис.5. Зависимость максимума приложенного напряжения постоянного тока от L/R
Шаг 2. Для правильного применения предохранителя необходимо использовать коэффициент F, связывающий I2t с предполагаемым током срабатывания Ipmin. На рис.6 показана зависимость коэффициента F от L/R. По параметру 2 (выбранной кривой 2) для постоянной времени L/R = 40 ms находим коэффициент F = 26,5.
Рис.6. Определение промежуточного коэффициента F в зависимости от постоянной времени
Шаг 3. Для прилагаемого напряжения 500В по пересечению с кривой номинального напряжения используемого предохранителя находим пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя.
Как видно из графика (Рис.7), для данного случая пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя будет достигать значения 1900V.
Рис.7. Определение пикового напряжения дуги при срабатывания предохранителя
Шаг 4. Минимальный уровень тока (Ipmin) цепи должен соответствовать следующему условию:
Проверка с конкретными параметрами цепи показала, что отключающая способность выбранного предохранителя достаточна при следующих основных условиях:
- Максимальное прилагаемое напряжение — 500V;
- Постоянная времени 40мs ( допустимо до 46мs);
- Минимальный необходимый ток срабатывания Ip — 20kA (имеем для данной цепи 31,3kA, что вполне соответствует условию);
- Пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя — 1900 В.
Повторимся, приведенная методика проверки применимости относится конкретно к прямоугольным предохранителям стандартной серии на 660, 690, 1000 и 1250 В переменного тока. Возможность применения 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 верной методики подбора предохранителя для постоянного тока, основываясь на его параметрах для переменного тока. В связи с этим, производителем рекомендуется 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.
Поскольку в рамках нашей статьи мы говорим о выборе предохранителей, то касаться особенностей их внутреннего устройства не будем, так как писали об этом ранее (Силовая Электроника, № 4’2013, № 6’2013). Кроме правильного определения электрических параметров предохранителя, перед пользователем стоит задача выбора его конструктивного исполнения. Часто выбор конструктивного исполнения определяется требованиями к допустимым размерам, исходя из свободного пространства в месте установки. С другой стороны, 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. Быстродействующие предохранители Bussmann 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), являющихся отличным решением для защиты небольших ИБП, малых приводов переменного тока и другого оборудования небольшой мощности, где приоритетом является минимальное занимаемое пространство (Рис.8). Устанавливаются в специальные модульные держатели и держатели открытого типа, имеющиеся в ассортименте продукции производителя. В линейке имеются варианты исполнения предохранителей с бойком индикации срабатывания (в серии FWP).
Рис.8. Быстродействующиецилиндрические предохранители (Ferrule Style)
Предохранители британского стандарта BS88:4 (Рис.9) для защиты полупроводников у Bussmann представлены самой широкой в индустрии линейкой, двумя диапазонами напряжения 240Vac/150Vdc и 690vac/500Vdc. Используют инновационные методы гашения дуги и материалы высокого класса, обеспечивающие минимальные значения I2t и отличную производительность в цепях постоянного тока. Конструктивное исполнение со смещёнными контактами под болт предполагает установку непосредственно на платы, монтажные панели приводов постоянного тока, выпрямителей, преобразователей напряжения, устройств плавного пуска и т.п. Опционально могут оснащаться индикаторами срабатывания.
Рис.9. Быстродействующиепредохранители британского стандарта BS88:4
Ещё одно линейка быстродействующих предохранителей — североамериканские цилиндрические с ножевыми и торцевыми привинчиваемыми контактами (Рис.10). Представляют отличное решение для силового оборудования средней мощности. Конструкция оптимизирована для обеспечения малых значений I2t, потерь мощности, напряжения дуги и применения в цепях постоянного тока. Для предохранителей линейки разработаны держатели с фиксированным центром и модульные универсальные держатели.
Рис.10. Быстродействующиепредохранители североамериканского стандарта
И, пожалуй, самое большое подмножество — быстродействующие предохранители в прямоугольном корпусе (Рис.11). Их конструктивное исполнение обеспечивает минимальные значения I2t , низкую рабочую температуру и малые потери мощности. Диапазон рабочих напряжений от 400В до 4000В и номинальный ток до 7500А.
Рис.11. Быстродействующиепредохранители в прямоугольном корпусе
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 типоразмера (Рис.12).
Рис.12. Типоразмеры быстродействующих прямоугольных предохранителей
Также широкая линейка прямоугольных быстродействующих предохранителей делится на несколько подгрупп, характерных для определённых локальных стандартов и отличающихся преимущественно исполнением контактов (Рис.13).
Рис.13. Стандартыпредохранителей в прямоугольном корпусе с различным исполнением контактов
Это даёт возможность пользователю подобрать наиболее подходящий вариант для используемого оборудования и обеспечивает гибкость при разработке новых специфичных приложений. Некоторые из них могут быть установлены только в предназначенные для них держатели (например, предохранители стандарта DIN 43 620), другие могут устанавливаться 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, боёк 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 прямоугольныхпредохранителей
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, горнодобывающей промышленности. Остановимся на специфике применения быстродействующих предохранителей в отдельных отраслях.
Компания Bussmann имеет специально разработанные решения для применения на железнодорожном и электротранспорте. Специфика определяется в первую очередь применением в цепях постоянного тока для большого 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. Особенностью тяговых преобразователей электроподвижного состава является к тому же эксплуатация в условиях непрерывных механических воздействий, циклических токовых перегрузок, большой индуктивности нагрузки, широкого диапазона климатических факторов, что накладывает ужесточение требований к применяемым предохранителям. В линейке для железнодорожного и электротранспорта у Bussmann есть предохранители для тяговых преобразователей, систем управления и контроля, преобразователей напряжения, вспомогательных систем подвижного состава (Рис.15).
Рис.15. Применение предохранителей Bussmann в цепях подвижного состава
Ещё одной характерной областью применения быстродействующих предохранителей Bussmann является металлургическая отрасль.
Производство стали в дуговых сталеплавильных печах требует токов до 100кА при напряжении более 1000 В. Процесс хлорного электролиза требует постоянных токов до 300-350kA и напряжения до 1000 В постоянного тока. Медь, цинк, свинец, никель, кадмий и т.п производятся также с применением больших токов. Для питания электролизных ванн в цветной металлургии применяются силовые выпрямительные установки на номинальный ток до 100 кА при напряжении до 1000 В. Эти установки характеризуются большим количеством параллельно соединённых выпрямительных модулей и необходимостью обеспечения непрерывности питания. В ряде случаев, при аварии, вызванной одиночным отказом полупроводникового модуля, когда аварийный ток достигает 150-200 кА, возможно образование дуги, сопровождаемое взрывом. Взрывы полупроводников, вызванные отсутствием, либо невысоким качеством защитных устройств, приводят к тяжёлым последствиям — разрушению конструкции преобразователя, нарушению сложных технологических процессов, дорогостоящему ремонту. Быстродействующий предохранитель призван при пробое соответствующего полупроводника (тиристора, IGBT), соединённого последовательно с ним, своевременно сработать и отключить его, и это не должно критически сказаться на работе преобразователя. Для удовлетворения растущего спроса на допустимые нагрузочные способности по току специалистами Bussmann был разработан предохранитель 5 размера в единой конструкции, которая оптимизирует температурный режим предохранителя как при принудительном обдуве, так и при одно- или двустороннем водяном охлаждении (Рис.16).
Рис.16. Специальные предохранители Bussmann 5 размера для металлургической отрасли
Ещё одно достаточно специфичное применение предохранителей Bussmann- оборудование солнечной энергетики (Рис.17). Солнечные системы для выработки электроэнергии состоят из массивов фотоэлементов и инверторов. Предохранители используются как для защиты линеек элементов солнечных панелей, подмассивов и массивов, так и для защиты связанных инверторов. Особенности солнечной энергетики — высокое напряжение постоянного тока, низкий выходной ток, очень низкие токи короткого замыкания, чувствительность к повреждению перенапряжением определяют и специфику защитных устройств. Bussmann производит весь спектр предохранителей для оборудования солнечных систем. В диапазоне есть цилиндрические предохранители с различным исполнением контактов для защиты линеек фотоэлементов (10×38мм 600В, 14×51мм 1000V/1100В, 14×65 мм 1300/1500В постоянного тока), а также прямоугольные предохранители разных типоразмеров на 1000/1500 В постоянного тока для защиты целых массивов. В ассортименте также различные держатели и прочие аксессуары. Предохранители с характеристикой gPV способны срабатывать при токе, всего в 1.3 превышающем номинальный, что является их характерной особенностью.
Рис.17. Предохранители с характеристикой gPV для защиты солнечных батарей
Также стоит напомнить о широком применении быстродействующих предохранителей в цепях 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.
Компания Bussmann является ведущей компанией в мире по количеству моделей плавких предохранителей, выпускаемых на множестве её заводов по всему миру. Однако, в связи с большим количеством подделок на рынке, необходимо быть уверенными, что приобретаемые вами предохранители являются оригинальным продуктом Bussmann. Избежать приобретения неоригинальной продукции можно, обращаясь к официальному представителю Bussmann в России — компании «Айтекс». Более подробно познакомиться с технической информацией и подобрать нужную модель предохранителя можно на сайте www.bussfuse.ru.
Литература:
2. IEC 60 269 — 1 Low voltage fuses. Part 1. General requirements.
3. High Speed Fuse Application Guide, Cooper Industries plc, USA, 2010.
4. Намитоков К.К.и др. Аппараты для защиты полупроводниковых устройств.
М.: Энергоатомиздат, 1988г.
Автор: Руслан Черекбашев
